李 勝, 張 哲, 黃福川

(1. 南寧學(xué)院 機(jī)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(guò)程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)

石化能源是世界各國(guó)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(jī),油氣管道工業(yè)也同時(shí)得到了迅速發(fā)展.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)有在用管道總長(zhǎng)超過(guò)63.56×104km,其中工業(yè)管道長(zhǎng)度超過(guò)42.76×104km,公用管道長(zhǎng)度超過(guò)17.33×104km,長(zhǎng)輸送管道長(zhǎng)度超過(guò)3.04×104km,其他管道長(zhǎng)度超過(guò)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(diǎn),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(shí)施裝置停機(jī)定檢為主,日常維護(hù)為輔,檢驗(yàn)時(shí)間間隔較長(zhǎng),檢驗(yàn)范圍過(guò)泛、檢驗(yàn)效率低[3],很難迅速識(shí)別和判定油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)程度和運(yùn)行情況.

為解決壓力管道事故頻出、危險(xiǎn)性增加的困擾,美國(guó)等國(guó)家先后進(jìn)行了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的壓力管道檢驗(yàn)技術(shù)研究(Risk Based Inspection,RBI))[4].例如,20世紀(jì)70年代初,美國(guó)的國(guó)際管道研究委員會(huì)首先針對(duì)壓力管道事故,分析總結(jié)了22種失效因素[5];美國(guó)學(xué)者M(jìn)uhlbauer編著了《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[6];2002年美國(guó)石油學(xué)會(huì)正式出版了基于風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)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(xiǎn)評(píng)價(jià)指導(dǎo)委員會(huì)(PRASC),旨在促進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)在工業(yè)管道上的應(yīng)用.歐盟為了保障輸送危險(xiǎn)物質(zhì)的管道的安全性,針對(duì)現(xiàn)有法案缺乏管道安全管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀對(duì)其進(jìn)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(wú)損檢測(cè)技術(shù),使得基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的在線檢驗(yàn)技術(shù)得到了發(fā)展[8].我國(guó)學(xué)者也對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)開(kāi)展了研究,例如,李建華等基于模糊理論,對(duì)長(zhǎng)輸管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析[9],俞樹(shù)榮等基于解析分層過(guò)程對(duì)油氣管道系統(tǒng)進(jìn)行了分析[10].上述方法需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行分析,再進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建設(shè).如何提高油氣管道管理效率,實(shí)現(xiàn)油氣管道的低風(fēng)險(xiǎn)零風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行,保障國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)安全,是當(dāng)前的研究重點(diǎn).

1 模糊聚類(lèi)分析技術(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制理念,主要風(fēng)險(xiǎn)控制措施包括避免風(fēng)險(xiǎn)措施及減少風(fēng)險(xiǎn)措施[11-12].當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)主要包括了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)估算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)決策及風(fēng)險(xiǎn)控制等[13-16].其中,風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是最重要的環(huán)節(jié),進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)首先必須依靠工程經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家評(píng)估等手段連續(xù)而準(zhǔn)確地對(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別[17-18].傳統(tǒng)的壓力管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(lèi)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(shí)現(xiàn)油氣管道的安全管理和評(píng)價(jià).

1.1 方法簡(jiǎn)介

聚類(lèi)分析是統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的一個(gè)重要工具,它的基本原理就是在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下,基于“物以類(lèi)聚”的觀點(diǎn),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(yuǎn)近劃分類(lèi)別.

