李 勝, 張 哲, 黃福川

(1. 南寧學(xué)院 機電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院, 廣西 南寧 530200;2. 廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室, 廣西 南寧 530004)

石化能源是世界各國依賴的主要能源之一,其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了令人矚目的成績,油氣管道工業(yè)也同時得到了迅速發(fā)展.據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)有在用管道總長超過63.56×104km,其中工業(yè)管道長度超過42.76×104km,公用管道長度超過17.33×104km,長輸送管道長度超過3.04×104km,其他管道長度超過0.43×104km[1].

由于油氣管道輸送的介質(zhì)具有易燃、易爆、高壓等特點,一旦發(fā)生事故造成的危害不可估量[2].目前,油氣管道的安全主要依靠實施裝置停機定檢為主,日常維護為輔,檢驗時間間隔較長,檢驗范圍過泛、檢驗效率低[3],很難迅速識別和判定油氣管道的風(fēng)險程度和運行情況.

為解決壓力管道事故頻出、危險性增加的困擾,美國等國家先后進行了基于風(fēng)險評價的壓力管道檢驗技術(shù)研究(Risk Based Inspection,RBI))[4].例如,20世紀(jì)70年代初,美國的國際管道研究委員會首先針對壓力管道事故,分析總結(jié)了22種失效因素[5];美國學(xué)者Muhlbauer編著了《管道風(fēng)險管理手冊》[6];2002年美國石油學(xué)會正式出版了基于風(fēng)險監(jiān)測的指導(dǎo)性文件《Risk-based Inspection API580》.加拿大于1994年成立了管道風(fēng)險評價指導(dǎo)委員會(PRASC),旨在促進風(fēng)險評價技術(shù)在工業(yè)管道上的應(yīng)用.歐盟為了保障輸送危險物質(zhì)的管道的安全性,針對現(xiàn)有法案缺乏管道安全管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀對其進行完善,以符合“Seveso Ⅱ”體系關(guān)于安全管理系統(tǒng)的要求[7]等.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合無損檢測技術(shù),使得基于風(fēng)險評價的在線檢驗技術(shù)得到了發(fā)展[8].我國學(xué)者也對管道風(fēng)險評價技術(shù)開展了研究,例如,李建華等基于模糊理論,對長輸管道的風(fēng)險進行了分析[9],俞樹榮等基于解析分層過程對油氣管道系統(tǒng)進行了分析[10].上述方法需要進行大量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫建設(shè),需要收集人為因素、物質(zhì)因素、工程因素和管理因素等進行分析,再進行質(zhì)量評價指標(biāo)體系的建設(shè).如何提高油氣管道管理效率,實現(xiàn)油氣管道的低風(fēng)險零風(fēng)險運行,保障國家和人民財產(chǎn)安全,是當(dāng)前的研究重點.

1 模糊聚類分析技術(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)的風(fēng)險控制理念,主要風(fēng)險控制措施包括避免風(fēng)險措施及減少風(fēng)險措施[11-12].當(dāng)前風(fēng)險評價技術(shù)主要包括了風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險估算、風(fēng)險評價、風(fēng)險決策及風(fēng)險控制等[13-16].其中,風(fēng)險識別是最重要的環(huán)節(jié),進行風(fēng)險評價首先必須依靠工程經(jīng)驗和專家評估等手段連續(xù)而準(zhǔn)確地對潛在危險進行識別[17-18].傳統(tǒng)的壓力管道風(fēng)險評價模式需要大量的數(shù)據(jù),系統(tǒng)耗資大.與之相比,模糊聚類分析技術(shù)更具有普適性和應(yīng)用性,將其應(yīng)用到油氣管道上可以實現(xiàn)油氣管道的安全管理和評價.

1.1 方法簡介

聚類分析是統(tǒng)計模式識別的一個重要工具,它的基本原理就是在沒有先驗知識的情況下,基于“物以類聚”的觀點,用數(shù)學(xué)方法分析各模式向量之間的距離及分散情況,按照樣本的距離遠近劃分類別.

然而,傳統(tǒng)的聚類分析是一種硬劃分,把每個待識別的對象嚴(yán)格劃分到某類中,具有非此即彼的特征,所以這種分類界限非常明確.但是在實際工作中,很多問題并沒有很嚴(yán)格的分類,而是存在于兩類甚至多類屬性之間.例如,油氣管道的失效往往是多種因素造成的,例如壓力、溫度、流體狀態(tài)和管道自身設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等.為此,需要對分析對象進行軟劃分,即模糊聚類.由于模糊聚類獲得的樣本屬于各類型影響因素,反映了樣本屬性的“中間性”,因此建立起的樣本更能客觀地反映現(xiàn)實.綜上,模糊聚類分析屬于一種多元分析方法,這種方法能定量確定各樣本的親疏程度,即能客觀地劃分類型[19],目前已廣泛應(yīng)用于故障診斷、電氣、圖像、醫(yī)療、環(huán)保等眾多領(lǐng)域[20-22].

