楊 靜,李 明,王曉司,董經(jīng)發(fā)
(1.中國(guó)石油化工股份有限公司大連石油化工研究院,遼寧 大連 116045;2. 大連福瑞普科技有限公司,遼寧 大連 116045)
地下管道作為重要基礎(chǔ)設(shè)施,是石化企業(yè)的生產(chǎn)動(dòng)脈,其安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系企業(yè)綜合效益。由于所處周?chē)h(huán)境條件復(fù)雜,石化地下管道管壁腐蝕減薄極為普遍,泄漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,安全隱患較大。很多老企業(yè)地下管道甚至存在超負(fù)荷、超年限使用情況,由于超壓、腐蝕等造成爆管、泄漏等事故,嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)[1-4]。實(shí)施有效檢測(cè)與評(píng)估,是掌握地下管道完整性狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)管道預(yù)知性維修與防護(hù)的重要手段。石化企業(yè)地下管道通常不具備內(nèi)檢測(cè)能力,只能通過(guò)外部檢測(cè)方式查找缺陷。傳統(tǒng)外部檢測(cè)方式需要對(duì)管道進(jìn)行開(kāi)挖,存在檢測(cè)成本高、效率低等問(wèn)題,且存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。近年非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)逐步興起,可在無(wú)需開(kāi)挖或僅需少量開(kāi)挖條件下采集必要數(shù)據(jù),為管道安全狀態(tài)評(píng)估提供參考依據(jù),受到油氣管道領(lǐng)域廣泛關(guān)注。但目前研究主要側(cè)重于對(duì)單項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施與驗(yàn)證,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)一般針對(duì)防腐系統(tǒng)或管體缺陷單方面,安全評(píng)估與維修決策也多針對(duì)單點(diǎn)缺陷[7-16],如何將多源檢測(cè)數(shù)據(jù)用于管道綜合管理決策方面的文獻(xiàn)較少。
筆者擬基于現(xiàn)有管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù),建立石化企業(yè)地下管道非開(kāi)挖檢測(cè)與開(kāi)挖驗(yàn)證相結(jié)合的綜合檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)方案,提出基于模糊數(shù)學(xué)的管道安全綜合評(píng)估方法,利用多源檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管道安全狀態(tài)評(píng)估分級(jí)和管理優(yōu)先級(jí)排序,為石化地下管道安全管理與決策提供重要手段和依據(jù)。
針對(duì)當(dāng)前石化企業(yè)地下管道實(shí)際走向、埋深信息不全、地下條件復(fù)雜等特點(diǎn),考慮管道管理經(jīng)濟(jì)性和安全性,利用非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù),建立石化企業(yè)地下管道綜合檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)方案,以全面獲取管道防腐系統(tǒng)及管體完整性狀態(tài)信息。綜合檢測(cè)方案如圖1所示。
圖1 石化地下管道綜合檢測(cè)方案
利用非開(kāi)挖無(wú)損檢測(cè)技術(shù),如多頻管中電流法(PCM)、標(biāo)準(zhǔn)管/地電位檢測(cè)法(P/S)、密間隔電位測(cè)試法(CIPS)、Pearson檢測(cè)法(PS)、直流電壓梯度測(cè)試法(DCVG)、磁應(yīng)力檢測(cè)法(MTM)等,對(duì)石化企業(yè)地下管道進(jìn)行地面檢測(cè),包括管道路由探測(cè)、陰極保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、防腐層狀態(tài)及破損點(diǎn)檢測(cè)、管體缺陷檢測(cè)等,獲取管道完整性狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)。幾種典型非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)及局限性[17-19]如表1所示。
表1 非開(kāi)挖檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)及局限性
結(jié)合非開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果,分析篩選可能存在嚴(yán)重?fù)p傷或缺陷的位置點(diǎn)作為開(kāi)挖驗(yàn)證點(diǎn)。開(kāi)挖后剝除防腐層,利用目視檢查、超聲檢測(cè)、激光掃描等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)開(kāi)挖點(diǎn)進(jìn)行缺陷精準(zhǔn)測(cè)量,獲取缺陷類(lèi)型、尺寸及位置信息。不同類(lèi)型缺陷對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖驗(yàn)證方法及要求[20]見(jiàn)表2。
表2 開(kāi)挖驗(yàn)證方法及要求
