一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法

摘要

本发明公开一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法，所述含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法通过对样本点进行抽样模拟，然后利用插值法计算缺陷的失效概率及管道的可靠度，该方法计算简单、耗时短、精度较高且能够较好地反映实际结果，解决了现有技术中的技术方法在现实处理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大，而且占用的内存较大的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及油气管道技术领域，尤其涉及一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度 计算方法。

背景技术

油气管道关系着国家重要经济命脉，其安全问题不容忽视。为防患于未然， 需就管道不同失效原因及失效模式，对其性能开展相关评价，为制定维修维护 计划提供依据。针对含缺陷管体剩余强度的评价，国内外最初多直接采用基于 内检测结果的确定性的评价准则，但由于评价过程中管材的性能参数及载荷参 数等都具有不确定性，导致确定性的方法具有一定的局限性，故从上世纪末开 始，出现了基于概率统计的可靠性评价方法。

针对腐蚀管道的可靠性评价，目前常用的模型为应力-强度干涉模型，可 用极限状态方程Z＝P_f-P＝0的形式表达，式中，P_f代表爆管失效压力，P代表运 行压力，缺陷处的失效概率F即为出现Z≤0状态的概率。则某缺陷处可靠度 R_i＝1-F_i，式中，F_i表示第i个缺陷处的失效概率，R_i表示第i个缺陷处的可靠 度。若某段管道上共有n处缺陷，则此段管道的可靠度R＝R₁R₂…R_i…R_n。对于 应力-强度干涉模型，求解缺陷处的管体失效概率最常用的方法是MonteCarlo 法，该方法程序结构简单，易于实现，可处理含多个不同概率分布的随机变量 的情况。

但该方法收敛速度慢，若计算结果满足一定的精度要求，或对于某些失效 概率很小的缺陷而言，欲得到非零失效概率，则需保证足够的模拟次数(如十 万次或百万次以上)，在现实处理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大， 对于普通电子计算机甚至可能出现内存不足的现象，使用较为不便。

发明内容

本申请提供一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法，解决了现有技术中 的技术方法在现实处理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大，而且占用 的内存较大的技术问题。

本申请提供一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法，所述计算方法包 括：

获取所述管道上的实际腐蚀缺陷总数量以及所述实际腐蚀缺陷的每个腐 蚀缺陷的长度值和深度值，从所述长度值和深度值中选择最小长度L_min、最大 长度L_max、最小深度d_min及最大深度d_max；

将区间(L_max-L_min)和(d_max-d_min)划分为n份，获得n个长度区间(L₁-L_min)、 (L₂-L₁)…(L_max-L_n-1)和n个深度区间(d₁-d_min)、(d₂-d₁)…(d_max-d_n-1)，所 述n为大于等于2的整数；

统计所述n个长度区间的每个长度区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实 际腐蚀缺陷总数量的1/3，若是，则引入点L'_i将对应的区间划分为两段，统计 所述n个深度区间的每个深度区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实际腐蚀缺 陷总数量的1/3，若是，则引入点d'_i将对应的区间划分为两段，所述i为大于 等于0且小于n的整数；

根据所述每个实际腐蚀缺陷的长度值，计算所述n个长度区间的每个长度 区间内的腐蚀缺陷的L/(Rt)^1/2值，若某个长度区间内一半以上的腐蚀缺陷的 L/(Rt)^1/2值介于1～3之间，则引入点L'_j将对应的区间划分为两段；根据所述每 个实际腐蚀缺陷的深度值，计算所述n个深度区间的每个深度区间内的腐蚀缺 陷的d/t值，若某个深度区间内一半以上的腐蚀缺陷的d/t取值介于0.4～0.8之 间，则引入点d'_j将该区间再分成两段，其中，所述R为管道外半径，所述t 为管道壁厚，所述j为大于等于0且小于n的整数；

判断所述引入点L'_i和所述引入点L'_j是否相同，若是，获得长度引入点L₀、 L₁…L'_i…L_n，若否，获得长度引入点L₀、L₁…L'_i、L'_j…L_n，判断所述引入点d'_i和所述引入点d'_j是否相同，若是，获得深度引入点d₀、d₁…d'_i…d_n，若否，获 得深度引入点d₀、d₁…d'_i、d'_j…d_n，根据所述长度引入点和所述深度引入点组 成矩阵，所述矩阵中的各点为插值点；

采用蒙特卡洛方法计算所述插值点的失效概率，根据所述插值点的失效概 率以及所述实际腐蚀缺陷的每个腐蚀缺陷的长度值和深度值，采用插值法获得 各腐蚀缺陷的失效概率，根据所述腐蚀缺陷的失效概率获得该所述管道的可靠 度。

