CN101915728A - 埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法 - Google Patents

Abstract

埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，涉及一种测试方法。包括下列步骤：(1)对影响埋地金属给水管道腐蚀的环境因素和管道内水质变化条件的不同时段检测数据输入到计算机中；(2)对收集数据应用数理统计的方法在计算机中分别计算，并建立一元非线性回归方程；(3)应用灰色理论的计算方法计算影响管道腐蚀各因素的权重值；(4)建立埋地金属给水管道腐蚀速率模型(内腐蚀模型、外腐蚀模型)；(5)根据土壤腐蚀速率的电化学模型，分别对均匀腐蚀、局部腐蚀、点腐蚀建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，并应用近似解析法计算埋地金属给水管道剩余寿命。本发明为进行管道更新改造和提高供水系统安全性提供技术参考。

Description

埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，特别是涉及一种埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法。

背景技术

给水管道是城镇供水系统的重要组成部分，保证供水系统的安全运行，直接影响到供水企业的经济效益和社会效益。目前，我国90％以上的供水管道是铸铁管、钢管、球墨铸铁管等金属管材(统称金属给水管道)，近几年新建的给水管道仍有85％采用金属管道。随着给水管道内部水质成份、流态以及受到土壤多样性、不流动性、不均匀性、时间季节性和地域性的影响，给水管道内部不可避免的会产生内腐蚀与外腐蚀现象。据有关统计资料显示，我国地下给水管道2003年泄漏事故中，由管道腐蚀引起的泄漏占67.23％，由此可见，给水管道的漏失主要是由腐蚀问题引起的。除此之外，由于管网内腐蚀使得水质达标的城镇供水在管网输送过程中发生“二次污染”，水质出现不同程度的下降，严重时出现用户水质指标超标以及管网“红水”、“有色水”、“黑水”等现象，对人民生活及工业用水的安全和正常使用造成严重影响。因此，在饮用水工业中，管道腐蚀长期以来都是影响改善和提高用户水质的一个重大瓶颈问题，受到各国的重视。对给水管道进行剩余寿命预测研究，有利于进行预知性维修，排除故障隐患，最大限度的减少爆管事故发生，可减少给水管道漏失量，实现居民给水系统的安全供水，保障供水水质的安全可靠。

我国供水企业关于供水管道腐蚀的研究工作起步较晚，绝大多数城镇的给水管道仍没有建立起相对完整有效的腐蚀防护体系，供水管道腐蚀状况普遍十分严重。管道内腐蚀主要受溶解氧、pH、余氯、流速条件等影响，管道外腐蚀主要受含盐量、含水量、pH、管地电位、氧化还原电位、碳酸根离子浓度、氯离子浓度、硫酸根离子浓度影响，目前我国仅对管道腐蚀的单因数影响展开研究。本发明是首次将给水管道内腐蚀与外腐蚀相结合，综合考虑埋地金属给水管道内外腐蚀影响因素，建立给水管道腐蚀剩余寿命预测模型，将灰色理论算法引入到给水管道剩余寿命预测中，解决了我国城镇供水企业在实际生产中积累管道腐蚀统计资料少，腐蚀影响因素测量中带有一定的不确定性和模糊性等问题。通过编制的埋地金属给水管道剩余寿命预测计算程序，计算埋地金属给水管道腐蚀剩余寿命，有利于检修人员进行检测、维修和更换，为维持城镇供水系统的正常运行提供决策依据，确保了供水的安全性和可靠性，对控制和提高管网水质具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过对影响埋地金属给水管道内腐蚀及外腐蚀因素的测量值，应用灰色理论，通过关联分析措施提取建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型所需的影响因数变量，建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型；通过编制的埋地金属给水管道剩余寿命预测程序，有效预测、测试出埋地金属给水管道的剩余寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

(1)使用支持Visual Basic 6.0和MATLAB的计算机，将收集的影响埋地金属给水管道腐蚀的因素数据资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；

(2)调用硬盘中收集的因素数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；

(3)对经过初步处理后的数据在MATLAB中进行一元非线性函数计算，并进行误差分析，保证计算结果的准确性；

(4)应用灰色理论算法在计算机中通过程序分别计算影响腐蚀因素的相关度和权重值；

(5)根据各因素权重值确定多因素影响下埋地金属给水管道内腐蚀平均速率和外腐蚀平均速率，保证腐蚀速率预测的准确性；

(6)根据埋地金属给水管道内腐蚀速率和外腐蚀速率计算腐蚀管道缺陷的临界尺寸，并确定埋地金属给水管道最大腐蚀深度；

(7)根据土壤腐蚀速率的电化学模型和最大腐蚀深度值，分别对均匀腐蚀、局部腐蚀、点腐蚀建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，并应用近似解析法计算埋地金属给水管道剩余寿命；