應(yīng)用該分析技術(shù), 不僅可以根據(jù)早期運行工況和管道級別確定油氣管道的檢驗周期, 為定期檢驗提供參考, 優(yōu)化檢驗方法, 而且可以通過油氣管道風(fēng)險高低進行適當(dāng)?shù)脑u估, 讓企業(yè)管理人員、操作者和檢驗員的精力主要集中于高風(fēng)險的管道上, 可以為合理分配檢驗和維修力量提供基礎(chǔ), 再輔以有效的檢驗技術(shù)加以檢測, 可以在提高油氣管道設(shè)備的安全性和可靠性的同時降低成本[23].

1.2 數(shù)據(jù)模型

設(shè)被劃分為第i類的N個個體的秩的平均值為R,即

若各類別之間有顯著差異,則隸屬于某些類別的N個個體的秩將普遍偏大,而屬于其他類別的N個個體的秩則相對較小,因而各Ri間的差異比較大,若H0為真,則各Ri集中在秩的總平均值

的周圍,而統(tǒng)計量

所以,Q漸進服從自由度為s-1的χ2分布Q～χ2(s-1),因此有上述公式反映了Ri在R附近的分散程度,若H0不真,則Q有偏大的趨勢,因而拒絕域為

Q≥c.

其中,臨界值c由PH0{Q≥c}=a確定.

若令R1+=NRi·=Ri1+Ri2+…+RiN,i=1,2,…,s,則Friedman統(tǒng)計量可簡化為

1.3 風(fēng)險因素的確定

參考檢驗機構(gòu)再用工業(yè)管道全面檢驗報告書,其檢驗內(nèi)容包括了管道材料(材質(zhì)、材料劣化和損傷、硬度等),管道焊接缺陷(裂紋、咬邊、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、錯邊等),管道及管子減薄,組成件其他異常和壓力試驗或泄漏性試驗.而檢驗報告內(nèi)容則包括了宏觀檢驗報告、測厚報告、滲透檢測報告、磁粉檢測報告、射線檢測報告、超聲波檢測報告等.檢驗機構(gòu)的檢驗主要考察的是管道易損部位,如焊縫、彎管等,這些部位往往是油氣管道發(fā)生事故的重災(zāi)區(qū),而影響其安全運行的因素很多.例如,實際工作環(huán)境下,油氣管道易損部位的故障與環(huán)境因素(介質(zhì)腐蝕和大氣腐蝕、空氣鹽度和濕度等)、輸送介質(zhì)(易燃易爆介質(zhì)、有毒介質(zhì)等)、工作條件(管道壓力、介質(zhì)溫度、介質(zhì)流速、振動等)有關(guān),涉及的條件較多.倘若考慮全部因素,往往會導(dǎo)致模型復(fù)雜,且中小型企業(yè)難以進行各種工況參數(shù)的記錄和數(shù)據(jù)采集,檢驗人員也難以根據(jù)眾多因素確定抽檢對象.

從實際檢驗角度出發(fā),由于廠區(qū)地理位置和企業(yè)類別的差別,環(huán)境因素通常會有較大差異,數(shù)據(jù)難以掌握,而輸送介質(zhì)、工況等資料則可以根據(jù)設(shè)計圖紙獲取,是實際檢驗中能獲取的主要工況參數(shù).因此,在模糊聚類分析模型中,筆者忽略外部環(huán)境因素,只選擇實際工況(管道內(nèi)壓強、管道內(nèi)溫度)、輸送介質(zhì)類別和管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)作為風(fēng)險因素,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來進行油氣管道的風(fēng)險分析和評價.

1.4 方法與步驟

為了保證應(yīng)用模糊聚類分析技術(shù)在管道風(fēng)險評價過程中的完整性、系統(tǒng)性和合理性,本模型建立風(fēng)險評價的方法及其主要步驟如下:

(1) 對油氣管道進行分類,分類依據(jù)主要參照管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和壓力管道定期檢驗規(guī)程進行;

(2) 根據(jù)系統(tǒng)中油氣管道的工況數(shù)據(jù)(管道內(nèi)壓強、 管道內(nèi)溫度等), 對其進行無量綱化處理;

(3) 整理無量綱化處理后的數(shù)據(jù),在MATLAB軟件上運用模糊聚類分析技術(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,并將無量綱化處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中進行處理,得到隸屬度排序,再將不同管道按風(fēng)險嚴(yán)重程度進行分類;

(4) 考慮到不同檢驗項目的規(guī)模不同,即樣本具有不確定性,因此需要對模糊聚類分析得到的結(jié)果進行Friedman檢驗,以提高準(zhǔn)確率和檢驗效率.

