CN109596503A - 一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法 - Google Patents

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CN109596503A CN201811297320.2A CN201811297320A CN109596503A CN 109596503 A CN109596503 A CN 109596503A CN 201811297320 A CN201811297320 A CN 201811297320A CN 109596503 A CN109596503 A CN 109596503A
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王珂
罗金恒
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Abstract

本发明公开了一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，建立包括在役天然气管道材质的腐蚀状况、取样后理化性能分析老化程度、取样后测试抗硫耐蚀性能以及服役现场腐蚀防护措施评价指标的在役高含硫天然气管道材质评价指标体系，建立模糊多层次综合评价，在选定评价对象和评价指标体系的基础上，将评价的各项指标分配给权重，然后确定指标的等级分值，运用模糊矩阵运算，得到评判结果评价管道材质的服役适应性和安全性。本发明建立的材质适应性评价体系及方法，可满足管道管理者对高含硫天然气管道的服役状态有更清楚准确的认识，对高含硫天然气管道的可靠运行具有重大意义。

Description

一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法
技术领域
本发明属于油气管道技术领域，具体涉及一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法。
背景技术
油气管道在H2S，CO2环境下的应力腐蚀开裂是一种极为隐蔽的局部腐蚀形式，事先往往没有明显预兆，因此常常造成灾难性事故。高含硫气藏是我国天然气藏中的一个重要组成部分，例如重庆的垫江、忠县、万州、开县、开江作业区，卧龙河气田，嘉陵江气藏等。其中一些管道始建于七八十年代，由于受建设时期的技术水平限制，最初建设的管道材质主要有20#、ST45、L245NB、带附加技术条件的L245NB、L245NCS等，主要针对中、低含硫工况。虽然服役状况较好，但是也出现了一些腐蚀穿孔事故。随着矿藏的开发，天然气成分出现变化，达到高含硫水平，而高含硫气藏分布零散，要完全实现高低含硫分输成本太高，于是出现了高含硫气进入低含硫管道的情况。这就对管道材质提出了考验，如果管道因为材质问题不能满足高含硫工况下的强度等性能要求，将可能导致管道失效，造成重大安全事故，经济和社会影响恶劣。
评价在役高含硫天然气管道材质服役状况主要考虑的风险要素包括：管道材质老化程度、腐蚀状况、抗硫耐蚀性能和腐蚀防护措施等，而这些主要风险要素本身又包含许多影响因素。多因素、多层次的复杂性使得直接评判难以实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，评价结果接近于服役客观现实，使得管道管理者对高含硫天然气管道的服役性能有更清楚准确的认识，确保管道的可靠性，并清楚影响高含硫天然气管道材质服役状况的主要影响因素，为调整天然气管道运行参数提供依据，及时采取有效措施，避免出现因硫化物应力腐蚀开裂引起的安全事故，从而达到安全生产。
本发明采用以下技术方案：
一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，建立包括在役天然气管道材质的腐蚀状况、取样后理化性能分析老化程度、取样后测试抗硫耐蚀性能以及服役现场腐蚀防护措施评价指标的在役高含硫天然气管道材质评价指标体系，建立模糊多层次综合评价，在选定评价对象和评价指标体系的基础上，将评价的各项指标分配给权重，然后确定指标的等级分值，运用模糊矩阵运算，得到评判结果评价管道材质的服役适应性和安全性。
具体的，包括以下步骤：
S1、通过实际在役高含硫天然气管道材质使用情况和服役管道状态，按照层次化方法为在役高含硫天然气管道材质建立评测指标体系；
S2、采用层次分析法确定各级评价指标的权重；
S3、确定评语集；
S4、针对在役高含硫天然气管道材质服役情况及材料性能建立评价对象测评表；