(8)应用Visual Basic 6.0在计算机中对目标函数进行编码和优化，向计算机中输入各影响因素测量值，可实现埋地金属给水管道剩余寿命的计算，并打印机输出计算结果。

所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测模型建立的步骤如下：

(1)建立埋地金属给水管道腐蚀因素的腐蚀速率一元非线性回归方程；

(2)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，逐个计算每个腐蚀速率预测指标序列与腐蚀速率参考序列对应元素的绝对差值；

(3)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，分别计算每个腐蚀速率预测序列与腐蚀速率参考序列对应元素的关联系数及给水管道内外腐蚀因素与腐蚀速率参考序列对应元素的相关度；

(4)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，先确定埋地金属给水管道中的腐蚀形态；

(5)根据土壤腐蚀速率的电化学模型和最大腐蚀深度值，建立剩余寿命预测模型

所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，所述的运用灰色理论算法预测埋地金属给水管道剩余寿命的实现过程，包括下列步骤：

(1)使用能够支持Visual Basic 6.0和MATLAB的计算机，将所收集的影响埋地金属给水管道腐蚀的各因素数据资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；

(2)调用硬盘中收集的各因素数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；

(3)对经过初步处理后的数据在MATLAB中进行一元非线性函数计算和误差分析，确定各影响因素的函数方程；

(4)在计算机中编制下列计算过程的程序，实现埋地金属给水管道腐蚀在多因素影响下腐蚀速率的计算：

(5)根据相关公式确定埋地金属给水管道轴向最小要求壁厚

和周向最小要求壁厚

(6)由步骤(5)的计算结果确定埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min

$H_{\min }=\max (H_{\min }^C,H_{\min }^L);$

(7)结合埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min，由下列公式确定埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max

H_max＝H₀-R_t·H_min；

(8)由埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max和土壤腐蚀速率的电化学模型及最大腐蚀深度值，结合外腐蚀电化学模型和内腐蚀模型，确定埋地金属给水管道剩余寿命T_S；

(9)应用Visual Basic 6.0在计算机中对目标函数进行编码和优化，向计算机中输入各影响因素测量值，实现埋地金属给水管道剩余寿命的计算，并有打印机输出计算结果。

本发明的优点与效果是：

目前，我国城镇供水企业对埋地金属给水管道的剩余寿命研究很少，而某些服役期内的埋地金属给水管线由于受管内外腐蚀影响，使得供水管道过早老化，爆管问题日益严重，降低了供水可靠性，增加了管网运行动力费用，直接影响供水企业和用户的经济效益和社会效益。本发明通过建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，有效预测给水管道的剩余寿命，为工作人员及时对给水管网进行维护与改建，提供可靠的技术依据，使城镇供水企业获得最大的利益。

附图说明

图1为本发明测试方法的流程方框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

本发明为了解决城镇给水管道因缺乏腐蚀预测使得管道不能及时修复与更换，引起管道渗漏和供水水质污染，严重影响居民与工业的供水安全与供水水质的问题，本发明首次将给水管道内腐蚀与外腐蚀相结合，充分考虑给水管道的内、外腐蚀形态，建立了给水管道剩余寿命预测模型。在给水管道剩余寿命预测中，采用最小二乘法的指数拟合和多项式拟合计算单因素影响下的腐蚀速率，并应用MATLAB软件进行计算，减少了腐蚀速率预测偏差；引入灰色理论，建立给水管道内外腐蚀速率的灰关联定权组合模型，该方法可以克服统计样本少，测量数据带有一定的模糊性和不确定性问题，充分考虑管道内外腐蚀因素对腐蚀速率的影响，保证了剩余寿命预测结果的准确性。

本发明根据埋地金属给水管道剩余寿命预测方法，编制埋地金属给水管道剩余寿命预测的计算机应用程序。为城镇供水企业对管道的维修更换提供决策依据，确保了供水的安全性和可靠性，对控制和提高管网水质具有极其重要的意义。

下面针对本发明中关于埋地金属给水管道剩余寿命预测模型建立的具体步骤做如下详述：

(1)建立埋地金属给水管道腐蚀因素的腐蚀速率一元非线性回归方程，采用灰色理论算法将腐蚀速率的计算结果作为预测指标序列组成m个数据序列形成的矩阵；

(2)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，逐个计算每个腐蚀速率预测指标序列与腐蚀速率参考序列对应元素的绝对差值；

