一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。根據(jù)已建立的受損管道三維模型，以管道材料抗拉極限強(qiáng)度作為判據(jù)對(duì)受損管道進(jìn)行非線性有限元力學(xué)仿真分析，獲得缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系，根據(jù)缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系構(gòu)建用于定量化描述管道剩余強(qiáng)度的參數(shù)化模型，利用智能優(yōu)化方法求解參數(shù)化模型的未知系數(shù)，將檢測(cè)得到的缺陷幾何量代入到已獲得未知系數(shù)的參數(shù)化模型中求得管道剩余強(qiáng)度，完成對(duì)油氣管道剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。本發(fā)明有效解決海底受損油氣管道的安全性預(yù)測(cè)問題，可靠性高，可有效地用于海底油氣受損管道的剩余強(qiáng)度分析，為管道的安全性預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。
【專利說明】
一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及了一種管道檢測(cè)預(yù)測(cè)方法，尤其是涉及了一種基于參數(shù)化模型的油氣 管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 油氣管道是油氣開發(fā)的重要組成部分，是油氣輸送的主要手段，被認(rèn)為是油氣生 產(chǎn)系統(tǒng)中的生命線。由于受環(huán)境侵蝕、外部載荷作用等因素的影響勢(shì)必導(dǎo)致油氣管道系統(tǒng) 的損傷積累和抗力衰減，油氣管道破裂泄漏的風(fēng)險(xiǎn)也悄然增加，防范油氣管道的泄漏已成 為當(dāng)務(wù)之急。
[0003] 從上世紀(jì)70年代起，國外就開展了受損管道極限承載力和失效機(jī)理的相關(guān)研究， 并制定了一系列的管道安全性預(yù)測(cè)規(guī)范。美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)頒布了具有代表性的管道安 全性預(yù)測(cè)規(guī)范ASME B31G《確定腐蝕管道剩余強(qiáng)度的手冊(cè)》。隨后，針對(duì)ASME B31G規(guī)范的保 守性等問題，O'Grady等對(duì)腐蝕面積和膨脹系數(shù)等做了相應(yīng)的修正，被稱為改進(jìn)版的B31G。 挪威船級(jí)社通過對(duì)海底腐蝕管道進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，與英國燃?xì)夤韭?lián)合頒布了腐 蝕管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)規(guī)范DNV-RP-F101。為了驗(yàn)證現(xiàn)有規(guī)范的可靠性，國內(nèi)外學(xué)者開展了腐 蝕管道失效實(shí)驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的規(guī)范進(jìn)行比較，結(jié)果表明規(guī)范DNV-RP-F101和 ASME B31G均過于保守，而改進(jìn)版的B31G則偏于危險(xiǎn)。以上規(guī)范準(zhǔn)則中所給出的計(jì)算模型均 未考慮缺陷寬度對(duì)于管道剩余強(qiáng)度的影響，這也是影響現(xiàn)有規(guī)范預(yù)測(cè)結(jié)果的影響因素之 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有管道安全性預(yù)測(cè)規(guī)范中所存在不足，本發(fā)明提出了一種基于參數(shù)化模型 的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，能有效解決海底受損油氣管道的安全性預(yù)測(cè)問題。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，如圖1所示：
[0006] 根據(jù)已建立的受損管道三維模型，以管道材料抗拉極限強(qiáng)度作為判據(jù)對(duì)受損管道 進(jìn)行非線性有限元力學(xué)仿真分析，獲得缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系，根據(jù)缺陷 幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系構(gòu)建用于定量化描述管道剩余強(qiáng)度的參數(shù)化模型，將非 線性有限元力學(xué)仿真分析的數(shù)據(jù)代入到參數(shù)化模型中利用智能優(yōu)化方法求解參數(shù)化模型 的未知系數(shù)，獲得未知系數(shù)的參數(shù)化模型給出了管道剩余強(qiáng)度與缺陷幾何量之間的定量關(guān) 系，將檢測(cè)得到的缺陷幾何量代入到已獲得未知系數(shù)的參數(shù)化模型中求得管道剩余強(qiáng)度， 完成對(duì)油氣管道剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。
