管道安全系数及修正因子确定方法、局部腐蚀评价方法与流程

1.本发明涉及管道评价领域，特别地，涉及管道安全系数及修正因子确定方法、局部腐蚀评价方法。


背景技术：

2.根据相关统计的数据，世界上有21636公里的石油管道和55982公里的天然气管道。根据现有数据保守估计，截至2015年，全球范围内在管道腐蚀相关的投入已达2.5万亿美元。管道腐蚀引发的事故不仅会对经济产生影响，还会威胁人类安全以及造成环境破坏。因此，管网的可靠性对社会稳定和经济发展有着重要影响。
3.目前，api579剩余强度评价方法是最常见的局部腐蚀管道剩余强度评价方法之一，该方法可评价一般形式的金属损失，包括出现在管道内壁和外壁的两种形式。api579准则采用了按照壁厚平均法进行评价的方法，提供了相对完整的评价体系。准则建立了分级评价体系，对含有局部腐蚀的缺陷的管道进行三级评价。api579剩余强度评价方法对于管道完整性管理具有重要意义。
4.山区，特别是西南山区，高原、山谷、河流、沟壑交织纵横，地质条件复杂，管道运行难度系数大，土壤性质变化多样、腐蚀性普遍较强，并且山区地域多雨且气温较高，管道易受外部环境的影响发生腐蚀，管道失效发生风险较大。
5.因此，考虑到西南管道地理位置条件复杂，土壤环境变化多样，api579 剩余强度评价方法对西南山区管道的剩余强度评价不够精确。


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对易发生地质灾害区域的管段进行更加精确的评价。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法。
8.所述方法可包括以下步骤：确定山地管道局部腐蚀失效压力的计算模型；确定山地管道局部腐蚀安全系数的修正因子；结合所述修正因子，确定山地管道局部腐蚀安全系数的范围；根据所述失效压力的计算模型和所述安全系数的范围，进行山地管道局部腐蚀剩余强度的评价。
9.进一步地，所述计算模型可包括：
10.其中，pf为失效压力，smys为最小屈服强度，r为管道内半径，m
t
为傅里叶因子，r
t
为剩余厚度比，tc为剩余厚度。
11.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方法对局部腐蚀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。
12.进一步地，利用下式进行所述综合分析：
13.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。
14.进一步地，根据下式来确定所述修正因子：
15.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。
16.进一步地，所述根据下式来确定：
17.其中，c
ij
表示第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
18.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。
19.进一步地，根据下式确定所述安全系数的范围：
[0020][0021]
其中，sf为安全系数，p为设计压力，ph为最小水压试验压力，maop 为最大允许操作压力，p0为操作压力，f为设计系数，a为修正因子。
[0022]
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％。
[0023]
本发明另一方面提供了一种山地管道安全系数的修正因子的确定方法。
[0024]
所述方法可包括以下步骤：
[0025]
选择管道缺陷的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。
[0026]
在本实施例中，管道缺陷可包括局部腐蚀、裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷或弯头缺陷。
[0027]
所述山地管道安全系数的修正因子的确定方法可以与上述山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法中确定修正因子的步骤大体相同，不同之处在于，风险因素不仅可以是局部腐蚀的风险因素，还可以是其他缺陷的风险因素，例如裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷、弯头缺陷等。
[0028]
本发明再一方面提供了一种山地管道安全系数的确定方法。
[0029]
所述方法可包括：根据下式确定所述安全系数的范围，
[0030][0031]
其中，sf为安全系数，p为设计压力，ph为最小水压试验压力，maop 为最大允许操
作压力，p0为操作压力，f为设计系数；a为修正因子，其根据上述安全系数修正因子的确定方法来确定。
[0032]
所述山地管道安全系数的确定方法可以与上述山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法中确定安全系数范围的步骤大体线条相同。不同之处在于，风险因素不仅可以是局部腐蚀的风险因素，还可以是其他缺陷的风险因素，例如裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷、弯头缺陷等。
[0033]