S5、选取待评价管道中具有代表性的管段，对评价对象进行数据调研和性能测试；
S6、根据测评表进行打分；
S7、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。
可选的，步骤S1中，评价指标体系包括4个一级指标和19个二级指标，一级指标包括腐蚀状况、理化性能老化程度、抗硫耐蚀性能和腐蚀防护措施；二级指标包括含H2S、CO2严重程度、输送介质含腐蚀性离子严重程度、外腐蚀严重程度、内腐蚀严重程度、化学成分、拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、硬度测试、金相分析、全尺寸水压爆破性能、抗氢致开裂HIC性能、抗硫化物应力开裂SSC性能、高温高压腐蚀模拟实验结果、缓蚀剂加注有效性、定期清管有效性、腐蚀监测结果严重程度、阴极保护全面性及有效性以及腐蚀状况检测及评价、修复情况。
进一步的，将评价指标体系中的一级指标和二级指标分别两两对比，得到比较关系矩阵A，然后计算关系矩阵的特征向量及特征根，并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；
比较关系矩阵A计算如下：
A＝[aij]N×N
其中，aij表示指标ui对uj的影响大小之比，N为矩阵行数和列数，定义aji＝1/aij。
更进一步的，含H2S、CO2严重程度的权重为0.53；输送介质含腐蚀性离子严重程度的权重为0.21；外腐蚀严重程度的权重为0.05；内腐蚀严重程度的权重为0.21；化学成分的权重为0.025；拉伸性能的权重为0.042；弯曲性能的权重为0.114；冲击性能的权重为0.180；硬度测试的权重为0.303；金相分析的权重为0.095；全尺寸水压爆破性能的权重为0.241；抗氢致开裂HIC性能的权重为0.41；抗硫化物应力开裂SSC性能的权重为0.48；高温高压腐蚀模拟实验结果的权重为0.11；缓蚀剂加注有效性的权重为0.16；定期清管有效性的权重为0.24；腐蚀监测结果严重程度的权重为0.05；阴极保护全面性及有效性的权重为0.11；腐蚀状况检测及评价、修复情况的权重为0.44。
可选的，步骤S3中，定义评语集V如下：
V＝{v1，v2，v3，v4，v5}
其中，v1为优秀＝95分；v2为良好＝85分；v3为中等＝75分，v4为较差＝60分；v5为很差＝40分。
可选的，步骤S7中，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进行归一化处理作为进行上一级指标评价的R，进行模糊变换得到总体模糊评价。
进一步的，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，计算得出综合分y，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构成论域U×V上的模糊关系。
更进一步的，综合分y计算如下：
y＝QVT
其中，T为转置矩阵。
进一步的，模糊变换的计算公式如下：
其中，qj为各评价指标的模糊关系，M为各级指标个数，Wj为权重向量矩阵，rij为评价指标矩阵，j＝1,2,...,N。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用模糊多层次综合评价方法对在役高含硫天然气管道材质进行适应性评价，方法对多因素、多层次的复杂问题评判效果比较好，数学模型简单，容易掌握和现场实施，是别的数学分支和模型难以替代的方法，评价结果接近管道服役客观实际，使得管道管理者对在役高含硫天然气管道性能状态有更清楚准确的认识，确保管道服役的可靠性，可为调整天然气管道运行参数提供依据，并及时采取有效措施，避免因硫化物应力腐蚀开裂引起的安全事故，从而保障安全生产。
进一步的，本发明采用模糊多层次综合评价方法的，便于管道业主理解和实际操作，并能有效的求出评价结果。
进一步的，建立评价指标体系为本发明最关键一步，基于多年管道行业经验和现场实际情况，在役高含硫天然气管道材质评价指标综合考虑了目前腐蚀状况、材质性能老化程度、抗硫耐蚀性能和腐蚀防护措施四个大方面，即考虑了管道材质本身状况和性能，又综合考虑了现场腐蚀程度和采取的减缓腐蚀的措施。
进一步的，在评价指标体系建立的基础上，各级指标权重确定将直接影响评价结果和指导生产实际的可靠性，因此采用科学先进的层次分析法(AHP)确定评价指标权重，确保各级指标权重的科学性。
进一步的，结合多年管道材质评价经验和咨询多为行业专家，本发明针对建立的4个一级指标和19个二级指标分别明确给出了权重，该权重便于管道业主进行操作，并更加科学实用。