优选地，所述插值法具体为三次样条插值法。

优选地，所述根据所述腐蚀缺陷的失效概率获得该所述管道的可靠度，具 体为：

所述第k个缺陷处的可靠度R_k＝1-F_k，其中，F_k表示第k个缺陷处的失效 概率，R_k表示第k个缺陷处的可靠度，所述管道的实际腐蚀缺陷数量为p，所 述管道的可靠度R＝R₁R₂…R_k…R_p。

优选地，可将区间(L_max-L_min)和(d_max-d_min)划分为n等份。

优选地，所述n等于5。

优选地，所述引入点L'_j将对应的区间划分为相等的两段，所述引入点d'_j将该区间再分成相等的两段。

本申请有益效果如下：

本申请的含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法通过对样本点进行抽样模 拟，然后利用插值法计算实际缺陷的失效概率及可靠度，该方法计算简单、耗 时短、精度较高且能够较好地反映实际结果，解决了现有技术中的技术方法在 现实处理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大，而且占用的内存较大的 技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅 仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请较佳实施方式一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法的 流程图；

图2为图1中的可靠度计算方法插值点矩阵图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法，解决了 现有技术中的技术方法在现实处理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较 大，而且占用的内存较大的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决现有技术中的技术问题，总体思路如 下：

一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法，所述计算方法包括：

获取所述管道上的实际腐蚀缺陷总数量以及所述实际腐蚀缺陷的每个腐 蚀缺陷的长度值和深度值，从所述长度值和深度值中选择最小长度L_min、最大 长度L_max、最小深度d_min及最大深度d_max；

将区间(L_max-L_min)和(d_max-d_min)划分为n份，获得n个长度区间(L₁-L_min)、 (L₂-L₁)…(L_max-L_n-1)和n个深度区间(d₁-d_min)、(d₂-d₁)…(d_max-d_n-1)，所 述n为大于等于2的整数；

统计所述n个长度区间的每个长度区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实 际腐蚀缺陷总数量的1/3，若是，则引入点L'_i将对应的区间划分为两段，统计 所述n个深度区间的每个深度区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实际腐蚀缺 陷总数量的1/3，若是，则引入点d'_i将对应的区间划分为两段，所述i为大于 等于0且小于n的整数；

根据所述每个实际腐蚀缺陷的长度值，计算所述n个长度区间的每个长度 区间内的腐蚀缺陷的L/(Rt)^1/2值，若某个长度区间内一半以上的腐蚀缺陷的 L/(Rt)^1/2值介于1～3之间，则引入点L'_j将对应的区间划分为两段；根据所述每 个实际腐蚀缺陷的深度值，计算所述n个深度区间的每个深度区间内的腐蚀缺 陷的d/t值，若某个深度区间内一半以上的腐蚀缺陷的d/t取值介于0.4～0.8之 间，则引入点d'_j将该区间再分成两段，其中，所述R为管道外半径，所述t 为管道壁厚，所述j为大于等于0且小于n的整数；

判断所述引入点L'_i和所述引入点L'_j是否相同，若是，获得长度引入点L₀、 L₁…L'_i…L_n，若否，获得长度引入点L₀、L₁…L'_i、L'_j…L_n，判断所述引入点d'_i和所述引入点d'_j是否相同，若是，获得深度引入点d₀、d₁…d'_i…d_n，若否，获 得深度引入点d₀、d₁…d'_i、d'_j…d_n，根据所述长度引入点和所述深度引入点组 成矩阵，所述矩阵中的各点为插值点；

采用蒙特卡洛方法计算所述插值点的失效概率，根据所述插值点的失效概 率以及所述实际腐蚀缺陷的每个腐蚀缺陷的长度值和深度值，采用插值法获得 各腐蚀缺陷的失效概率，根据所述腐蚀缺陷的失效概率获得该所述管道的可靠 度。

本申请的含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法通过对样本点进行抽样模 拟，然后利用插值法计算缺陷的失效概率及可靠度，该方法计算简单、耗时短、 精度较高且能够较好地反映实际结果，解决了现有技术中的技术方法在现实处 理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大，而且占用的内存较大的技术问 题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方 式对上述技术方案进行详细的说明。

为了解决现有技术中的技术方法不仅工时耗费较大，而且占用的内存较大 的技术问题，本申请提供一种含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法。如图1所 示，所述计算方法包括：