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：
[0034]
(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局部腐蚀影响下管道状况。
[0035]
(2)相较于常规的局部腐蚀管道剩余强度评价模型，本发明针对管道的评价有更高的准确性，尤其是针对易发生地质灾害区域裂纹缺陷管段，本发明能够进行更加精确的评价。
[0036]
(3)在管道完整性管理中，腐蚀增长情况对于确定内检测间隔和制定合适的维修计划至关重要，因此，本发明能够为管道的危险缺陷提供参考依据，是管道完整性管理的重要部分，可以帮助确定内检测周期以及制定维修计划，有利于管道安全运行。
附图说明
[0037]
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：
[0038]
图1示出了本发明的山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法的一个流程示意图。
具体实施方式
[0039]
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的管道安全系数及修正因子确定方法、局部腐蚀评价方法。
[0040]
山地管道的腐蚀问题非常突出，在众多腐蚀失效案例中，局部腐蚀所占比例往往比全面腐蚀大得多，油气集输管道外部长期受到土壤、杂散电流的腐蚀，内部受包含h2s、co2、ci-等腐蚀性介质的油、气、水的侵蚀，极易发生以点蚀为代表的局部腐蚀。当腐蚀缺陷深度较小时，油气管道失效压力对局部腐蚀缺陷直径不敏感，当局部腐蚀缺陷深度达到管道壁厚的0.6倍以后，局部腐蚀缺陷外表面直径对油气管道失效压力的影响急剧加大。
[0041]
考虑到西南管道所受周围复杂载荷的特性，本发明选择apirp579局部腐蚀失效应力计算模型，同时选择保守的安全系数计算方式，增加山地安全系数修正因子，用于对易发生地质灾害区域管段进行更加精确的评价。
[0042]
示例性实施例1
[0043]
本示例性实施例提供了一种山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法。图 1示出了本发明的山地管道局部腐蚀剩余强度的评价方法的一个流程示意图。
[0044]
如图1所示，所述评价方法包括以下步骤：
[0045]
步骤s10：确定apirp579局部腐蚀失效应力计算模型。
[0046]
apirp579剩余强度评价方法适用于相互作用缺陷或复杂缺，考虑内压、轴向压力，弯矩在内的各种载荷类型。
[0047]
对于局部腐蚀缺陷，api579(即apirp579)给出的失效压力计算公式如下：
[0048][0049]
其中，rsfa为许用剩余强度因子，取值0.9；tc为剩余厚度；r为管道内半径；smys为最小屈服强度。
[0050]
rsf为剩余强度因子，
[0051]
其中，r
t
为剩余厚度比，该式中，t
mm
为平均测试壁厚， fca为未来腐蚀裕量，
[0052]mt
为傅里叶因子，其中，λ为壳体参数，式中，s为腐蚀缺陷轴向长度，d为内径。
[0053]
综上所述，失效压力计算公式可改写如下：
[0054][0055]
其中，pf为失效压力，smys为最小屈服强度，r为管道内半径，m
t
为傅里叶因子，r
t
为剩余厚度比，tc为剩余厚度。
[0056]
步骤s20：确定山地安全系数的修正因子。
[0057]
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。
[0058]
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方法对局部腐蚀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。
[0059]
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：
[0060]
(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：
[0061][0062]
(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：
[0063][0064]
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。
[0065]
(3)计算互信息的主成分，公式如下：
[0066]
z＝b'x
ꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
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)。
[0068]
(4)计算特征的维度m，公式如下：
[0069][0070]
其中，σk是第k个主成分的贡献率；
[0071][0072]
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。
[0073]
在本实施例中，waspas主要包括三个步骤，分别代表三个优化：
[0074]
(1)可以实现指标的精确评估，计算公式如下：
[0075][0076]
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；
