灰色系统理论在石油工业腐蚀中的应用与进展.pdf

灰 色系统理论在石油工业腐蚀 中的应用与进展／ 刘 丽等 9 9 灰色系统理论在石油工业腐蚀 中的应用与进展 刘 丽 ， 任 呈 强 西南石油大学材料科学与工程学院， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 灰色系统理论用于部分数据 已知、 部分数据未知的不确定性系统， 寻求系统的运动规律 ， 使不确定的灰 特征量量化。该方法克服了传统上处理数据方法的不足， 在工程领域有广阔的应用前景。石油工业的腐蚀是典型的 灰色系统， 介绍 了灰色关联度、 灰色聚类分析和灰色模型的原理， 并通过典型事例分析了其在石油工业腐蚀研究中的 应用情况， 进而对进一步的应用前景进行了展望。 关键 词 腐蚀石油工业灰关联度灰色聚类灰色模型 中图分类号 TG1 7 4 文献标识码 A Ap pl i c a t i o n a n d Ad v a nc e o f Gr e y S y s t e m The o r y i n Co r r o s i o n o f Pe t r o l e u m I n du s t r y L I U Li ，REN Ch e n g q i a n g S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y ，Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 Ab s t r a c t Th e g r e y s y s t e m t h e o r y i s p r o p o s e d t o b e u s e d i n t h e u n c e r t a i n i n f o r ma t i o n s y s t e r r L I t a i ms t o s e a r c h t h e mo t i v e r u l e s a n d q u a n t i f y t h e g r e y c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s ．Th e me t h o d c o n q u e r s t h e s h o r t c o mi n g o f t h e t r a d i t i o n a l d a t a p r o c e s s i n g me t h o d s ，S O i t i s wi d e l y u s e d i n v a r i o u s e n g i n e e r i n g ．Co r r o s i o n i n p e t r o l e u m i n d u s t r y i s a t y p i c a l g r e y s y s t e m．Th e b a s i c p r i n c i p l e s o f g r e y r e l a t i o n a l g r a d e ，g r e y a c c u mu l a t i n g a n d g r e y mo d e l a r e i n t r o d u c e d ．Th e i r a p p l i c a t i o n s t o t h e c o r r o s i o n i n p e t r o l e u m i n d u s t r y a r e a n a l y z e d b a s e d o n c a s e h i s t o r i e s ．Th e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i s f u r t h e r p r o p o s e d ． Ke y wo r d s c o r r o s i o n，p e t r o l e u m i n d u s t r y ，g r e y r e l a t i o n a l g r a d e ，g r e y a c c u mu l a t i n g ，g r e y mo d e l 0 引言 特征埘。 腐蚀研究所涉及的因素很多 ， 实验过程 中又往往不能控 制所有 因素的变化情况 ， 因此， 一般来说实验结果的分散性 较大。实验的 目的是要根据实验所得数据进行分析讨论 ， 揭 示有关现象产生 的原因和反 映客观规律。为得 出不掺杂主 观成分的结论， 必须对分散性较大的原始数据进行正确 的处 理， 普遍采用的方法是统计分析法_ 1 ] 。然而 ， 统计法要求大 样本量 ， 且要求样本有较好的分布规律 ， 计算工作量大和计 算误差容易导致极性相反的结果。 1 9 8 2年邓聚龙在 S y s t e ms＆ C o n t r o l L e t t e r s 上发表了 自己创立的灰色系统理论_ 2 ] ， 它是一个大量信息 已知、 部 分 信息未知的具有某种不确定性 的系统 ， 以信息不完全系统的 行为表现 、 行为内涵、 行为关系 、 行为环境的层次性、 动态性、 信息性和量化性 等为主要研究 目的。由于灰色理论 能充分 利用信息处理贫信息系统， 寻求系统 的运动规律， 使不确定 的灰特征量量化 ， 计算过程简单 ， 克服了传 统统计方法 的不 足 ， 已广泛应用于各个工业领域[ 3 ] 。