步骤S11：获取所述管道上的实际腐蚀缺陷总数量以及所述实际腐蚀缺陷 的每个腐蚀缺陷的长度值和深度值，从所述长度值和深度值中选择最小长度 L_min、最大长度L_max、最小深度d_min及最大深度d_max；

步骤S12：将区间(L_max-L_min)和(d_max-d_min)划分为n份，获得n个长度 区间(L₁-L₀)、(L₂-L₁)…(L_n-L_n-1)和n个深度区间(d₁-d₀)、(d₂-d₁)…(d_n-1-d_n)， 其中，所述L₀＝L_min，所述L_n＝L_max，所述d₀＝d_min，所述d_n＝d_max，所述n为大于 等于2的整数。优选地，在具体实现方式中，可将区间(L_max-L_min)和(d_max-d_min) 划分为n等份。具体地，所述n等于5。

步骤S13：统计所述n个长度区间的每个长度区间内的腐蚀缺陷数量，判 断每个区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实际腐蚀缺陷总数量的1/3，若是， 则引入点L'_i将对应的区间划分为两段；

统计所述n个深度区间的每个深度区间内的腐蚀缺陷数量，判断每个深度 区间内的腐蚀缺陷数量是否超过所述实际腐蚀缺陷总数量的1/3，若是，则引 入点d'_i将对应的区间划分为两段，所述i为大于等于0小于n的整数。

步骤S14：根据所述每个实际腐蚀缺陷的长度值，计算所述n个长度区间 的每个长度区间内的腐蚀缺陷的L/(Rt)^1/2值，若某个长度区间内一半以上的腐 蚀缺陷的L/(Rt)^1/2值介于1～3之间，则引入点L'_j将对应的区间划分为两段；

根据所述每个实际腐蚀缺陷的深度值，计算所述n个深度区间的每个深度 区间内的腐蚀缺陷的d/t值，若某个深度区间内一半以上的腐蚀缺陷的d/t取值 介于0.4～0.8之间，则引入点d'_j将该区间再分成两段，其中，所述R为管道外 半径，所述t为管道壁厚。

步骤S15：判断所述引入点L'_i和所述引入点L'_j是否相同，若是，获得长 度引入点L₀、L₁…L'_i…L_n，若否，获得长度引入点L₀、L₁…L'_i、L'_j…L_n；

判断所述引入点d'_i和所述引入点d'_j是否相同，若是，获得深度引入点d₀、 d₁…d'_i…d_n，若否，获得深度引入点d₀、d₁…d'_i、d'_j…d_n；

根据所述长度引入点和所述深度引入点组成矩阵，所述矩阵中的各点为插 值点。

步骤S16：采用蒙特卡洛方法计算所述插值点的失效概率，根据所述插值 点的失效概率以及所述实际腐蚀缺陷的每个腐蚀缺陷的长度值和深度值，采用 插值法获得各腐蚀缺陷的失效概率，根据所述腐蚀缺陷的失效概率获得该所述 管道的可靠度。

其中，所述插值法具体为三次样条插值法，采用三次样条插值法计算简单、 稳定性好、收敛性有保证且易在电子计算机上实现。

具体地，所述根据所述腐蚀缺陷的失效概率获得该所述管道的可靠度，具 体为：

所述第k个缺陷处的可靠度R_k＝1-F_k，其中，F_k表示第k个缺陷处的失效 概率，R_k表示第k个缺陷处的可靠度，所述管道的实际腐蚀缺陷数量为p，所 述管道的可靠度R＝R₁R₂…R_k…R_p。

具体地，所述引入点L'_j将对应的区间划分为相等的两段，所述引入点d'_j将该区间再分成相等的两段。

以下通过举例进行说明：

如某35.2km天然气管道(壁厚t＝7mm，管道半径R＝213mm)，内检测报 告显示该段管道共有3923个腐蚀缺陷，其所有缺陷轴向长度L和深度d的最 小及最大值分别为L_min＝5mm、L_max＝934mm、d_min＝1％t、d_max＝55％t。

分析腐蚀缺陷数据，首先取所有实际缺陷长度L和深度d的最小及最大值 L_min＝5mm、L_max＝934mm、d_min＝1％t、d_max＝55％t，并分别将区间(L_max-L_min)及 (d_max-d_min)5等份(即n＝5)，得到分布点L₀＝L_min＝5mm、L₁＝191mm、L₂＝377mm、 L₃＝563mm、L₄＝749mm、L₅＝L_max＝934mm及d₀＝d_min＝1％t、d₁＝12％t、d₂＝23％t、 d₃＝34％t、d₄＝45％t、d₅＝d_max＝55％t。

