一种山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法与流程

1.本发明涉及管道评价领域，特别地，涉及一种山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法。


背景技术：

2.西南山地油气管道途经地区的地形地貌为山涧沟谷，地势起伏大，管道穿越地区大部分地段都是山高谷深、河流纵横、地质灾害频发，部分区域地质活动强烈、地震发育密集，导致穿跨越管段、沉管管段较多，同时管道易受外部环境的影响产生管道损伤，管道失效发生风险较大，安全生产压力大。管道的缺陷大致分为腐蚀缺陷，机械损伤缺陷，材料设计缺陷及混合缺陷，管道凹陷是机械损伤的主要表现形式之一。当凹陷程度严重时，导致清管器无法通过管道，妨碍了内检测器的正常工作，引起管道的失效，必须立刻进行维修或更换。而有些凹陷不会导致管道的立即失效，但凹陷的存在一方面影响着管道的承载能力，另一方面在交变力作用下，会产生裂纹萌芽，引起管道的疲劳失效，严重的威胁了管道的安全运行。
3.凹陷是管道外壁接触外物所导致的塑性变形，凹陷使管道的曲率发生了变化。划痕意味着管道的表明破损，含划痕凹陷同时具备管壁的曲率变形和管道壁厚减薄。经验表明，含划痕凹陷的剩余强度第一个单独的凹陷，也低于没有凹陷的划痕损伤的剩余强度。
4.由于划痕凹陷的形成是一个非常复杂性的过程，凹陷失效和划痕凹陷涉及了塑性变形、管壁减薄、凹陷移动、裂纹产生等多项问题。目前主要应用半公式经验模型法对含划痕凹陷进行剩余强度评价，其中最具有代表性两个失效预测模型为经验q因子模型和划痕断裂模型。
5.随着研究和现场应用的不断深入，发现基于深度的经验q因子模型剩余强度评价方法并不能准确反映管道的实际工作状态，甚至带来较大的误差，因此基于应变的划痕凹陷评价方法的研究至关重要，但是现存划痕断裂模型存在以下缺点：(1)在断裂模型的破裂失效试验中，凹陷和划痕都是在无运行压力条件下制作的，因此在模型的计算中，取在无运行压力条件下凹陷的深度。(2)在模型建立方面，只考虑划痕的深度因素，凹陷的长度及划痕的长度忽略不计，并对模型做以下假设：凹陷在宽度方向变化保持恒定。假设划痕的位置为凹陷的最深处，同时满足凹陷是沿管道轴向方向分布的；划痕缺陷的深度在轴向方向上为定值。(3)断裂模型不适用于高钢级管道,且无法预测爆破强度的下界。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于建立更完善的山地管道划痕凹陷评价流程。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法。
8.所述方法可包括以下步骤：
9.a、确定管段凹陷划痕所需测定的参数和d，所述参数包括：fca、loss和t
min
，其中，d
为管道外径，fca为未来腐蚀裕量、loss为均匀金属损失量，t
min
为检验所得最小实测壁厚；
10.b、根据fca和dg确定d
gc
；根据fca、loss和t
min
确定tc；其中，dg为测量的最大划痕深度，d
gc
为划痕深度，tc为评价中的管道壁厚；
11.c、判断式1是否成立，若成立则进行步骤d，否则评价不合格；
12.d、确定轴向应力并利用山地安全修正因子对最小屈服强度进行修正，得到修正后的最小屈服强度σ
ys
′
；
13.e、确定d
gc
/tc和d
dq
/d；根据d
gc
/tc、d
dq
/d、σ
ys
′
和判断管道是否在交变应力条件下服役，若不在则进行步骤f，否则评价不合格；
14.f、利用所述tc确定管道的最大允许工作压力mawp，若mawp大于等于目前的设计压力，则管道可以继续运行，否则评价不合格；
15.其中，式1为：
16.进一步地，根据下式来确定d
gc
：d
gc
＝dg+fca。
17.进一步地，所述判断管道是否在交变应力条件下服役的步骤可包括：根据d
gc
/tc、d
dq
/d、σ
ys
′
和在含划痕的凹陷1级评价图中确定坐标点的位置和对应曲线，若坐标点在对应曲线上或之下(即曲线的下面)，则判断管道不在交变应力条件下服役。
18.进一步地，tc＝t
min-loss-fca。
19.进一步地，在所述评价结果不合格的情况下，对管道进行检修或通过修复方法来调整所述fca。
20.进一步地，所述确定修正因子的步骤可包括：选择风险因素组成数据集；利用mipca模型进行归一化处理；采用waspas方法对风险因素进行综合分析；根据综合分析结果，确定所述修正因子。
21.进一步地，风险因素是与凹陷划痕缺陷相关的风险因素。
22.进一步地，利用下式进行所述综合分析：
23.其中，qi为第i个观测点的综合评价值，λ为的贡献度，λ＝0,
…
,1，wj为第j个属性集的权重，为标准化后的第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