[0077]
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：
[0078][0079]
其中，c
ij
表示第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
[0080]
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。
[0081]
(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：
[0082][0083]
其中，q
i(2)
表示第i个观测点的第二个评价值。
[0084]
(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：
[0085][0086]
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。
[0087]
在本实施例中，安全系数的修正因子计算公式如下：
[0088][0089]
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。
[0090]
综上，针对山地复杂地理环境，本发明在管道相关标准的基础上将局部腐蚀的其他风险因素进行融合，采用mipca-waspas相结合的方法对asmeb31g中的安全系数进行修正，如，筛选出与管道局部腐蚀相关的风险因素，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。
[0091]
步骤s30：确定山地管道局部腐蚀安全系数范围。
[0092]
考虑到山地管道所受载荷复杂，山地地理环境复杂，油气管道所受威胁变数更大等影响，本发明根据更加保守的asme b31g-2012来确定安全系数，同时增加山地管道安全系数修正因子进行更严苛的约束，较为准确的反映山地管道在局部腐蚀影响下管道状况，即：
[0093][0094]
其中，sf为安全系数，p为设计压力，ph为最小水压试验压力，maop 为最大允许操作压力，p0为操作压力；
[0095]
pf为预测失效压力，为设计压力p与设计系数f的比值，即pf为pf的最大值。
[0096]
步骤s40：考虑山地安全系数修正因子的局部腐蚀管道剩余强度评价。
[0097]
具体地，该步骤可包括：根据步骤s10中的计算模型和步骤s30中的安全系数的范围，进行山地管道局部腐蚀剩余强度的评价。
[0098]
具体地，增加山地安全系数修正因子，结合apirp579局部腐蚀失效应力计算模型对含局部腐蚀的山地管道安全系数进行修正，得出山地局部腐蚀管道剩余强度评价中的安全系数。
[0099]
示例性实施例2
[0100]
本示例性实施例提供了一种山地管道安全系数的修正因子的确定方法。所述方法可包括以下步骤：
[0101]
选择管道缺陷的风险因素组成数据集；
[0102]
利用mipca模型进行归一化处理；
[0103]
采用waspas方法对局部腐蚀的风险因素进行综合分析；
[0104]
根据综合分析结果，确定所述修正因子。
[0105]
在本实施例中，管道缺陷可包括局部腐蚀、裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷、弯头缺陷等。
[0106]
在本实施例中，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。
[0107]
在本实施例中，可以利用下式进行所述综合分析：
[0108][0109]
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。
[0110]
在本实施例中，可以根据下式来确定所述修正因子：
[0111][0112]
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。
[0113]
在本实施例中，所述可以根据下式来确定：
[0114]
其中，c
ij
表示第j个属性集cj中的第i个观测点的分值。
[0115]
在本实施例中，修正因子的确定方法可以大体上与示例性实施例1中的相关步骤相同，不同之处在于：风险因素不仅可以是局部腐蚀的风险因素，还可以是其他缺陷的风险因素，例如裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷、弯头缺陷等。
[0116]
示例性实施例3
[0117]
本示例性实施例提供了一种山地管道安全系数的确定方法。
[0118]
所述方法包括：根据下式确定所述安全系数的范围，
[0119][0120]
其中，sf为安全系数，p为设计压力，ph为最小水压试验压力，maop 为最大允许操作压力，p0为操作压力；
[0121]
pf为预测失效压力，pf的最大值为设计压力p与设计系数f的比值，即
[0122]
a为修正因子，其可以根据示例性实施例1中所述修正因子的确定方法来确定。
[0123]
在本实施例中，安全系数的确定方法可以大体上与示例性实施例1中的相关步骤相同，不同之处在于：风险因素不仅可以是局部腐蚀的风险因素，还可以是其他缺陷的风险因素，例如裂纹缺陷、凹陷-划痕组合缺陷、弯头缺陷等。
[0124]
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。