进一步的，本发明评语集包括优秀、良好、中等、较差和很差共5个等级，分数分别为95分、85分、75分、60分和40分，评分结果便于理解和操作。
进一步的，由于在役高含硫天然气管道材质服役状况主要影响因素多，且主要因素本身又包含许多影响因素。多因素、多层次的复杂性使得直接评判难以实施。因此，本发明采用模糊多层次综合评价方法，充分挖掘模糊变换理论和最大隶属度原则优势，综合评价与评价对象相关的各个因素，数学模型简单，是别的数学分支和模型难以替代的方法。
综上所述，本发明建立的材质适应性评价体系及方法，可满足管道管理者对高含硫天然气管道的服役状态有更清楚准确的认识，对高含硫天然气管道的可靠运行具有重大意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为模糊综合评价方法的基本过程图；
图2为模糊评价算法的系统模型结构图；
图3为模糊评价结果对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，结合在役天然气管道材质的腐蚀状况、取样后理化性能分析老化程度、取样后测试抗硫耐蚀性能以及服役现场腐蚀防护措施等评价指标，通过模糊多层次综合评价方法，评价管道材质服役适应性和安全性，其评价结果更接近客观现实，可以使管道管理者对在役高含硫天然气管道的服役状态有清楚准确的认识，指导实际生产问题。
请参阅图1，本发明一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，先建立模糊多层次综合评价流程，在选定评价对象和建立评价指标体系的基础上，将评价的各项指标分配给适当的权重，然后确定指标的等级分值，运用模糊矩阵运算，得到精确的评判结果。评价具体步骤如下：
S1、评价指标体系确定
通过实际在役高含硫天然气管道材质使用情况调研和服役管道状态分析，按照层次化的方法为在役高含硫天然气管道材质建立了评测指标体系。指标体系为4个一级指标和19个二级指标，如表1所示。
表1在役高含硫天然气管道材质评价指标体系
S2、各级评价指标权重确定
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。本发明邀请10名高含硫天然气管道专家依照表2对确定的一级和二级指标分别两两对比；
表2萨迪标度表
标度 定义
1 具有同等重要性
3 一个因素比另一个因素稍微重要
5 一个因素比另一个因素明显重要
7 一个因素比另一个因素强烈重要
9 一个因素比另一个因素极端重要
2、4、6、8 上述两个相邻判断的中间值
倒数 u<sub>i</sub>与u<sub>j</sub>互为倒数，即a<sub>ji</sub>＝1/a<sub>ij</sub>
最终得到比较关系矩阵A＝[aij]N×N，其中，aij表示指标ui对uj的影响大小之比，且规定aji＝1/aij；然后计算关系矩阵的特征向量及特征根，并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，见表1评价指标后相对应数据。
S3、评语集确定
评语集V＝{v1，v2，v3，v4，v5}
其中，v1：优秀＝95分；v2：良好＝85分；v3：中等＝75分，v4：较差＝60分；v5：很差＝40分。
S4、评价对象测评表建立
针对具体评价对象(在役高含硫天然气管道材质服役情况及材料性能)，本发明建立了在役高含硫管道服役状况评价专家测评表，如表3所示。
表3在役高含硫天然气管道材质评价测评表(以获得票数人数表示)
S5、评价对象数据调研和性能测试
选取待评价管道中具有代表性的管段，根据表1中的评价指标，搜集和调研取样管段的相关数据资料，同时，根据相关标准对评价对象进行性能测试。
S6、根据测评表进行打分
组织相关专家，在专家了解和熟悉性能测试结果和调研数据(包括管道材料老化程度、腐蚀状况、抗硫耐蚀性能和腐蚀防护措施)的基础上，依据表3对评价对象进行测评打分。并对打分结果进行汇总分析。
S7、模糊变换处理
本模糊评价模型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。
在较复杂的系统中，由于相关影响因素较多，并且各个因素之间往往有一定的层次关系。因此，实际用于中，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”之间的高层次的综合评判。
请参阅图2，在该模型中，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，计算得出综合分y如下：
y＝QVT (1)