统计各长度及深度区间缺陷数量。将(L_max-L_min)划分出的5个长度区间 (L₁-L₀)、(L₂-L₁)、(L₃-L₂)、(L₄-L₃)、(L₅-L₄)分别含缺陷3841个、71个、8 个、2个和1个，其中(L₁-L₀)区间内缺陷数量超过管道缺陷总数的1/3(1307)， 则引入点L'₀将(L₁-L₀)区间再分成两段；将(d_max-d_min)划分出的5个缺陷深 度区间(d₁-d₀)、(d₂-d₁)、(d₃-d₂)、(d₄-d₃)、(d₅-d₄)分别含缺陷2768个、1026 个、109个、14个和6个，其中(d₁-d₀)区间内缺陷数量亦超过管道缺陷总数 的1/3，则引入点d'₀将该区间再分成两段。

利用腐蚀缺陷尺寸(长度和深度)，计算实际各缺陷处L/(Rt)^1/2及d/t的值， 式中R为管道外半径，t为管道壁厚。(L_max-L_min)划分出的5个长度区间(L₁-L₀)、 (L₂-L₁)、(L₃-L₂)、(L₄-L₃)、(L₅-L₄)内缺陷的L/(Rt)^1/2取值介于1～3的数量 分别为895个、0个、0个、0个、0个，均不足各区间内缺陷总数的一半，则 不需引入点L'_i；(d_max-d_min)划分出的5个深度区间(d₁-d₀)、(d₂-d₁)、(d₃-d₂)、 (d₄-d₃)、(d₅-d₄)内缺陷的d/t取值介于0.4～0.8的数量分别为0个、0个、0 个、1个、6个，其中(d₅-d₄)区间内所有缺陷有一半以上超过0.4～0.8，则引 入点d'₄将该区间再分成两段，这样得到如图2所示的矩阵，矩阵中各L_x,d_y(含 L_x,d'_y、L'_x,d_y)点即为插值点。

计算上述得到的56个插值点样本值，采用蒙特卡洛方法计算各插值点处 失效概率。

蒙特卡洛方法具体计算过程如下：

建立极限状态方程Z＝P_f-P＝0，式中，P_f代表爆管失效压力，P代表运行压 力，本发明选择ASMEB31G-2012中RSTRENG0.85dL方法求解P_f。

$P_f=\left(\frac{2t}{D}\right)(SMYS+68.95)\left[\frac{1-0.85\frac{d}{t}}{1-\left(0.85\frac{d}{t}\right)M^{-1}}\right]---\left(1\right)$

其中，

SMYS：管钢公称最小屈服强度[MPa]

t：管壁厚度[mm]

d：腐蚀缺陷深度[mm]

D：管道外径[mm]

M：鼓胀因子(FoliasFactor)[无量纲]

对于$\frac{L^2}{Dt}\le 50,$

$M={[1+\frac{1.255}{2}\frac{L^2}{Dt}-\frac{0.0135}{4}\frac{L^4}{D^2{t}^2}]}^{1/2}---\left(2\right)$

对于$\frac{L^2}{Dt}>50,$

$M=0.032\frac{L^2}{Dt}+3.3---\left(3\right)$

在计算出各插值点处失效概率后，根据各插值点处失效概率计算实际缺陷 处的失效概率，具体利用管道上所有腐蚀缺陷的实际尺寸，采用三次样条插值 法计算各缺陷处的失效概率。

最后计算整段管道可靠度，利用各缺陷处的失效概率，可求得各缺陷处可 靠度R_k＝1-F_k，式中，F_k表示第k个缺陷处的失效概率，R_k表示第k个缺陷处 的可靠度，则此段管道的可靠度R＝R₁R₂…R_k…R₃₉₂₃。

本申请的含腐蚀缺陷的管道的可靠度计算方法通过对样本点进行抽样模 拟，然后利用插值法计算缺陷的失效概率及可靠度，该方法计算简单、耗时短、 精度较高且能够较好地反映实际结果，解决了现有技术中的技术方法在现实处 理管道成千上万处缺陷时，不仅工时耗费较大，而且占用的内存较大的技术问 题。

如具体实施方式，若采用蒙特卡洛方法对3923个腐蚀缺陷分别进行5万 次抽样模拟，大约使用4.5小时(八核CPU)，且存储结果时曾出现蓝屏；而 采用本发明中的方法，对56个样本点进行10万次抽样模拟，耗时大约1小时， 后续插值法求解3923个缺陷失效概率(及可靠度)所耗时间也仅为几分钟， 大幅度减少耗时，且保证了较高精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要 求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。