鄭金標

摘??要：為保障長周期壓力容器的連續(xù)不間斷生產(chǎn)，研究設(shè)計了一套基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）的長周期壓力容器安全分析評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)整合各種在線檢測技術(shù)數(shù)據(jù)并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析處理，做出可靠的安全評價，實現(xiàn)在線安全管理。

關(guān)鍵詞：長周期壓力容器;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);壓力容器安全評價系統(tǒng)

近年來，隨著工業(yè)不斷發(fā)展，安全管理水平的提高，企業(yè)對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟效益的訴求越來越強烈，對延長壓力容器檢驗周期的呼聲越來越多，特別是石油化工行業(yè)，各類長周期壓力容器的數(shù)量逐漸增多。

1.長周期壓力容器的特點

長周期壓力容器是指那些因生產(chǎn)裝置連續(xù)運行，停產(chǎn)困難或開罐成本大，致使其檢驗檢測成本高，而需要延長檢修周期的壓力容器。長周期壓力容器是一種可以提供長周期穩(wěn)定運行的承壓設(shè)備，它以設(shè)備管理、技術(shù)管理和安全管理為依托，滿足企業(yè)生產(chǎn)裝置的長周期運行，以達到降本增效。例如：石化裝置長周期安全穩(wěn)定運行是企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟效益的有效途徑。尤其是在今天，石化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)跨越了粗放發(fā)展的階段，降本增效是企業(yè)提升競爭力的重要手段。

如何保證生產(chǎn)裝置的長周期安全穩(wěn)定運行，已經(jīng)成為世界跨國石油公司必須高度重視，并加以研究、解決的技術(shù)和管理問題。從總體上講，我們目前設(shè)備管理許多方面還是傳統(tǒng)經(jīng)驗型和規(guī)定型的，我們生產(chǎn)裝置的長周期運行水平與世界跨國石油公司相比仍有較大差距。因此，為了保證壓力容器在較長的周期內(nèi)安全穩(wěn)定運行，對這類壓力容器進行安全性分析是十分必要的。

2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，BP模型是應(yīng)用最為廣泛的。BP模型是一種多層感知器網(wǎng)絡(luò)，它是具有三層或三層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中較典型的是三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。相鄰層之間的各神經(jīng)元實現(xiàn)全連接，即下一層每個神經(jīng)元與上一層每個神經(jīng)元都實現(xiàn)全連接，而每層中各神經(jīng)元之間無連接。最早的感知器模型即單層感知器僅由輸入層和輸出層構(gòu)成，只能解決線性可分的分類問題，因此引入了能夠解決一些非線性分類問題的多層感知器模型。但由于感知器學(xué)習算法的限制，其模式分類能力仍然有限。BP算法采用非線性連續(xù)變換函數(shù)，使隱含層神經(jīng)元具有了學(xué)習能力，于是多層感知器采用了BP學(xué)習算法。人們通常將采用BP學(xué)習算法的多層感知器模型稱為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

BP網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差梯度下降原則進行權(quán)值調(diào)整，具有很強的非線性映射、自組織、泛化和容錯能力。然而，基本BP網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷也嚴重影響著它的實用效果。這些缺陷可歸結(jié)為：（1）收斂速度較慢（2）全局優(yōu)化性不高（3）缺乏理論指導(dǎo)（4）包容能力差。

針對基于BP算法的多層感知器模型具有的缺陷，我們通過基于二次動量項的改進BP算法進行建立基于改進BP算法的多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分類的準確性。

基于二次動量項的改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長周期壓力容器智能評估系統(tǒng)具有自學(xué)習能力，其數(shù)值計算能力使其具有較高的預(yù)測能力。我們使用改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行長周期壓力容器安全評估預(yù)測大致分為兩個階段：首先通過對大量的已知類別的有標簽樣本進行脫機訓(xùn)練，使其具有對無標簽樣本進行檢測的分類能力;然后在訓(xùn)練完成后即可將該模型用于實際的樣本預(yù)測環(huán)境中。

3.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評定系統(tǒng)

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以建立一套長周期壓力容器安全分析評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)在對長周期壓力容器的腐蝕機理、應(yīng)力分析及主要失效模式理論研究的基礎(chǔ)上，以標準GB/T?19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》為依據(jù)，整合聲發(fā)射、導(dǎo)波檢測、相控陣技術(shù)、TOFD技術(shù)、漏磁檢測、低頻渦流檢測等長周期壓力容器在線檢測技術(shù)，對長周期壓力容器的器壁、焊縫、支撐結(jié)構(gòu)進行在線運行監(jiān)測，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并進一步運用有限元進行應(yīng)力分析，創(chuàng)建應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，結(jié)合壓力容器的性能數(shù)據(jù)，所受到的載荷大小，所處的工作環(huán)境等條件，對在役壓力容器進行安全評定，進而得出評定結(jié)果數(shù)據(jù)庫，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行學(xué)習和訓(xùn)練，建立反饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進而創(chuàng)建一套基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評價系統(tǒng)，對各種在線檢測的結(jié)果和長周期壓力容器的技術(shù)參數(shù)、服役條件等參數(shù)進行分析處理。安全評價評估系統(tǒng)主要包括材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊、分類應(yīng)力數(shù)據(jù)庫模塊、缺陷復(fù)合模塊、斷裂評定模塊、安全性與經(jīng)濟性平衡模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示

4.結(jié)論

長周期壓力容器的安全評定是一個很復(fù)雜的過程，具有高度非線性，評定結(jié)果是多種因素如材料性能、缺陷幾何尺寸、缺陷所在部位及應(yīng)力分布與外加載荷等綜合影響的結(jié)果。通過引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，很好的解決了長周期壓力容器安全評定中的難題，而且通過對比驗證，與GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的評定結(jié)果完全一致，說明基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長周期壓力容器安全評定系統(tǒng)是可行的。

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