[0007] 所述的缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系包括缺陷長度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的 影響關(guān)系、缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系和缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系。
[0008] 所述缺陷長度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為指數(shù)分布關(guān)系。
[0009] 所述缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為拋物線分布關(guān)系。
[0010]所述缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為指數(shù)分布關(guān)系。
[0011] 所述參數(shù)化模型具體采用以下公式：
[0012]
[0013]其中，Pf表示管道剩余強(qiáng)度，D表示管道外徑，t表示管道厚度，f表示缺陷幾何量，d 表示缺陷深度，表示管道材料的抗拉極限強(qiáng)度。
[0014] 所述的缺陷幾何量f采用以下公式表示：
[0015]
[0016] 其中，k、m和η分別為參數(shù)化模型的長度影哬因于、深度影響因子和寬度影響因子， L表示缺陷長度，d表示缺陷深度，w表示缺陷寬度。
[0017] 將所述缺陷幾何量f的公式代入?yún)?shù)化模型后獲得以下最終的參數(shù)化模型公式表 達(dá)：
[0018]
[0019] 其中，Pf表示管道剩余強(qiáng)度，D表示管道外徑，t表示管道厚度，f表示缺陷幾何量，〇b 表示管道材料的抗拉極限強(qiáng)度，k、m和η分別為參數(shù)化模型的長度影響因子、深度影響因子 和寬度影響因子，L表示缺陷長度，d表示缺陷深度，w表示缺陷寬度。
[0020] 所述的智能優(yōu)化方法具體可采用遺傳算法。
[0021] 非線性有限元力學(xué)仿真分析包括：
[0022] 利用非線性有限元方法研究缺陷長度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分 析，分析結(jié)果如圖2所示，得到的結(jié)論是，呈現(xiàn)指數(shù)分布；
[0023] 利用非線性有限元方法研究缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分 析，分析結(jié)果如圖3所示，得到的結(jié)論是，呈現(xiàn)拋物線分布；
[0024] 利用非線性有限元方法研究缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分 析，分析結(jié)果如圖4所示，得到的結(jié)論是，呈現(xiàn)指數(shù)分布。
[0025] 本發(fā)明以管道材料的抗拉極限強(qiáng)度作為判據(jù)對(duì)受損管道進(jìn)行非線性有限元力學(xué) 分析，目前的有限元數(shù)值計(jì)算中，通常采用會(huì)彈塑性本構(gòu)模型，該模型未曾考慮材料的硬化 效應(yīng)，而事實(shí)上材料的硬化效應(yīng)對(duì)管道的失效會(huì)有很大的影響，為此在有限元計(jì)算模型中 引入了Ramberg-Osgood冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則，使得分析結(jié)果更加接近于實(shí)際。
[0026]本發(fā)明經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該模型比現(xiàn)有的管道預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)具有更好的可靠性，可 有效地用于海底油氣受損管道的剩余強(qiáng)度分析，為管道的安全性預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。
[0027]本發(fā)明具有的有益效果是：
[0028]本發(fā)明在有限元分析基礎(chǔ)上結(jié)合相應(yīng)的邊界條件構(gòu)建了所述參數(shù)化模型，綜合考 慮了管道上缺陷的各個(gè)參數(shù)對(duì)于管道剩余強(qiáng)度的影響，克服了現(xiàn)有管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)規(guī)范 所存在的不足，其預(yù)測(cè)結(jié)果能夠更加接近于實(shí)際情況，可提高受損管道預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。 [0029]我國目前有將近6000公里長的海底油氣管道，隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海 底管網(wǎng)規(guī)模會(huì)日益擴(kuò)大，國外公司對(duì)我國實(shí)施技術(shù)封鎖，只提供檢測(cè)服務(wù)，每公里收費(fèi)動(dòng)輒 數(shù)萬美元。
[0030] 本發(fā)明能為我國海底管道的安全使用質(zhì)量管理領(lǐng)域提供一套有效的、具有自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜載荷下海底受損油氣管道剩余強(qiáng)度分析方法。不僅能在管道檢測(cè)分析領(lǐng)域中 得到直接應(yīng)用，而且相關(guān)共性技術(shù)進(jìn)一步推廣可方便延伸到其它對(duì)象應(yīng)用，拓寬應(yīng)用范圍， 創(chuàng)造更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明總體流程框圖。