石油工业腐蚀是一个 复杂的系统 ， 影响因素众多， 实验条件较苛刻 ， 虽然做 了大量 实验室模拟实验和现场实测工作 ， 获得 了一些有 价值的成 果， 但还有很多情况依 旧不 明确 ， 这 就是一个典型 的灰色系 统， 因此 ， 邓聚龙等建议可 以用灰色系统理论来揭示其腐蚀 刘丽 女 ， 工程师E - ma i l l i u l i s wp u 1 6 3 ． c o rn 1 灰色理论在石油工业腐蚀中的应用现状 灰色理论所研究 的内容是灰色数学、 灰色关联 、 灰色建 模 、 灰色预测、 灰色决策、 灰色分析 、 灰色控制和灰色优化[ 7 ] 。 结合石油工业腐蚀研究的情况与特点 ， 灰色理论 的应用主要 有 利用灰色关联分析影 响特征量的主要因素； 运用灰色 聚 类分析各因素间的相似程度 ； 采用灰色预测模 型预测腐蚀倾 向与速率 。 1 ． 1 灰 色关联在石油工业腐蚀 中的典型应用 1 ． 1 ． 1 灰 色关联 分析 原理 灰色关联是指事物的不确定关联 ， 灰色关联分析的基本 任务是基于因子间的影 响程度或因子序列 的微观或宏观几 何接近来分析和确定 因子问的影响程度或 因子对主行为的 贡献程度 ， 利用相对简单的数学程序找到复杂灰系统中的主 要因素[ 2 ] 。灰色关联分析 的思想是根据序列 曲线几何形状 的相似程度来判断因素与灰色过程发展态势的关联度 。 目前较常用 的灰色关联度 的量化模型有邓 氏关联度 、 绝 对关联度 、 T型关联度和改进关联度[ 8 ] ， 表 1 是对它们应用情 况的评价。邓氏模型算法成熟 ， 完善性好 ， 计算量较小 ， 易与 其它方法联合应用 ； T型模型计算量较小 ， 离散度大， 且可以 反映正反相关关 系， 应用前景较好 ； 绝对和改进模 型缺 陷相 1 0 0 材料导报 综述篇 2 0 1 0年 8月 上 第 2 4卷第 8期 对较多， 绝对模型很少单独使用， 大多数情况下需与其它模 型结合。按照有限方案模糊 多 目标 决策方法计算 ， 邓 氏最 优， T型次之 。 表 1 4种灰色关联度模型的应用比较 Ta b l e 1 Ap p l i c a t i o n s o f f o u r g r e y r e l a t i o n a l g r a d e mo d e l s 计算邓氏关联度的步骤分为 4步。 第一步 ， 列观察数列 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 和参考数列 z 一 1 ， 2， 3， ⋯ ， { }一 { z 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， m } 1 ．3 C 一 { z 尼 }一 { - z 1 ， z 2 ， z 3 ， ⋯ ， } 2 第二步， 用数列中的每一个数除以该数列 的第一个数， 作无量纲处理 。 一 一 ㈤ 一 ’ z 第三步， 求关联系数 n 1 i n n n l 是 --y 走 l m , x x l Y J 走 --y 尼 l 一 高 4 第四步， 求关联度 一 ∑已 5 在腐蚀研究中， a 一般取 0 ． 5 ， 求出关联度 后 ， 对关联 度进行排序 ， 关联度最大， 其对应 的因素 即为主要矛盾 。关 联度量化的大小只有相对意义 ， 无绝对意义 。 一般 ， 当 一0 ． 5 时 ， r O ． 9表明有明显影响， r O ． 7 有较明显的影 响， r 2 时模型会失效_ 2 、 预测时间长使灰区间增 大而增大误差。因此当检验发现误差太大时 ， 需要根据具体 问题对模型进行修正或改进。 刘晓东等口 在 G M 1 ， 1 模型基础上引入神经网络和时 间序列分析方法 ， 建立灰色组合模 型预钡 0 管道腐蚀速率 ， 通 过胜利油 田实例分析 ， 得出非常高的精确度。郑贤斌『 2 钉 对原 始的 G M 1 ， 1 模 型进行改进， 在原始数列前面加一个数据 1 ， 形成新的数据列 ， 利用全部已知信息的G M 1 ， 1 模型对油 气管道的腐蚀速度和腐蚀深度进行预测， 效果显著 。秦政先 等_ 2 建立了管道腐蚀预测的基于小生境遗传算法灰色模型， 用于预测四川气田某输气管道 的腐蚀速率和腐蚀深度 ， 结果 表明 ， 该模型的预测结果误差小 ， 可 以用于现场管道的腐蚀 预测 。 灰色理论的研究者不断创新 ， 将其它理论与灰色理论进 行有效结合与发展。刘勤明等l_ 2 以灰色理论为基础， 用粒子 群算法在测量数据很少的情况下预测地下管道剩余寿命 ， 结 1 0 2 材料导报 综述篇 2 0 1 0年 8月 上 第 2 4卷第 8期 果表明， 该优化方法优于现有的灰色预测方法。吴明亮等_ 2 5 ] 则以G M 1 ， 1 模型和马尔可夫理论为基础 ， 提出了灰色马尔 可夫理论， 用于预测油气管道剩余寿命， 可以在腐蚀速率波 动较大的情况下预测管道剩余寿命 ， 为油气管道腐蚀检测周 期的确定提供了科学依据 。日本学者 L i 等 建立 了动态灰 色模型并研究 了油气管道 的腐蚀情况 ， 对管道腐蚀深度和速 度进行了评价 ， 并用现场实验数据验证了模型的有效性 。在 国外 ， 采用灰色系统理论研究石油工业中腐蚀行为的应用已 经得到肯定[ 6 , 9 , 2 6 , 2 7 ] ， 由此必将推动灰色系统理论和石油工业 的腐蚀与防护科学进一步发展 。 3 结语 从灰色系统理论建立至今 已经走过近 3 0 个春秋， 成功 地解决了生产 、 生活和科学研究 中的大量 实际问题 ， 尤其在 石油管道腐蚀寿命预测等方面产生 了显著的社会经济效益。 本文介绍 了灰色系统理论在石油工业腐蚀中的应用， 结合现 场腐蚀的具体典型实例阐述了灰关联分析、 灰色聚类分析和 灰色模型的基本原理和应用情况 ， 并在此基础上分析 了该理 论方法各 自的优势和缺陷以及在使用过程 中的改进情况 ， 以 期对该方面的研究起到推动作用。 