根據(jù)開(kāi)挖點(diǎn)直接檢測(cè)數(shù)據(jù)判定缺陷可接受性,如可通過(guò)腐蝕缺陷剩余壁厚與剩余強(qiáng)度、凹陷最大變形量與應(yīng)變量、是否存在應(yīng)力集中等確定缺陷是否需要維修。
進(jìn)一步根據(jù)開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果分析非開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果可靠性,必要時(shí)對(duì)非開(kāi)挖檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,同時(shí)確定是否需要增加開(kāi)挖驗(yàn)證點(diǎn)。
將管道綜合檢測(cè)獲取的多源檢測(cè)數(shù)據(jù),作為管道安全狀態(tài)評(píng)估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),結(jié)合管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)等,開(kāi)展管道安全評(píng)估與管理決策。
如何將檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠輔助管理決策的有效信息,往往是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。地下管道安全狀態(tài)受多方面因素影響,除檢測(cè)數(shù)據(jù)外,還應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行維護(hù)、周邊環(huán)境等多方面因素,而這些因素通常涵蓋一些難以量化的定性指標(biāo),需要綜合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。模糊綜合評(píng)價(jià)法利用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換原理,能夠較好地處理定性指標(biāo),實(shí)現(xiàn)定性與定量方法的結(jié)合。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法基本思想和步驟,建立基于模糊數(shù)學(xué)的石化企業(yè)地下管道安全評(píng)估流程,如圖2所示。
圖2 石化地下管道安全評(píng)估流程
首先結(jié)合多源檢測(cè)數(shù)據(jù)、管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù),建立石化企業(yè)地下管道安全狀態(tài)綜合評(píng)估指標(biāo)集,如管道服役時(shí)間、單位管長(zhǎng)缺陷數(shù)量、最嚴(yán)重缺陷情況、防腐層完好情況、陰極保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行壓力、運(yùn)行溫度、輸送介質(zhì)腐蝕性等。并通過(guò)專(zhuān)家評(píng)估法或其他有效方法建立評(píng)價(jià)因素集對(duì)應(yīng)的模糊權(quán)向量W=(w1,w2,……,wn)。
建立管道安全狀態(tài)評(píng)估等級(jí)論域V,V={v1,v2,……,vt},vi(i=1~t)表示第i級(jí)評(píng)語(yǔ),t為劃分的管道安全狀態(tài)等級(jí)數(shù)。評(píng)價(jià)等級(jí)分得越細(xì),評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確,但等級(jí)太多會(huì)使調(diào)查對(duì)象無(wú)法入手,結(jié)果不一定理想。本文將管道安全狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí),即t=5,V={好,較好,一般,較差,差}。
按照管徑、壁厚、檢測(cè)區(qū)間等將管道劃分為若干個(gè)評(píng)估區(qū)段,按評(píng)價(jià)區(qū)段搜集整理相關(guān)數(shù)據(jù),并針對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化。定性指標(biāo)屬于模糊因素,無(wú)法直接量化;而定量指標(biāo)由于其量綱、意義、表現(xiàn)形式以及對(duì)總體評(píng)價(jià)目標(biāo)的作用趨向各不相同,不具有可比性。因此,以隸屬度函數(shù)作為橋梁,確定各個(gè)指標(biāo)因素對(duì)等級(jí)模糊子集的隸屬度,即可獲得模糊關(guān)系評(píng)判矩陣,形式如下所示:
式中,rij代表評(píng)價(jià)因素ui對(duì)vj等級(jí)模糊子集的隸屬度。
對(duì)于定性指標(biāo),隸屬度通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)得到。具體方法是根據(jù)專(zhuān)家組對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各指標(biāo)隸屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的權(quán)重,即得到各指標(biāo)的隸屬度向量,構(gòu)成多因素綜合評(píng)判的模糊關(guān)系矩陣。對(duì)于定量指標(biāo),考慮指標(biāo)屬性,針對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)建立隸屬函數(shù),根據(jù)隸屬函數(shù)求得指標(biāo)對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。
綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C為向量形式。