[0032] 圖2是本發(fā)明失效載荷隨缺陷長度變化示意圖。
[0033] 圖3是本發(fā)明失效載荷隨缺陷深度的變化示意圖。
[0034] 圖4是本發(fā)明失效載荷隨缺陷寬度變化示意圖。
[0035] 圖5是本發(fā)明模型參數(shù)k的最優(yōu)解進(jìn)化過程示意圖。
[0036] 圖6是本發(fā)明模型參數(shù)m的最優(yōu)解進(jìn)化過程示意圖。
[0037] 圖7是本發(fā)明模型參數(shù)η的最優(yōu)解進(jìn)化過程示意圖。
[0038] 圖8是本發(fā)明失效載荷預(yù)測(cè)結(jié)果比較示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0040]本發(fā)明的實(shí)施例如下：
[0041] 本實(shí)施例采用的對(duì)象為受損的油氣管道。
[0042] 假定在無缺陷狀態(tài)下管道的失效載荷為Ρ，有缺陷狀態(tài)下受損管道的失效載荷為 Pf，利用有限元計(jì)算方法分析了受損管道失效載荷Pf隨著缺陷長度的變化情況，分析結(jié)果如 圖2所示。從圖中可以看出，隨著缺陷長度的增加，失效載荷會(huì)隨之變小，而且隨著缺陷深度 的增加，缺陷長度對(duì)失效載荷的影響更為明顯。
[0043] 失效載荷隨管道缺陷深度的變化情況如圖3所示，從圖中可以看出，缺陷的深度對(duì) 失效載荷的影響較為明顯，存在一定的非線性關(guān)系。為進(jìn)一步分析缺陷寬度對(duì)于失效載荷 的影響程度，通過計(jì)算得到如圖4所示的結(jié)果，從圖中可以看出，缺陷寬度與失效載荷之間 也存在一定的非線性關(guān)系。
[0044] A)構(gòu)建參數(shù)化模型：
[0045] 因此，將無缺陷狀態(tài)下管道所能承受的載荷作為載荷上限：
[0046]
( 1 )
[0047] 其中，D表示管道外徑，t表示管道厚度，〇b表示管道材料的抗拉極限強(qiáng)度；
[0048] 再將受損管道最小剩余壁厚作為全壁厚計(jì)算得到載荷下限：
[0049]
(2)
[0050] 其中，d表示缺陷深度。
[0051]根據(jù)極限載荷的上下限構(gòu)造出本發(fā)明受損管道的失效載荷的參數(shù)化模型：
[0052]
(3)
[0053]式中，缺陷幾何量函數(shù)f中包含了缺陷長度、缺陷深度等缺陷幾何量信息。
[0054]結(jié)合失效載荷的實(shí)際情況，確定失效載荷模型的邊界條件：當(dāng)管道上無缺陷時(shí)，失 效載荷應(yīng)等于載荷上限pmax;而當(dāng)缺陷軸向長度Ld很大或者缺陷深度接近于壁厚時(shí)，缺陷幾 何量函數(shù)等于〇,失效載荷接近于載荷下限p min。
[0055] 根據(jù)以上分析，將缺陷幾何量函數(shù)f定義為：
[0056]
(4)
[0057] 其中，L表示缺陷長度，d表示缺陷深度，w表示缺陷寬度，D表示管道外徑，t表示管 道厚度，k、m和η分別為參數(shù)化模型的長度影響因子、深度影響因子和寬度影響因子，可將有 限元計(jì)算的結(jié)果代入模型中，對(duì)模型中參數(shù)值進(jìn)行辨識(shí)。
[0058] 將公式1、公式2和公式4代入公式3可得：
[0059]
：5)
[0060] Β)求解參數(shù)化模型：
[0061] 經(jīng)典的非線性尋優(yōu)方法如牛頓迭代法等采用了梯度下降的方式進(jìn)行求解，此類方 法的局部搜索能力較強(qiáng)，全局搜索能力較弱，因此只有在初始值與真實(shí)值較為接近的情況 下，才能得到較好的迭代結(jié)果，然而在模型的參數(shù)辨識(shí)過程中，理想初始值的獲取較為困 難。
[0062] 與傳統(tǒng)的搜索方法不同，智能優(yōu)化方法具有極強(qiáng)的全局搜索能力，比如遺傳方法 是從隨機(jī)產(chǎn)生的初始解開始搜索，通過一定的選擇、交叉、變異等操作逐步迭代以產(chǎn)生新的 解，采用概率化的尋優(yōu)方法，能夠自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，因此在多變量優(yōu)化問題中優(yōu)于傳 統(tǒng)的迭代方法。群體中的每個(gè)個(gè)體代表問題的一個(gè)解，在方法中表示為染色體，染色體的好 壞通過使用度值來衡量，以適應(yīng)度作為指標(biāo)從上一代中選擇優(yōu)秀個(gè)體，通過交叉、變異等操 作形成下一代群體。經(jīng)過若干代的進(jìn)化之后，方法收斂于最優(yōu)的染色體，即得到問題的最優(yōu) 解。
[0063]以歐式距離最小作為目標(biāo)函數(shù)，
[0064]
(6)
[0065] 式中，Pf為有限元方法計(jì)算得到的管道失效載荷，Pff是參數(shù)化模型計(jì)算得到的管 道失效載荷，N為所有限元方法計(jì)算得到的失效載荷數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，N表示參與計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)， i表示參與計(jì)算的數(shù)據(jù)序列，表示第i個(gè)有限元計(jì)算得到的管道失效載荷數(shù)據(jù)，表示第 i個(gè)參數(shù)模型計(jì)算得到的管道失效載荷。
[0066] 針對(duì)傳統(tǒng)遺傳方法容易早熟收斂于局部最優(yōu)解或者不收斂的缺點(diǎn)，對(duì)其交叉操作 和變異操作過程進(jìn)行一些改進(jìn)。當(dāng)種群中個(gè)體的適應(yīng)度值比種群的平均適應(yīng)度值低時(shí)，表 明該個(gè)體的性能較差，此時(shí)的交叉概率和變異概率應(yīng)該取較大的值，反之亦然，因此需要根 據(jù)個(gè)體的特性選取合適的交叉概率和變異概率值與之對(duì)應(yīng)，交叉概率P。和變異概率p m自適 應(yīng)取值額表示為：
