基于模糊理论的在役管道内涂层寿命评价方法

马卫锋 费 凡 刘冬梅 罗金恒 蔡 克 陈志昕 赵新伟

1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710065

2.中国石油北京天然气管道有限公司，北京 100101

3.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018

0 前言

天然气管道减阻内涂层不但可将腐蚀性介质和管壁金属机械隔离，保护金属不受腐蚀，更能够降低管壁粗糙度，减小流动的摩擦阻力，增加输量。在设计输量一定时可以降低输送压力，扩大增压站间距，降低动力消耗，节约钢材、施工和维护费用，确保产品纯度，使管内壁不会造成沉淀物的聚积（如垢或石蜡）［1～3］。但是，由于涂装生产过程中受表面处理和涂装工艺等因素影响，往往会引起质点、针孔等缺陷，造成管道内壁腐蚀。另一方面，在服役过程中，管道内涂层受天然气粉尘磨损作用、清管过程中的机械破坏和环境温度变化引起的蠕变应力影响，导致内涂层剥离、划伤和表面光滑度下降。在役天然气管道内涂层的失效，往往是生产过程中涂层缺陷和运行过程中外界因素共同作用的结果。由于管道内涂层无法直接检验、检查，所以，对在役管道内涂层运行期可靠性评估和寿命评价尤为重要。

评价在役管道内涂层寿命考虑的风险包括：涂层材料本身的性能、涂敷过程的重点工艺、涂层服役环境条件和内涂层本身的老化等，这些风险要素本身又包含许多影响因素。在役管道内涂层寿命影响分析的评价包括多种因素和多个评价指标，各个风险要素和评价指标间区分界限模糊，各因素所处地位不同，在评价中对评价结果的影响程度有所不同，孤立地考虑其中一个或几个因素对管道内涂层寿命影响分析做出评价是不全面的，不能准确反映管道内涂层的综合寿命评价结果。因此对在役管道内涂层寿命影响分析评价时，要兼顾各个影响因素，进行综合考虑。

模糊多层次综合评价方法对多因素、多层次的复杂问题评判效果较好，该方法主要是利用与评价对象有关的单因素评价结果，构成相应的评价矩阵，利用确定各因素重要性程度的权重因子作模糊变换，最终得到对评价对象的评价结果。提出了利用模糊多层次综合评价方法对在役管道内涂层寿命进行评价，评价结果更接近客观现实。

1 模糊综合评判模型

模糊综合评判模型就是应用模糊变换理论和最大隶属度原则，考虑与被评价实物相关的各个因素对其进行评价。在复杂的系统中，由于相关影响因素较多，各个因素之间往往有一定的层次关系［4］。实际应用中，可把因素集合U按某些属性分成几类，先对每一类（因素较少）作初步评判，然后再对评判结果进行“类”之间的高层次综合评判。

评价算法的系统模型结构见图1。

图1 评价算法的系统模型结构

在模型中，通过对各指标项对应的模糊评价关系Ri与权重向量W的模糊变换，得到总体模糊评价关系 Q=［q1，q2，…，qN］，给每个等级 qi一个等级分数，求出综合评分 y［5］。

2 算法步骤

2.1 确定评价指标体系

结合文献资料及实际内涂层涂装工艺，按照层次化的方法为天然气管道内涂层建立评测指标体系。结合某天然气管道减阻内涂层实际情况，确定的指标体系为4个一级指标和24个二级指标，见表1。

2.2 确定权重

采用层次分析法（AHP）确定评价指标权重，具体的标度评定标准见表2。通过管道内涂层专家依照表2对确定的一级和二级指标分别两两对比，最终得到比较关系矩阵 A=［aij］N×N，aij表示指标 ui对 uj的影响大小之比，规定aji=1/aij。然后计算关系矩阵的特征向量及特征根，对关系矩阵进行一致性检验，最终计算各指标相对于目标层的权重W。

表1 天然气管道内涂层评价指标体系

表2 萨迪标度表

2.3 确定评语集

评语集 V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝

其中：v1=95 分（优秀）；v2=85 分（良好）；v3=75 分（中等），v4=60 分（较差）；v5=40 分（很差）。

2.4 模糊变换处理

由管道内涂层专家对评价对象（某在役管道内涂层性能）进行评价，假设对指标Ui作出级别vj评价的人数占该组所有评测人数的比例为 rij，则 R=［rij］M×N构成了论域U×V上的模糊关系。使用权重向量W对R进行模糊变换，得到该层对应指标在论域V上的模糊关系Q=WoR，将Q进行归一化处理后作为进行上一级指标评价的R，继续进行模糊变换可得到总体模糊评价。模糊变换的计算公式如下［6］：

3 应用实例

结合某在役5年天然气管道减阻内涂层具体情况，介绍该方法的应用。

首先，根据评价算法的系统模型结构，设计了评价指标（表1）和评语集，根据AHP法分别求出各层指标（第一、二层指标）的权重（表1）。结合科研项目对某在役5年天然气管道减阻内涂层实验结果（根据SY/T 6530-2002《非腐蚀性气体输送用管线管内涂层》开展试验），设计了涂层评价测评表，见表3。聘请10名涂层涂覆、服役及老化等相关领域专家对该天然气管道减阻内涂层进行模糊评价。针对二级评价指标项统计每个评价级别的分布，得到四组模糊评价关系：

表3 某在役天然气管道减阻内涂层评价测评表 （获得票数）

根据上文求得各级指标对应的权重向量，利用相应的权重向量进行模糊变换Qi=WioRi，归一化得Qi，得到一级指标的模糊评价关系：

对R进行模糊变换，得到总体模糊评价：

该结果表明评价人员中无人认为某在役5年天然气管道减阻内涂层综合寿命优秀，51.1%的人认为良好，32.11%的人认为中等，10.41%的人认为较差，6.39%的人认为很差。将总体模糊评价向量进行归一化处理后利用式（1）得到综合评分，该在役5年天然气管道减阻内涂层寿命评价最终得分为76分。

4 结束语

在役管道内涂层寿命影响分析的评价包括多种因素和多个评价指标，考虑其中的一些因素而对管道内涂层寿命影响进行评价是不全面的，不能准确反映出管道内涂层的综合寿命评价结果。为了兼顾各个影响因素，对多个相关因素综合考虑。提出了利用模糊多层次综合评价方法对在役管道内涂层寿命进行评价。针对某在役5年天然气管道减阻内涂层，结合内涂层实验室结果，经过专家测评和模型模糊变换处理，该在役5年天然气管道减阻内涂层寿命评价最终得分为76分。

［1］钱成文，刘广文，王 武，等.天然气管道的内涂层减阻技术［J］.油气储运，2001，20（3）：1-6.

［2］牟 健，陈 渝，龚树鸣.陕京二线是否采用内涂层的探讨［J］.天然气与石油，2003，21（3）：26-34.

［3］郭成华，王 健.内涂层管子的经济效果［J］.天然气与石油，2002，20（3）：6-7.

［4］龙学渊，袁宗明，李龙强.模糊多层次综合评判法在长输管线失效风险程度评判中的应用［J］.新疆石油天然气，2006，2（2）：89-92.

［5］吕云玲，全雪峰，孟晓红，等.利用模糊-BP神经网络评价高校教师教学质量［J］.计算机时代，2009，（8）：36-38.

［6］李鸿吉.模糊数学基础及实用算法［M］.北京：科学出版社，2005.