24.进一步地，根据下式来确定所述修正因子：
25.其中，a为修正因子，min是所有观测点的综合评价值中的最小值，max是所有观测点的综合评价值中的最大值。
26.进一步地，修正后的最小屈服强度为σ
ys
′
，σ
ys
′
＝σ
ys
×
a，其中，σ
ys
为修正前的最小屈服强度。
27.进一步地，所述根据下式来确定：
28.其中，c
ij
表示第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
29.进一步地，所述进行归一化处理的步骤可包括：计算风险因素的互信息矩阵；计算所述互信息矩阵的特征值，并对其进行排列，找到对应的特征向量；计算互信息的主成分；计算主成分的贡献率，进而确定特征的维度。
30.进一步地，在所述步骤a之前，所述方法还可包括步骤：对管道的凹陷进行一级评价，并在评价合格的情况下，进行所述步骤a。
31.进一步地，所述评价方法适用于山地长输管道的划痕凹陷评价。
32.进一步地，所述山地管道所处的山地条件包括：高丘陵地貌敷设占75～80％，平原谷地地貌敷设占20％～25％。例如，高丘陵地貌敷设占78％，平原谷地地貌敷设占22％。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
34.(1)本发明通过增加山地管道安全系数修正因子来进行更严苛的约束，能够较为准确的反映山地管道在凹陷划痕组合响下的管道状况。
35.(2)本发明增加了山地安全系数修正因子，建立了更完善的山地管道划痕凹陷评价流程。
36.(3)本发明能够对山地管道的凹陷划痕组合缺陷进行精确评价，对延长管道服役寿命具有指导意义。
附图说明
37.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
38.图1示出了本发明的山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法的一个流程示意图。
39.图2示出了本发明的含划痕的凹陷1级评价图。
具体实施方式
40.在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法。
41.山地长输管道划痕凹陷的存在严重的威胁着管道的承载能力和运行寿命，容易使管道发生强度失效。为保证山地管道的安全运行，需要建立更完善的山地管道划痕凹陷评价流程。发明人围绕管道划痕凹陷的剩余强度评价方法展开研究，为提高山地管道凹陷剩余强度评价的精确度，考虑山地管道复杂地理环境以及所受复杂载荷，针对凹陷剩余强度评价增加了山地安全修正因子，最终提出了一种考虑山地复杂地理环境作用的划痕凹陷修正一级评价流程。较普适性较强的api 579标准，本发明修正后的评价流程更加适用山地长输管道的划痕凹陷评价。
42.本发明在管道相关标准的基础上将划痕凹陷的其他风险因素进行融合，采用mipca-waspas相结合的方法对规定最小屈服强度进行修正，筛选出与管道划痕凹陷相关的风险因素，然后根据相关的标准设定这些风险因素的评分体系并且根据案例数据对各个点的所有风险因素进行评分，最后确定山地划痕凹陷管道安全修正因子a，进而求得σ
ys
′
，即最
终得出山地弯头缺陷管道剩余强度评价中的安全系数σ
ys
′
＝σ
ys
×
a。
43.示例性实施例1
44.所述山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法可包括以下步骤：
45.a、确定管段凹陷划痕所需测定的参数和d，所述参数包括：fca、loss和t
min
，其中，d为管道外径，fca为未来腐蚀裕量、loss为均匀金属损失量，t
min
为检验所得最小实测壁厚；
46.b、根据fca和dg确定d
gc
；根据fca、loss和t
min
确定tc；其中，dg为应测量划痕的最大深度，d
gc
为划痕深度，tc为评价中的管道壁厚；
47.c、判断式1是否成立，若成立则进行步骤d，否则评价不合格；
48.其中，式1为：
49.d、确定轴向应力并利用山地安全修正因子对最小屈服强度进行修正，得到修正后的最小屈服强度σ
ys
′
；
50.e、确定d
gc
/tc和d
dq
/d；根据d
gc
/tc、d
dq
/d、σ
ys
′
和判断管道是否在交变应力条件下服役，若不在则进行步骤f，否则评价不合格；
51.f、利用所述tc确定管道的最大允许工作压力mawp，若mawp大于等于目前的设计压力，则管道可以继续运行，否则评价不合格。
52.在本实施例中，所述方法还可包括步骤：在所述步骤a之前，对管道的凹陷进行一级评价，并在评价合格的情况下，进行所述步骤a。若跳过该步骤，会增加评价的难度。在一级评价不合格(也可称为不满足)的情况下，可停止评价。
53.示例性实施例2