然而,傳統(tǒng)的聚類(lèi)分析是一種硬劃分,把每個(gè)待識(shí)別的對(duì)象嚴(yán)格劃分到某類(lèi)中,具有非此即彼的特征,所以這種分類(lèi)界限非常明確.但是在實(shí)際工作中,很多問(wèn)題并沒(méi)有很?chē)?yán)格的分類(lèi),而是存在于兩類(lèi)甚至多類(lèi)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)等.為此,需要對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行軟劃分,即模糊聚類(lèi).由于模糊聚類(lèi)獲得的樣本屬于各類(lèi)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(shí).綜上,模糊聚類(lèi)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(lèi)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(yùn)行工況和管道級(jí)別確定油氣管道的檢驗(yàn)周期, 為定期檢驗(yàn)提供參考, 優(yōu)化檢驗(yàn)方法, 而且可以通過(guò)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)高低進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估, 讓企業(yè)管理人員、操作者和檢驗(yàn)員的精力主要集中于高風(fēng)險(xiǎn)的管道上, 可以為合理分配檢驗(yàn)和維修力量提供基礎(chǔ), 再輔以有效的檢驗(yàn)技術(shù)加以檢測(cè), 可以在提高油氣管道設(shè)備的安全性和可靠性的同時(shí)降低成本[23].

1.2 數(shù)據(jù)模型

設(shè)被劃分為第i類(lèi)的N個(gè)個(gè)體的秩的平均值為R,即

若各類(lèi)別之間有顯著差異,則隸屬于某些類(lèi)別的N個(gè)個(gè)體的秩將普遍偏大,而屬于其他類(lèi)別的N個(gè)個(gè)體的秩則相對(duì)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?chē)?而統(tǒng)計(jì)量

所以,Q漸進(jìn)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(shì),因而拒絕域?yàn)?/p>

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(jì)量可簡(jiǎn)化為

1.3 風(fēng)險(xiǎn)因素的確定

參考檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)再用工業(yè)管道全面檢驗(yàn)報(bào)告書(shū),其檢驗(yàn)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(cuò)邊等),管道及管子減薄,組成件其他異常和壓力試驗(yàn)或泄漏性試驗(yàn).而檢驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容則包括了宏觀檢驗(yàn)報(bào)告、測(cè)厚報(bào)告、滲透檢測(cè)報(bào)告、磁粉檢測(cè)報(bào)告、射線檢測(cè)報(bào)告、超聲波檢測(cè)報(bào)告等.檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)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(yùn)行的因素很多.例如,實(shí)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(dòng)等)有關(guān),涉及的條件較多.倘若考慮全部因素,往往會(huì)導(dǎo)致模型復(fù)雜,且中小型企業(yè)難以進(jìn)行各種工況參數(shù)的記錄和數(shù)據(jù)采集,檢驗(yàn)人員也難以根據(jù)眾多因素確定抽檢對(duì)象.

從實(shí)際檢驗(yàn)角度出發(fā),由于廠區(qū)地理位置和企業(yè)類(lèi)別的差別,環(huán)境因素通常會(huì)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(jì)圖紙獲取,是實(shí)際檢驗(yàn)中能獲取的主要工況參數(shù).因此,在模糊聚類(lèi)分析模型中,筆者忽略外部環(huán)境因素,只選擇實(shí)際工況(管道內(nèi)壓強(qiáng)、管道內(nèi)溫度)、輸送介質(zhì)類(lèi)別和管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為風(fēng)險(xiǎn)因素,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià).

1.4 方法與步驟

為了保證應(yīng)用模糊聚類(lèi)分析技術(shù)在管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中的完整性、系統(tǒng)性和合理性,本模型建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法及其主要步驟如下:

(1) 對(duì)油氣管道進(jìn)行分類(lèi),分類(lèi)依據(jù)主要參照管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)程進(jìn)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(qiáng)、 管道內(nèi)溫度等), 對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理;

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

(4) 考慮到不同檢驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)模不同,即樣本具有不確定性,因此需要對(duì)模糊聚類(lèi)分析得到的結(jié)果進(jìn)行Friedman檢驗(yàn),以提高準(zhǔn)確率和檢驗(yàn)效率.

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分類(lèi)

選取廣西某化工企業(yè)的油氣管道作為研究對(duì)象,進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)其實(shí)際工況進(jìn)行模糊聚類(lèi)分析.根據(jù)該化工企業(yè)提供的設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),待檢驗(yàn)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(yàn)管道均為蒸汽管道,各管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參見(jiàn)表1.由表1可知,該企業(yè)待檢驗(yàn)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(jí)別系數(shù)分別為0.10、0.25和1.00(管道級(jí)別系數(shù)=1/管道設(shè)計(jì)最大壓強(qiáng)).由于管道均為蒸汽管道,所以在本次模糊聚類(lèi)分析中,不需要對(duì)腐蝕情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià).