(3)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，分别计算每个腐蚀速率预测序列与腐蚀速率参考序列对应元素的关联系数及给水管道内外腐蚀因素与腐蚀速率参考序列对应元素的相关度，由此计算影响埋地金属给水管道腐蚀速率的权重值，并建立埋地金属给水管道腐蚀速率的组合预测模型

$\hat{Y}=(t+1)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{\hat{Y}}_i(t+1)$

(4)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，先确定埋地金属给水管道中的腐蚀形态，由各腐蚀形态建立相应的几何模型，并计算埋地金属给水管道腐蚀中的缺陷尺寸，再有埋地金属给水管道轴向最小要求壁厚和周向最小要求壁厚，确定埋地金属给水管道最小要求壁厚h_min，由最小要求壁厚及相关公式可计算出给水管道对应的最大腐蚀深度h_max，并按照腐蚀标准进行评判，当超过腐蚀标准要求时，埋地金属给水管道最大腐蚀深度h_max，按照腐蚀标准进行取值；

(5)根据土壤腐蚀速率的电化学模型和最大腐蚀深度值，建立剩余寿命预测模型

并应用近似解析法计算埋地金属给水管道剩余寿命。其中对于均匀腐蚀、局部腐蚀、点腐蚀剩余寿命计算时，分别对埋地金属给水管道剩余寿命的预测结果乘以

下面针对本发明中在运用灰色理论算法预测埋地金属给水管道剩余寿命的实现过程的步骤作如下详述：

(1)使用能够支持Visual Basic 6.0和MATLAB的计算机，将所收集的影响埋地金属给水管道腐蚀的各因素数据资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；

(2)调用硬盘中收集的各因素数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；

(3)对经过初步处理后的数据在MATLAB中进行一元非线性函数计算和误差分析，确定各影响因素的函数方程；

(4)在计算机中编制下列计算过程的程序，实现埋地金属给水管道腐蚀在多因素影响下腐蚀速率的计算：

1)由一元非线性回归方程，将计算结果作为预测指标序列组成m个

数据序列形成的矩阵

$(X_0,X_1\·\·\·,X_m)=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\χ}}_0\left(1\right)& {\mathrm{\χ}}_1\left(1\right)\·\·\·& {\mathrm{\χ}}_m\left(1\right)\\ {\mathrm{\χ}}_0\left(2\right)& {\mathrm{\χ}}_1\left(2\right)\·\·\·& {\mathrm{\χ}}_m\left(2\right)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ {\mathrm{\χ}}_0\left(n\right)& {\mathrm{\χ}}_1\left(n\right)\·\·\·& {\mathrm{\χ}}_m\left(n\right)\end{array}\right)$

其中，n为指标的个数，X_i＝(χ_i(1)，χ_i(2)，…，χ_i(n))^T，i＝1，2，…，m.

2)确定参考数据列X₀

X₀＝(χ₀(1)，χ₀(2)，…，χ₀(m))^T

3)逐个计算每个预测指标序列与参考序列对应元素的绝对差值：

Δ_i(k)＝|χ₀(k)-χ_i(k)|

k＝1，2，…，n i＝1，2，…m.

式中，χ₀(k)为参考序列；χ_i(k)为预测序列.

4)分别计算每个预测序列与参考序列对应元素的关联系数.

${\mathrm{\ζ}}_{0i}\left(k\right)=\frac{m+\mathrm{\ξ}\·M}{{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)+\mathrm{\ξ}\·M}$

k＝1，2，…，n.

式中，ζ_0i(k)单个预测序列与参考序列对应元素的关联系数；ζ为分辨系数，在(0，1)内取值；ζ越小关联系数间的差异越大，区分能力越强取，通常ζ取0.5。

5)计算关联度

$r_i=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ζ}}_{0i}\left(k\right)$ k＝1，2，…，n.

式中，r_i指第i个单项预测序列与参考序列的关联度

6)确定权重值

$K_i=\frac{{\mathrm{\γ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i}$

7)由各单一因素的一元非线性回归方程和权重值，按下列公式确定埋地金属给水管道腐蚀速率的组合预测模型

$\hat{Y}(t+1)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{\hat{Y}}_i(t+1)$

式中，指t+1时刻的组合预测模型下的预测值；

指t+1时刻第i个预测模型下的预测值(i＝1，2，…，n)；k_i指第i个预测模型的权数(i＝1，2，…，n，且

)

(5)根据相关公式确定埋地金属给水管道轴向最小要求壁厚和周向最小要求壁厚

(6)由步骤(5)的计算结果确定埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min

$H_{\min }=\max (H_{\min }^C,H_{\min }^L)$

(7)结合埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min，由下列公式确定埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max