54.图1示出了本发明的山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法的一个流程示意图。图2示出了本发明的含划痕的凹陷1级评价图。
55.如图1所示，所述山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法可包括以下步骤：
56.步骤s10：确定划痕凹陷缺陷评价模型。
57.对于划痕凹陷缺陷的评价，在该步骤中，本发明可以确定api579划痕凹陷缺陷评价模型。具体地：
58.步骤一：确定凹陷评价所需的数据及其测量方法
59.以下所列的是对凹陷-划痕组合的评价所需的数据及其测量方法：
60.(a)应确定加压和无压条件的凹陷最大深度，即在加压条件下凹陷深度d
dp
，无压条件下凹陷深度d
d0
，两者可直接测量。
61.(b)应测量dg，dg为测量的最大划痕深度，测量方法同凹槽的测定方法相同。
62.(c)确定规定的最小屈服强度σ
ys
，其可根据材料规格确定。
63.步骤二：运用一级评价确定凹陷-划痕组合的可接受性
64.1、首先对凹陷进行一级评价：
65.(a)确定管段凹陷所需测定的参数与钢管外径d；参数包括：fca—未来腐蚀裕量；loss—均匀金属损失量。
66.(b)根据下列等式确定评价中的壁厚。
67.tc＝t
min-loss-fca，
68.其中，t
min
为检验所得的最小实测壁厚。
69.(c)如果满足下列两等式，计算(d)。否则，一级评价不满足。
70.其中，l
msd
和lw为本领域公知的含义，如l
msd
为凹陷到主构造不连续的间距，即应测量凹陷的边缘和最近的管道不连续性处之间的距离，lw为凹陷与焊缝的间距，即应测量凹陷的边缘和与之最近的焊缝之间的距离。
71.(d)如果构件不是循环运行的或者满足下列等式，计算(e)。否则，一级评价不满足。
72.d
dp
≤0.07d。
73.(e)确定构件(即管道)的mawp(最大允许工作压力)，使用(b)中求的厚度。如果mawp大于或等于目前的设计压力则该构件是可以继续运作，否则一级评价不满足。
74.2、对凹陷-划痕组合进行评价：
75.(a)确定段凹陷-划痕组合需要测量的参数，参数包括fca、t
min
和loss。同时确定d。
76.(b)运用下列等式确定划痕深度。
77.d
gc
＝dg+fca，其中，d
gc
为划痕深度。
78.(c)如果如下要求满足进入(d)。否则，一级评价不满足。
79.其中，“lin.”即为英寸“inches”的缩写，公式中的2.5mm(0.1inches)表示“2.5mm或0.1linches”，25mm(lin.)表示“25mm或1linches”。
80.(d)确定管道轴向应力其中p为管道内压，d为管道外径，tc为管道壁厚；对于构件(即管道)使用上一步骤中计算得来的壁厚，并考虑山地安全修正因子，对规定最小屈服强度σ
ys
进行修正得出σ
ys
′
。
81.(e)确定划痕深度与壁厚的比，d
gc
/tc；确定凹陷深度与构件直径的比，d
dq
/d。
82.根据σ
ys
′
和在图2中确定对应的曲线，判断坐标点(d
dq
/d，d
gc
/tc)与确定曲线的位置关系，若坐标点位于曲线上或曲线下方，并且构件不是在交变应力条件下服役，进行(f)。否则，1级评价不满足。其中，图2为api579中的含划痕的凹陷1级评价图，不同仅在于原图中“σ
ys”表示为了调整为“σ
ys
′”
。
83.(f)确定构件的mawp，使用第2步中求的厚度，即利用tc确定mawp，tc为上述的tc＝t
min-loss-fca。如果mawp最大允许工作压力大于或等于目前的设计压力，则该构件是可以继续运作。否则，一级评价不满足。其中，可以利用api 579中的方法来确定mawp，具体依据api 579标准中附件a第a.2段所记载的方法。
84.如果该构件没有满足第一级评价要求，那么它们的组合应当被考虑进行修理、更换、废弃构件或通过修复技术调整fca。
85.步骤s20：确定山地安全系数的修正因子。
86.在该步骤中，主要是利用mipca模型和waspas方法来进行，其中，mipca用于筛选出
与管道划痕凹陷缺陷相关的风险因素；waspas根据筛选出的风险因素对不同观测点的综合评价值进行确定。
87.如图1所示，该步骤可包括：选择风险因素组成数据集；利用mipca模型进行归一化处理；采用waspas方法对划痕凹陷缺陷的风险因素进行综合分析；根据综合分析结果，确定所述修正因子。
88.在本实施例中，主成分分析(principal component analysis,pca)是一种将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。但是由于在实际数据集中，变量之间的关系不仅是线性关系，还存在非线性关系，因此，互信息方法就被引入作为特征处理的一种新的方式。由于互信息是以信息理论为基础，具有反映变量之间全部信息的优点，因此互信息与主成分分析的结合具有更好的变量选择优势，也就形成了mipca模型。mipca的计算过程包括：