[0067] (7)
[0068] (8)
[0069] 式中，favg表示每一代群體的適應(yīng)度平均值，fmax表示每一代群體中最大的適應(yīng)度 值;f'表示參加交叉運(yùn)算的兩個(gè)個(gè)體中適應(yīng)度較大的值;f表示變異個(gè)體的適應(yīng)度值。p cl、 pc2分別表示交叉概率的上下極值，pml、pm2分別表示變異概率的上下極值，設(shè)定參數(shù)p cl = 0 · 9，Pc2 = 0 · 6，Pml = 0 · 1，Pm2 = 0 · 01 〇
[0070] 設(shè)定個(gè)體數(shù)目為180，最大遺傳代數(shù)100，為提高收斂速度，采用十進(jìn)制編碼方式， 并以式(6)作為適應(yīng)度函數(shù)，通過自適應(yīng)遺傳方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，參數(shù)的最優(yōu)解 進(jìn)化過程如圖5、圖6、圖7所示，參數(shù)k的最優(yōu)解為-0.2976，參數(shù)m的最優(yōu)解為0.3872，參數(shù)k 的最優(yōu)解為-1.6852,將得到的參數(shù)值代入式(5)所示的失效載荷模型中，將模型計(jì)算所得 的失效載荷與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值以及ASME B31G中所列的失效載荷公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì) 算結(jié)果如圖8所示，從圖中可看出，模型所得到的計(jì)算結(jié)果相比較ASME B31G更接近于實(shí)測(cè) 值。
[0071] 上述【具體實(shí)施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于:根據(jù)已建立的受 損管道Ξ維模型，W管道材料抗拉極限強(qiáng)度作為判據(jù)對(duì)受損管道進(jìn)行非線性有限元力學(xué)仿 真分析，獲得缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系，根據(jù)缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的 影響關(guān)系構(gòu)建用于定量化描述管道剩余強(qiáng)度的參數(shù)化模型，利用智能優(yōu)化方法求解參數(shù)化 模型的未知系數(shù)，將檢測(cè)得到的缺陷幾何量代入到已獲得未知系數(shù)的參數(shù)化模型中求得管 道剩余強(qiáng)度，完成對(duì)油氣管道剩余強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述的缺陷幾何量對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系包括缺陷長度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響 關(guān)系、缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系和缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述缺陷長度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為指數(shù)分布關(guān)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為拋物線分布關(guān)系。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響關(guān)系為指數(shù)分布關(guān)系。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述參數(shù)化模型具體采用W下公式：其中，Pf表示管道剩余強(qiáng)度，D表示管道外徑，t表示管道厚度，f表示缺陷幾何量，d表示 缺陷深度，Ob表示管道材料的抗拉極限強(qiáng)度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述的缺陷幾何量f采用W下公式表示：其中，k、m和η分別為參數(shù)化模型的長度影響因子、深度影響因子和寬度影響因子，L表 示缺陷長度，d表示缺陷深度，W表示缺陷寬度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于參數(shù)化模型的油氣管道剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:將所述缺陷幾何量f的公式代入?yún)?shù)化模型后獲得W下最終的參數(shù)化模型公式表達(dá)：其中，Pf表示管道剩余強(qiáng)度，D表示管道外徑，t表示管道厚度，f表示缺陷幾何量，Ob表示 管道材料的抗拉極限強(qiáng)度，k、m和η分別為參數(shù)化模型的長度影響因子、深度影響因子和寬 度影響因子，L表示缺陷長度，d表示缺陷深度，W表示缺陷寬度。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105975678SQ201610287151
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】周聞青, 周紅明, 茅振華, 余松青, 葉欣, 陳挺, 盧歆
【申請(qǐng)人】浙江省計(jì)量科學(xué)研究院