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进行归一化处理之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：
其中，qj为各评价指标的模糊关系，M为各级指标个数，Wj为权重向量矩阵，rij为评价指标矩阵，j＝1,2,...,N。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例评价对象为某气矿所属的7条在役高含硫集输管道，并根据管线高程选取了管线高程较低、腐蚀工况较恶劣的代表性的管段进行现场换管取样，先后完成了现场资料调研、换管取样、取样管段无损检测(腐蚀状况掌握)、理化性能分析、抗硫性能试验及评价和腐蚀防护措施分析等工作。
评价过程：
本实施例根据本发明所建立的在役高含硫天然气管道材质服役状况评价方法，第一步到第四步均与上述发明内容相同，在此不再重复。
第五步：评价对象数据调研和性能测试
根据表1中的评价指标，首先对服役腐蚀环境和腐蚀防护措施进行了现场检测和调研。评价对象基本参数和服役情况见表4。
表4在役高含硫天然气管道材质适应性评价依据一览表
然后参照相关标准对此样管开展了实验室性能检测，并与相关标准进行对比分析，检测结果见表5。
通过以上实验研究分析，以便对此样管性能有所了解，为利用本发明对在役高含硫天然气管道材质进行综合评价提供重要依据。
表5在役含硫天然气管道材质适应性评价依据一览表
第六步：根据测评表进行打分
本实施例聘请组织10名高含硫管道设计及腐蚀相关领域专家对选取的在役高含硫天然气样管依据表3进行了打分评价。1#管线的评价结果见表6。
表6在役高含硫天然气管道材质评价测评表(以获得票数人数表示)
第七步：模糊变换处理
然后，针对二级评价指标项统计每个评价级别的分布，得到如下四组模糊评价关系：
而根据前文求得各级指标对应的权重向量：
腐蚀状况U1所属二级指标对应的权重向量为
W1＝[0.53 0.21 0.05 0.21]
理化性能老化程度U2所属二级指标对应的权重向量为
W2＝[0.025 0.042 0.114 0.180 0.303 0.241 0.41]
抗硫耐蚀性能U3所属二级指标对应的权重向量为
W3＝[0.41 0.48 0.11]
腐蚀防护措施U4所属二级指标对应的权重向量为
W4＝[0.16 0.24 0.05 0.11 0.44]
在役含硫天然气管道材质适应性评价U所属一级指标对应的权重向量为
W＝[0.15 0.22 0.48 0.15]
利用相应的权重向量对其进行模糊变换并归一化得到Qi。对Qi和评语集进行最终转化得到分值。
计算过程如下：
Q1＝W1oR1＝[0.0420 0.0820 0.2200 0.1900 0.4660]
Q2＝W2oR2＝[0.3574 0.9094 0.0482 0.0000 0.0000]
Q3＝W3oR3＝[0.7780 0.2220 0.0000 0.0000 0.0000]
Q4＝W4oR4＝[0.0480 0.1440 0.2240 0.3340 0.2500]
根据以上计算结果，得到一级指标的模糊评价关系：
对R进行模糊变换，即得到总体模糊评价
Q＝WoR＝[0.4656 0.3405 0.0772 0.0786 0.1074]
对评价结果进行评语集P转换可得最终分数F：
即本实施例的1#管线材质适用性得分为87.9765。根据上述模糊变化和对综合评价结果进行评语集转换，得到了7条含硫天然气管道材质适应性评价得分，结果如图3所示。结果表明，有5条管线材质适应性超过85分表现为良好，虽然6#管线分数不高仅为86.293，但由于其抗硫耐蚀性能(高温高压腐蚀模拟试验结果)表现优异，且抗硫耐蚀权重较大，故其分数为良好。另外，得分最低为2#管线，其理化性能和抗硫耐蚀腐蚀模拟试验结果均较差，该管线应加强防护措施，以确保其安全运行。而4#管线得分为中等，但分数为84.082，接近于85良好界限，该管线内腐蚀较严重，另外，其抗硫耐蚀腐蚀模拟试验结果较差，是导致其分数较低的原因，也应加强防护措施。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，建立包括在役天然气管道材质的腐蚀状况、取样后理化性能分析老化程度、取样后测试抗硫耐蚀性能以及服役现场腐蚀防护措施评价指标的在役高含硫天然气管道材质评价指标体系，建立模糊多层次综合评价，在选定评价对象和评价指标体系的基础上，将评价的各项指标分配给权重，然后确定指标的等级分值，运用模糊矩阵运算，得到评判结果评价管道材质的服役适应性和安全性。
2.根据权利要求1所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、通过实际在役高含硫天然气管道材质使用情况和服役管道状态，按照层次化方法为在役高含硫天然气管道材质建立评测指标体系；