89.(1)假设共选择出p个风险因素(即自变量)组成数据集x，x＝[x1,x2,
…
,x
p
]，则他们之间的互信息矩阵为：
[0090][0091]
(2)计算互信息矩阵的特征值，并按照降序对其进行排列，找到对应的特征向量，公式如下：
[0092]
b'∑i
x
b＝λ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0093]
其中，b(b1,b2,...,b
p,
)是一个关于特征向量bβ的矩阵，b'是b的转置，λ(μ1,μ2,...,μ
p,
)是一个包含特征值μ的对角阵。
[0094]
(3)计算互信息的主成分，公式如下：
[0095]
z＝b'x
ꢀꢀꢀ
(3)
[0096]
其中，z(z1,z2,
…
,z
p
)是一个关于主成分的矩阵，zk＝b'kxk(k＝1,2,
…
,p)。
[0097]
(4)计算特征的维度m，公式如下：
[0098][0099]
其中，σk是第k个主成分的贡献率；
[0100][0101]
其中，δk是前k个主成分的贡献率之和，一般来说，当δk达到85％～95％时，m＝k。
[0102]
在本实施例中，waspas主要包括三个步骤，分别代表三个优化：
[0103]
(1)可以实现指标的精确评估，计算公式如下：
[0104][0105]
其中，wj为第j个属性集的权重，wj为可认为是上述主成分的贡献度σk，或者，wj可
由ahp求得；
[0106]
n表示属性集的总数；q
i(1)
表示第i个观测点的第一个评价值；表示标准化后的第j个属性集cj中的第i个观测点的分值，计算公式如下：
[0107][0108]
其中，c
ij
表示第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
[0109]
其中，属性集是数据集经过mipca模型处理后与决策属性相关性较高的条件属性集。
[0110]
(2)能够突出当前数据对模型准确性的贡献度，计算公式如下：
[0111][0112]
其中，q
i(2)
表示第i个观测点的第二个评价值。
[0113]
(3)将(1)与(2)结果相加，从而实现指标评价与数据贡献度的结合，提高评价结果的准确性，计算公式如下：
[0114][0115]
其中，qi为第i个观测点的综合评价值，λ、1-λ分别为q
i(1)
和q
i(2)
的贡献度，λ＝0,
…
,1。
[0116]
在本实施例中，安全系数的修正因子计算公式如下：
[0117][0118]
其中，a是安全系数的修正因子，qi为第i个观测点的综合评价值，min是所有观测点的综合评价值中的最小值，max是所有观测点的综合评价值中的最大值。
[0119]
综上，针对山地复杂地理环境，本发明筛选出与管道划痕凹陷缺陷相关的风险因素，然后根据相关的标准设定这些风险因素的评分体系，并且根据案例数据对各个点的所有风险因素进行评分，最终确定安全系数的修正因子。
[0120]
步骤s30：确定山地管道划痕凹陷评价最小屈服应力。
[0121]
具体地，该步骤可包括：根据步骤s10中的评价模型和步骤s30中的安全系数的范围，进行山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价。
[0122]
在本实施例中，将求得的修正因子a与最小屈服强度进行结合，考虑山地安全修正因子后的山地划痕凹陷管道的最小屈服强度σ
ys
′
，σ
ys
′
＝σ
ys
×
a。
[0123]
步骤s40：考虑山地安全系数修正因子的划痕凹陷缺陷管道评价。
[0124]
具体地，将步骤s30和s10结合，来进行山地管道划痕凹陷缺陷评价。即，将步骤s30中的最小屈服强度σ
ys
′
带入步骤s10中，进行评价。
[0125]
与现有技术相比，本发明的山地管道凹陷划痕组合缺陷的评价方法的优点可包括：
[0126]
(1)本发明充分考虑到山地管道所受周围复杂载荷的特性，并且选择保守的安全计算方式，增加了山地安全修正因子，能够对易发生地质灾害区域划痕凹陷管段进行更加
精确的评价，因此该评价方法可以是完整性管理的重要部分，可以帮助制定维修计划，有利于管道安全运行。
[0127]
(2)本发明充分考虑到山地管道所受载荷以及地理环境的复杂性，对于山地管道规定最小屈服强度的确定增加山地管道安全修正因子进行更严苛的约束，较为准确的反映山地管道在划痕凹陷影响下管道状况。
[0128]
(3)相较于api 579的划痕凹陷管道评价模型，本发明针对山地管道有更高的准确性。
[0129]
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。