参考文献 I 曹楚南．腐蚀实验数据的统计分析[ M] ．北京 化学工业出 版社 ， 1 9 8 8 2 D e n g J u l o n g ．C o n t r o l p r o b l e ms o f g r e y s y s t e ms [ J ] ．S y s t e ms C o n t r o l Le t t ， 1 9 8 2， 1 5 2 8 8 3 Pi l l a y A，W a n g J ，J u n g G M ，e t a 1 ．Mo d i f i e d FMEA f o r f i s h i n g v e s s e l s A f u z z y s e t a n d g e r y t h e o r y a p p r o a c h [ J ] ． I n t e g r a t e d Ma n u f S y s t e ms ， 2 0 0 1 ， 1 2 3 2 1 1 4 Wa n g M H ，Hu n g C P．No v e l g r e y mo d e l f o r t h e p r e d i c t i o n o f t r e n d o f d i s s o l v e d g a s e s i n o i l f i l l e d p o we r a p p a r a t u s [ J ] ． El e c t r i c Po we r S y s t e ms Re s ， 2 0 0 3， 6 7 1 5 3 5 Li n Ch a n g r o n g ．Ap p l i c a t i o n o f g r e y s y s t e m t h e o r y t o g a s p o o l p r e d i c t i o n o f 3 D s e i s mi c d a t a p r i o r t o d r i l l i n g [ C ] ／ ／ S P E As i a P a c i f i c Oi l a n d Ga s Co n f e r e n c e a n d Ex h i b i t i o r L J a k a r t a ， 19 9 9 6 Yi L，Li n L，J u l o n g n Th e g r e y t a r g e t me t h o d f o r r i s k e v a l u a t i o n o f t u b i n g i n n a t u r a l g a s we l l [ J ] ．Ma t e r Cor r o s i o n ， 2 0 0 2， 5 3 4 2 7 4 7 曹鸿兴， 郑耀文， 顾今， 等．灰色系统理论浅述[ M] ．北京 气象出版社， 1 9 8 8 8 吴祖堂， 李岳， 温熙森， 等．灰关联分析在机械设备故障诊断 中的运用[ J ] ． 系统工程理论与实践， 1 9 9 9 ， 1 9 6 1 2 6 9 F u CY，Z h e n g J S，Z h a o J M ，e t a 1 ．Ap p l i c a t i o no f g r e y r e l a t i o n a l a n a l y s i s f o r c o r r o s i o n f a i l u r e o f o i l t u b e s [ J ] ．Cor r o s i o n S e i ， 2 0 0 1 ， 4 3 5 8 8 1 1 O万里平， 孟英峰， 梁发书，等．空气钻井中钻具腐蚀因素的 灰关联分析[ J ] ． 断块油气田， 2 0 0 4 ， 1 1 1 5 4 1 1周鹏， 袁宗明， 谢英， 等．塔河油田集输系统污水腐蚀因素 分析 [ J ] ． 油气储运 ， 2 0 0 8 ， 2 7 5 4 5 1 2梁平，杜翠微 ， 李晓刚， 等．X 7 0管线钢在鹰潭土壤模拟溶 液中腐蚀因素灰关联分析口] ． 腐蚀与防护， 2 0 0 9 ， 3 0 4 2 3 1 1 3邹开其， 徐杨．模糊系统与专家系统[ M] ．西安 西安交通 大学出版社， 1 9 8 9 1 4付大友， 袁东．聚类分析在土壤研究中的应用[ J ] ． 四川理工 学院学院学报， 2 0 0 5 ， 1 8 2 6 8 1 5付亚荣．集油管网土壤腐蚀性模糊物元欧氏贴近聚类评价 [ 3 1 ． 新疆石油学院学报， 1 9 9 9 ， 1 1 2 1 8 1 6谢英， 袁宗明．灰色动态模型在预测输气管道腐蚀 中的运 用[ J ] ． 西南石油学院学报， 1 9 9 9 ， 2 2 3 5 0 1 7林伟民， 任韶然， 刘媛， 等． 油田污水回注管道腐蚀速率灰色 理论预NE J ] ． 油气储运， 2 0 0 9 ， 2 8 6 4 8 1 8彭星煜，张鹏，孙德青， 等．基于灰色 GM 1 ， 1 模型埋地金 属管道腐蚀速率预测口] ． 全面腐蚀控制， 2 0 0 9 ， 2 3 4 3 0 1 9杨义群， 冯恭己．G M 1 ， 1 参数各种估计方法的比较[ c ] ／ ／ 灰色系统学术论文集． 开封 河南大学出版社， 1 9 9 3 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i c Comp u t e r Te c h n o l o g y ． M a c a o， 2 0 0 9， 3 1 2 2 责任编辑王炎