表1 廣西某化工廠各油氣管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

綜上所述,根據(jù)管道實(shí)際運(yùn)行溫度、壓強(qiáng)和管道級(jí)別系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以將該區(qū)域管道分為嚴(yán)重危險(xiǎn)、極重危險(xiǎn)以及一般危險(xiǎn)3類(lèi).

2.2 模型建立與運(yùn)行

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

AA=A./[ones(47,1)*std(A)]; %無(wú)量綱化

[c,u,fcn]=fcm(AA,3) %模糊C均值聚類(lèi)

[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(xiǎn)區(qū)編號(hào)

將表1統(tǒng)計(jì)的油氣管道溫度、壓力和管道級(jí)別系數(shù)帶入模型進(jìn)行運(yùn)算,并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行劃分,分別命名為t1、t2、t3(分別對(duì)應(yīng)嚴(yán)重危險(xiǎn)、極重危險(xiǎn)以及一般危險(xiǎn)),得到的運(yùn)行結(jié)果如下:

通過(guò)對(duì)研究對(duì)象的管道進(jìn)行模糊聚類(lèi)分析,其結(jié)論為編號(hào)為16,17,18,19,20,22,23,34,35的管道處于嚴(yán)重危險(xiǎn)狀態(tài),是首要檢驗(yàn)對(duì)象.

2.3 Friedman檢驗(yàn)

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

Friedman檢驗(yàn)是利用秩實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)總體分布是否存在顯著差異的非參數(shù)檢驗(yàn)方法.可以利用該方法對(duì)于聚類(lèi)結(jié)果的有效性進(jìn)行分析,即通過(guò)比較Friedman 統(tǒng)計(jì)量和對(duì)應(yīng)的概率值,判斷各類(lèi)之間差距是否較大,而同一類(lèi)中個(gè)體之間是否差異較小.

利用軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行Friedman檢驗(yàn),對(duì)于檢驗(yàn)水平a=0.01,分別采取各類(lèi)別間檢驗(yàn)與其中兩類(lèi)合并后檢驗(yàn),結(jié)果如表2所示.

表2 Fried man檢驗(yàn)結(jié)果

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

2.4 分析與評(píng)價(jià)

實(shí)際檢驗(yàn)中,檢驗(yàn)人員依據(jù)《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則》,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,如管道位置、工況等,進(jìn)行了在用壓力管道宏觀檢查、在用工業(yè)管道測(cè)厚和在用工業(yè)管道泄漏性試驗(yàn),并作出在用工業(yè)管道強(qiáng)度安全狀況等級(jí)評(píng)定報(bào)告.

將聚類(lèi)分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中,檢驗(yàn)人員對(duì)油氣管道焊縫、彎頭等關(guān)鍵部位進(jìn)行的抽檢結(jié)果中,處于危險(xiǎn)狀態(tài)或者需要翻修狀態(tài)的管道,其編號(hào)與t3中編號(hào)基本一致,說(shuō)明模糊聚類(lèi)分析技術(shù)在油氣管道檢驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估上得到了較好的應(yīng)用.

3 結(jié) 語(yǔ)

油氣管道建設(shè)將迎來(lái)大發(fā)展時(shí)期,油氣管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,對(duì)實(shí)現(xiàn)高效、安全地輸送燃料有著重要的意義.模糊聚類(lèi)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(yùn)用在油氣管道進(jìn)行不同危險(xiǎn)程度的分類(lèi)和評(píng)價(jià),具有良好的效果.本文在研究模糊聚類(lèi)分析方法原理的基礎(chǔ)上,從實(shí)際檢驗(yàn)角度出發(fā),將其應(yīng)用在油氣管道上,并進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)和模擬,與實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)和分析結(jié)果理想.但是,該分析方法還需進(jìn)一步深入探討,通過(guò)實(shí)驗(yàn),優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)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).