根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果C確定管道安全狀態(tài)等級(jí),如采用最大隸屬度原則確定管道安全狀態(tài)等級(jí)時(shí),若cr=maxci(i=1~5),則對(duì)應(yīng)管道安全等級(jí)為r級(jí)。也可采用加權(quán)平均求隸屬等級(jí)的方法確定安全狀態(tài)等級(jí)。根據(jù)管段安全狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行管段優(yōu)先級(jí)排序,從而為管道維修維護(hù)與運(yùn)行管理提供決策依據(jù)。
針對(duì)某石化企業(yè)5段工藝管道埋地段,以管線探測(cè)、防腐層檢測(cè)與管體缺陷查找為主要目的,開(kāi)展管道綜合檢測(cè),評(píng)估管道安全狀態(tài)。管道關(guān)鍵信息見(jiàn)表3。
表3 檢測(cè)管道基本信息
1)管道綜合檢測(cè)
根據(jù)企業(yè)提供的管線基礎(chǔ)資料,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查了解管道敷設(shè)環(huán)境,利用RD400 PCM檢測(cè)儀探明管線位置及走向,分析判斷管道外防腐層整體質(zhì)量狀況,結(jié)合CIPS測(cè)試管地電位判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)狀況。針對(duì)外防腐層質(zhì)量檢測(cè)存在異常及陰極保護(hù)系統(tǒng)效果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的管段,結(jié)合使用RD400 PCM和地下管道防腐層檢漏儀確定管道外防腐層破損點(diǎn)位置及破損狀況。選取檢測(cè)問(wèn)題較大的部分管段采用金屬磁記憶檢測(cè)儀進(jìn)行管體缺陷檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行管體異常評(píng)估與分級(jí)。綜合防腐層狀況及管體異常情況,每段管道選取1~2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖,采用低頻導(dǎo)波和超聲波檢測(cè)等技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)。管道防腐層狀況及管體缺陷探測(cè)結(jié)果、開(kāi)挖驗(yàn)證情況見(jiàn)表4。
表4 管道檢測(cè)與驗(yàn)證結(jié)果
2)安全綜合評(píng)估
確定管道安全狀態(tài)模糊評(píng)估因素集,包括服役時(shí)間、運(yùn)行壓力/設(shè)計(jì)壓力、輸送介質(zhì)腐蝕性、防腐層整體狀況、防腐層破損點(diǎn)情況、管體異常點(diǎn)情況、最嚴(yán)重缺陷狀況、運(yùn)行溫度、土壤腐蝕性等9個(gè)指標(biāo)。
將管道安全狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí),即V={好,較好,一般,較差,差},并將對(duì)應(yīng)分值設(shè)置為{10,7,4,1,0}。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)估,確定上述評(píng)估因素集對(duì)應(yīng)的模糊權(quán)向量為W={0.1,0.12,0.12,0.1,0.1,0.1,0.12,0.1,0.14},并獲取對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R。通過(guò)模糊綜合計(jì)算,得到5段管道對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)估結(jié)果分別為:
采用加權(quán)平均法確定管道安全狀態(tài)模糊數(shù),5段管道分別為6.237,4.918,4.493,5.209,4.728。由此確定5段管道安全狀態(tài)等級(jí)均為一般以上,管理優(yōu)先級(jí)順序?yàn)?#、5#、2#、4#和1#。建議該企業(yè)加強(qiáng)3#管道和5#管道的安全管控。
基于管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)建立的非開(kāi)挖檢測(cè)與開(kāi)挖驗(yàn)證相結(jié)合的地下管道綜合檢測(cè)技術(shù)方案,為石化企業(yè)獲知地下管道防腐系統(tǒng)及管體完整性狀態(tài)提供了有效手段和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
基于模糊數(shù)學(xué)理論建立的管道安全狀態(tài)綜合評(píng)估方法,充分考慮專(zhuān)家管理經(jīng)驗(yàn),有效處理模糊類(lèi)信息,實(shí)現(xiàn)管道安全狀態(tài)分級(jí)和管理優(yōu)先級(jí)排序,有利于企業(yè)將有限的資源用于重點(diǎn)區(qū)域的管理,提高綜合管理效率。
隨著管道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)步,石化企業(yè)地下管道檢測(cè)方式將更加多元化。如何經(jīng)濟(jì)高效地利用檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下管道精準(zhǔn)數(shù)字化,并實(shí)現(xiàn)各類(lèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,從而為石化企業(yè)地下管道全面規(guī)范化、智能化管理提供技術(shù)支撐,是未來(lái)需要研究的一個(gè)重要方向。