2 實例驗證

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分類

選取廣西某化工企業(yè)的油氣管道作為研究對象,進行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)其實際工況進行模糊聚類分析.根據(jù)該化工企業(yè)提供的設(shè)計圖紙和設(shè)計說明書,待檢驗油氣管道系統(tǒng)主要裝置包括分汽缸、再沸器、混合器和汽包,待檢驗管道均為蒸汽管道,各管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計參見表1.由表1可知,該企業(yè)待檢驗管道總數(shù)為47條,最高工作壓力為38.70 MPa,最低工作壓力為0.10 MPa,最高工作溫度為518.00 ℃,最低工作溫度為100.00 ℃,管道級別系數(shù)分別為0.10、0.25和1.00(管道級別系數(shù)=1/管道設(shè)計最大壓強).由于管道均為蒸汽管道,所以在本次模糊聚類分析中,不需要對腐蝕情況進行分析和評價.

表1 廣西某化工廠各油氣管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜上所述,根據(jù)管道實際運行溫度、壓強和管道級別系數(shù)進行數(shù)據(jù)分析,可以將該區(qū)域管道分為嚴(yán)重危險、極重危險以及一般危險3類.

2.2 模型建立與運行

基于MATLAB軟件,本模型應(yīng)用模糊C均值聚類的MATLAB程序求解和說明如下.

AA=A./[ones(47,1)*std(A)]; %無量綱化

[c,u,fcn]=fcm(AA,3) %模糊C均值聚類

[F,J]=sort(u); %隸屬度排序

t1=find(J(3,:)==1),

t2=find(J(3,:)==2),

t3=find(J(3,:)==3), %各危險區(qū)編號

將表1統(tǒng)計的油氣管道溫度、壓力和管道級別系數(shù)帶入模型進行運算,并根據(jù)風(fēng)險情況進行劃分,分別命名為t1、t2、t3(分別對應(yīng)嚴(yán)重危險、極重危險以及一般危險),得到的運行結(jié)果如下:

通過對研究對象的管道進行模糊聚類分析,其結(jié)論為編號為16,17,18,19,20,22,23,34,35的管道處于嚴(yán)重危險狀態(tài),是首要檢驗對象.

2.3 Friedman檢驗

本次進行的模糊聚類分析中, 由于所有管道是一個完整的系統(tǒng), 因此管道的溫度、壓力和管道級別系數(shù)之間不是彼此獨立的, 不能滿足普通方差分析的條件, 需要使用重復(fù)測量的方差分析. 但是, 考慮到管道系統(tǒng)中, 各參數(shù)的波動范圍較大, 存在極端值, 所以應(yīng)當(dāng)采用非參數(shù)檢驗的方法.

Friedman檢驗是利用秩實現(xiàn)對多個總體分布是否存在顯著差異的非參數(shù)檢驗方法.可以利用該方法對于聚類結(jié)果的有效性進行分析,即通過比較Friedman 統(tǒng)計量和對應(yīng)的概率值,判斷各類之間差距是否較大,而同一類中個體之間是否差異較小.

利用軟件對上述結(jié)果進行Friedman檢驗,對于檢驗水平a=0.01,分別采取各類別間檢驗與其中兩類合并后檢驗,結(jié)果如表2所示.

表2 Fried man檢驗結(jié)果

根據(jù)表2可知,各危險區(qū)間的檢驗接受原假設(shè),比合并后兩類檢驗接受原假設(shè)多,反映各危險區(qū)之間的差距較大,同一類中的個體間差異較小,結(jié)果符合聚類的基本原則,說明該數(shù)據(jù)可信度較高.

2.4 分析與評價

實際檢驗中,檢驗人員依據(jù)《壓力管道定期檢驗規(guī)則》,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,如管道位置、工況等,進行了在用壓力管道宏觀檢查、在用工業(yè)管道測厚和在用工業(yè)管道泄漏性試驗,并作出在用工業(yè)管道強度安全狀況等級評定報告.

將聚類分析風(fēng)險評價結(jié)果與實際檢驗結(jié)果進行比對,發(fā)現(xiàn)實際檢驗過程中,檢驗人員對油氣管道焊縫、彎頭等關(guān)鍵部位進行的抽檢結(jié)果中,處于危險狀態(tài)或者需要翻修狀態(tài)的管道,其編號與t3中編號基本一致,說明模糊聚類分析技術(shù)在油氣管道檢驗和風(fēng)險評估上得到了較好的應(yīng)用.

3 結(jié) 語

油氣管道建設(shè)將迎來大發(fā)展時期,油氣管道系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化,對實現(xiàn)高效、安全地輸送燃料有著重要的意義.模糊聚類分析作為一種廣泛應(yīng)用于故障診斷、電氣、圖像、醫(yī)療、環(huán)保等眾多領(lǐng)域的技術(shù),將其運用在油氣管道進行不同危險程度的分類和評價,具有良好的效果.本文在研究模糊聚類分析方法原理的基礎(chǔ)上,從實際檢驗角度出發(fā),將其應(yīng)用在油氣管道上,并進行了方案的設(shè)計和模擬,與實際檢驗結(jié)果進行比對后發(fā)現(xiàn)評價和分析結(jié)果理想.但是,該分析方法還需進一步深入探討,通過實驗,優(yōu)化參數(shù)設(shè)計和評測方法,為構(gòu)建完整的系統(tǒng)提供依據(jù),為油氣管道的安全使用提供指導(dǎo).