长输管道失效模式诊断技术综述

国锋+张小垒

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 乌鲁木齐 830013）

摘 要：通过对长输管道失效模式的研究方法阐述，介绍了长输管道失效模式诊断评价方法。分析各方法的优劣势，并总结研究成果，为管道长输管道工作者使用及检验研究提供参考。

关键词：长输管道；失效模式；诊断技术；

前言

长输管道输送石油天然气是最安全、最经济的运输方式。但由于油气的易燃、易爆、及毒性等特点，一旦发生事故，容易引起火灾及爆炸、中毒、污染环境等恶性后果，同时带来恶劣的社会及政治影响。而管道的失效模式研究，国内外取得了一定的成绩，己经实现了由安全管理模式向风险管理模式的演变，由定性风险分析向定量风险分析的转化。

1长输管道失效模式

我国已建成油气长输管道多达4.3万公里，预计2020年将达到8万公里。虽然我国长输管道施工水平和施工工艺有了长足的进步和发展，但仍存在管网老化，材质劣化，施工技术相对落后等诸多问题。长输管道主要是开裂和穿孔等失效形式。管道失效模式诊断是管道失效事故应急处理和管道失效事件预防的基础，在管道完整性管理中具有重要作用。

2 常见失效模式诊断方法

（1）故障树分析方法（FTA）

故障树由若干节点和连接这些节点的有向线段组成，每个节点表示某一具体事件，连线则表示事件之间的某种特定关系。FTA是一种逻辑演绎分析工具，用于分析所有事故的现象、原因和结果事件及它们的组合，从而找到避免事故的措施。这种分析方法是分析系统事故和原因之间关系的因果逻辑模型，从某一特定的事故开始，运用逻辑推理方法找出各种可能引起事故的原因，也就是识别出各种潜在的影响因素，求出事故发生的概率，并提出各种控制管道事故的方案。FTA方法具有简明、灵活、直观等优点，己被应用到管道的事故分析中来。用该方法对长输管道进行危害识别，能够找出可能导致事故发生的初始因素，通过对各因素间的逻辑关系的描述，发现和查明系统内各种固有的或潜在的危险因素，找出系统的薄弱环节，从而为事故原因的分析和制定预防措施提供依据。

（2）管道失效专家系统评价方法

专家系统是一个用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机系统，它拥有某个特殊领域内人类专家的知识和经验，能够在该领域中作出决策。典型的专家系统包括知识库、推理机、数据库和用户界面四个部分。知识工程师，即专家系统的开发者，通过与领域专家交流和阅读文献资料，获得领域知识和经验，并把它们以一定的形式表示出来，形成知识的外部表示方式，然后将知识的外部表示转换成计算机能识别的内部表示形式，存放于知识库中。它按照一定的推理策略，根据用户输入的数据，运用知识库中的知识进行推理，得出结论，并能解释其推理过程。

（3）管道失效模糊评价方法

综合评判就是对受各种因素影响的事物或对象，做出一个总的评价。由于很多事物的评价往往具有模糊性，比如管道系统的安全与失效问题就是如此，因此应用模糊数学的方法进行综合评判将会取得更好的实际效果。模糊综合评判的数学模型可分为一级模型和多级模型两类。一级综合评判的数学模型只适合较简单的系统，当评判因素较多时，因为每一个因素取得的权重分配值将很小，综合评判将得不到满意的结果，此时应该采用多级评判模型。

由于影响管道失效的影响因素众多，为此在采用多级模糊评判时将管道失效的影响因素进行分类，按照模糊评判的要求有，对因素全集U作划分，即U={U1，U2，…，UN}，其中：Ui={ui1，ui2，…，uiki}，i=1，2，…，N（N为总的一级因素个数），即Ui中含有ki个因素，并且满足以下条件如图：

对长输管道来说，可能造成管道失效的原因非常多，这里影响管道失效的所有因素中可分成4个大类，即U分为相应的四个子集：即N=4，其中：U1为第三方破坏因素，U2为腐蚀因素，U3为设计因素，U4为误操作因素。

（4）腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的评定方法

自20世纪60年代起，世界各国相继开展了针对管道的剩余寿命和剩余强度的研究，出台了一系列规范和评价方法。这些方法和规范都是以弹塑性力学、断裂力学、材料科学和可靠性工程为理论基礎，不同程度地考虑了管道的安全可靠性和经济性，并且是以数学表达式的形式来表示操作参数，如失效时的爆破压力、设计压力、许用缺陷长度等。其中有代表性的评定标准是AGA NG-18标准，并明确了相应标准的计算方法。但由于计算比较复杂，在实际应用中对操作人员要求较高。因此，将腐蚀缺陷管道的的分析结果整理成各种曲线，称为案例性评价线图。这种线图描述了不同腐蚀缺陷类型、不同腐蚀程度、不同腐蚀影响范围在不同内压下的缺陷处的最大工作应力，并考虑了管体材料的机械性能参数，从而可方便判别腐蚀缺陷管段的安全性。由于管道腐蚀的复杂性，掌握腐蚀影响因素的规律很困难。另外，在管道腐蚀的众多影响因素之间，还存在着相互影响，这就使问题更加复杂。对于这样的复杂系统，采用概率性的方法在一定程度上有一定的准确性。

（5）指数法（Index Method）

指数法较为完整地提出了管道失效指数评分法。评价时对影响管道失效的各因素作了独立性假定，并考虑到最坏状况，其得分值具有主观性和相对性，认为管道事故的原因有第三方破坏、腐蚀、设计和操作四大类，分别对这些因素进行分析评分，每方面的评分均为0-100分。结合管输介质的危险性和环境因素，评价泄漏影响系数，从而得出相对失效指数，其计算式为：失效总评分=第三方评分+腐蚀评分+设计评分+误操作评分；相对失效指数=失效总评分/泄漏影响系数；泄漏冲击指数=介质危险程度/影响系数；影响系数=泄漏评分/人口状况评分。

（6）结构可靠性和风险评估（SRRA）

SRRA是一种评估构件失效概率的方法，它是基于PSM中的失效数据、分析模型、专家意见、构件初始状态假设、结构老化、载荷条件、构件寿命和控制顺序，也可用于决策分析以确定是否需要修理、维修或继续观察。

3 新型方法应用

通过以上多种方法分析，影响管道失效的因素众多，且一些因素具有随机性、模糊性、不完整性及高度的非线性等特点。采用传统诊断方法对管道失效模式分析常常存在不适应性及难以建立解决等问题，这对管道失效模式的诊断带来一定的难度。

人工智能与诊断理论的结合形成了智能诊断，其特点为串行运行的处理方式，需要专门的构造知识库和数据库，为了能充分模拟人的思维，必须建立庞大的知识库，以集中专家的经验，这使得建造专家系统的工作非常复杂。

模式识别方法最大的实用性在于“智能”仿真。诊断过程实际上就是一个模式识别的过程。通常故障模式的分布是非常不规则的，故要求所用模式分类方法能在模式空间里形成各种非线性分割平面，神经网络的特性使其可以作为一类性能良好的非线性分类器。因此，将人工神经网络方法和技术应用管道失效模式诊断问题的研究具有很好的适应性。

4结论

管道失效模式是管道失效事件的形式化表现形式。文章综合了现代失效理论，总结了长输管道失效模式诊断方法，最后提出基于模式识别的损伤模式方法的实用性研究，将智能信息处理方法和技术应用于管道失效模式诊断问题的研究在机制上具有很好的适应性，具有着广泛的应用前景。

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