S2、采用层次分析法确定各级评价指标的权重；
S3、确定评语集；
S4、针对在役高含硫天然气管道材质服役情况及材料性能建立评价对象测评表；
S5、选取待评价管道中具有代表性的管段，对评价对象进行数据调研和性能测试；
S6、根据测评表进行打分；
S7、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。
3.根据权利要求2所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，步骤S1中，评价指标体系包括4个一级指标和19个二级指标，一级指标包括腐蚀状况、理化性能老化程度、抗硫耐蚀性能和腐蚀防护措施；二级指标包括含H2S、CO2严重程度、输送介质含腐蚀性离子严重程度、外腐蚀严重程度、内腐蚀严重程度、化学成分、拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、硬度测试、金相分析、全尺寸水压爆破性能、抗氢致开裂HIC性能、抗硫化物应力开裂SSC性能、高温高压腐蚀模拟实验结果、缓蚀剂加注有效性、定期清管有效性、腐蚀监测结果严重程度、阴极保护全面性及有效性以及腐蚀状况检测及评价、修复情况。
4.根据权利要求3所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，将评价指标体系中的一级指标和二级指标分别两两对比，得到比较关系矩阵A，然后计算关系矩阵的特征向量及特征根，并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；
比较关系矩阵A计算如下：
A＝[aij]N×N
其中，aij表示指标ui对uj的影响大小之比，N为矩阵行数和列数，定义aji＝1/aij。
5.根据权利要求4所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，含H2S、CO2严重程度的权重为0.53；输送介质含腐蚀性离子严重程度的权重为0.21；外腐蚀严重程度的权重为0.05；内腐蚀严重程度的权重为0.21；化学成分的权重为0.025；拉伸性能的权重为0.042；弯曲性能的权重为0.114；冲击性能的权重为0.180；硬度测试的权重为0.303；金相分析的权重为0.095；全尺寸水压爆破性能的权重为0.241；抗氢致开裂HIC性能的权重为0.41；抗硫化物应力开裂SSC性能的权重为0.48；高温高压腐蚀模拟实验结果的权重为0.11；缓蚀剂加注有效性的权重为0.16；定期清管有效性的权重为0.24；腐蚀监测结果严重程度的权重为0.05；阴极保护全面性及有效性的权重为0.11；腐蚀状况检测及评价、修复情况的权重为0.44。
6.根据权利要求2所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，步骤S3中，定义评语集V如下：
V＝{v1，v2，v3，v4，v5}
其中，v1为优秀＝95分；v2为良好＝85分；v3为中等＝75分，v4为较差＝60分；v5为很差＝40分。
7.根据权利要求2所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，步骤S7中，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进行归一化处理作为进行上一级指标评价的R，进行模糊变换得到总体模糊评价。
8.根据权利要求7所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，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，计算得出综合分y，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构成论域U×V上的模糊关系。
9.根据权利要求8所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，综合分y计算如下：
y＝QVT
其中，T为转置矩阵。
10.根据权利要求7所述的在役高含硫天然气管道材质适应性评价方法，其特征在于，模糊变换的计算公式如下：
其中，qj为各评价指标的模糊关系，M为各级指标个数，Wj为权重向量矩阵，rij为评价指标矩阵，j＝1,2,...,N。
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