H_max＝H₀-R_t·H_min

对最大腐蚀深度，按照腐蚀标准进行评判，当超过腐蚀标准要求时，其埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max，按照腐蚀标准进行取值。

(8)由埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max和土壤腐蚀速率的电化学模型及最大腐蚀深度值，结合外腐蚀电化学模型和内腐蚀模型，确定埋地金属给水管道剩余寿命T_S

$V_n^2{T}^2+(2V_n^{2}t-H_{\max }{V}_n-\frac{\mathrm{K\ΔV}}{\mathrm{\ρ\β}})T+(V_n^2-V_w^2)t^2+H_{\max }^2-2H_{\max }{V}_{n}t=0$

(9)应用Visual Basic 6.0在计算机中对目标函数进行编码和优化，向计算机中输入各影响因素测量值，可实现埋地金属给水管道剩余寿命的计算，并有打印机输出计算结果。

Claims (3)

1.埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，其特征在于该测试方法包括以下步骤：

(1)使用支持Visual Basic 6.0和MATLAB的计算机，将收集的影响埋地金属给水管道腐蚀的因素数据资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；

(2)调用硬盘中收集的因素数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；

(3)对经过初步处理后的数据在MATLAB中进行一元非线性函数计算，并进行误差分析，保证计算结果的准确性；

(4)应用灰色理论算法在计算机中通过程序分别计算影响腐蚀因素的相关度和权重值；

(5)根据各因素权重值确定多因素影响下埋地金属给水管道内腐蚀平均速率和外腐蚀平均速率，保证腐蚀速率预测的准确性；

(6)根据埋地金属给水管道内腐蚀速率和外腐蚀速率计算腐蚀管道缺陷的临界尺寸，并确定埋地金属给水管道最大腐蚀深度；

(7)根据土壤腐蚀速率的电化学模型和最大腐蚀深度值，分别对均匀腐蚀、局部腐蚀、点腐蚀建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，并应用近似解析法计算埋地金属给水管道剩余寿命；

(8)应用Visual Basic 6.0在计算机中对目标函数进行编码和优化，向计算机中输入各影响因素测量值，可实现埋地金属给水管道剩余寿命的计算，并打印机输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，其特征在于，所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测模型建立的步骤如下：

(1)建立埋地金属给水管道腐蚀因素的腐蚀速率一元非线性回归方程；

(2)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，逐个计算每个腐蚀速率预测指标序列与腐蚀速率参考序列对应元素的绝对差值；

(3)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，分别计算每个腐蚀速率预测序列与腐蚀速率参考序列对应元素的关联系数及给水管道内外腐蚀因素与腐蚀速率参考序列对应元素的相关度；

(4)为建立埋地金属给水管道剩余寿命预测模型，先确定埋地金属给水管道中的腐蚀形态；

(5)根据土壤腐蚀速率的电化学模型和最大腐蚀深度值，建立剩余寿命预测模型

3.根据权利要求1所述的埋地金属给水管道剩余寿命预测的测试方法，其特征在于，所述的运用灰色理论算法预测埋地金属给水管道剩余寿命的实现过程，包括下列步骤：

(1)使用能够支持Visual Basic 6.0和MATLAB的计算机，将所收集的影响埋地金属给水管道腐蚀的各因素数据资料以数据库或文本的形式输入到计算机中并在储存器中保存；

(2)调用硬盘中收集的各因素数据到计算机内存RAM中，在中央处理器CPU中进行数据整理；

(3)对经过初步处理后的数据在MATLAB中进行一元非线性函数计算和误差分析，确定各影响因素的函数方程；

(4)在计算机中编制下列计算过程的程序，实现埋地金属给水管道腐蚀在多因素影响下腐蚀速率的计算：

(5)根据相关公式确定埋地金属给水管道轴向最小要求壁厚和周向最小要求壁厚

(6)由步骤(5)的计算结果确定埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min

$H_{\min }=\max (H_{\min }^C,H_{\min }^L)$

(7)结合埋地金属给水管道最小要求壁厚H_min，由下列公式确定埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max

H_max＝H₀-R_t·H_min

(8)由埋地金属给水管道最大腐蚀深度H_max和土壤腐蚀速率的电化学模型及最大腐蚀深度值，结合外腐蚀电化学模型和内腐蚀模型，确定埋地金属给水管道剩余寿命T_S

(9)应用Visual Basic 6.0在计算机中对目标函数进行编码和优化，向计算机中输入各影响因素测量值，实现埋地金属给水管道剩余寿命的计算，并有打印机输出计算结果。

Images