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)。

1 石化企業(yè)地下管道綜合檢測(cè)

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。

2 基于模糊數(shù)學(xué)的管道安全評(píng)估

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)。

3 應(yīng)用實(shí)例

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。

4 結(jié)論

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。