CN106355320B - 一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法，包括：建立灰色微分方程，根据管道腐蚀深度利用最小二乘估计求出灰色系统参数值，并利用传统灰色系统进行一次模拟计算模拟值；再根据模拟出的导数还原值与累减还原值结果的不一致性，为减少往复运算造成的误差，利用残差修正模拟值进行二次模拟，并将一次预测值与二次预测值进行结合，从而得到一个完整的海底管道腐蚀修正模型进行预测，进而提高管道腐蚀深度的预测精度，最后以某一海底管道试验段为例，利用尾段残差修正的灰色系统对管道腐蚀深度进行模拟，与传统灰色系统相比，预测精度有了明显提高，使管道能够及时维修或更换，进而减少因此带来的经济损失和安全隐患。

Description

一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法

技术领域

本发明属于油气管道输送技术领域，涉及一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法。

背景技术

在过去几十年中，世界能源消费量持续增加，能源需求继续上升。这种增长的需求和有限的陆上储量已导致增加海上勘探及海洋工程和海底传输系统的快速扩张。在安装过程中和海上平台的操作中，重物横向荷载落入海水可能造成显著冲击损伤海底管道网络和立管。此外，管道铺设完成后也会继续遭受坠物风险的影响，包括海上渔业活动时的抛锚、收锚或拖锚；航道作业中的锚击、沉船或搁浅以及过往船只的坠落物体等等。海底管道失效的最全面的数据库是在英国健康与安全执行局2001年PARLOC(HSE，2003)和中美国际天然气协会(IAGA)(1999年，2000年)的报告，该数据表明的管道故障约47％是从外部冲击引起的。

对此，我国海上油气管道的风险评估的工作正走向定量积极主动的策略。包括Monte Carlo Simulation、ARMA Model、Markov Process、Gumbel分布等模型的建立，这些方法也已经取得了一定的效果，然而，由于腐蚀剩余寿命预测工作中存在着许多不确定因素，实际工况下的缺陷发展规律很难确定。另外，在管道腐蚀的众多影响因素之间还存在着相互影响。这就造成腐蚀剩余寿命预测工作难度增大。在现行适用性评价标准CEGB R6、PD6493以及最新发布的API 579草案中对寿命预测方法仅提供了简单的指导性作法，实际使用中可操作性差。因此，有必要探寻一些新方法来提高腐蚀剩余寿命预测的可操作性以及准确性。

因此作者利用尾段残差修正的方法，通过对原始序列的筛选，以及一次预测中产生的误差予以修正，以保证其预测与实际趋势的一致，达到提高预测精度的目标要求。前人在应用传统灰色系统预测管道腐蚀方面也做了很多相关工作。如“党学博.海底管道腐蚀与剩余寿命的灰色预测[J].油气储运,2011,30(7):486-489.”一文中根据ASMEB31G，推导了均匀腐蚀和局部腐蚀同时发生时海底管道的极限内压计算公式。将局部腐蚀简化为沿轴向分布的矩形缺陷，利用灰色模型分别预测管道内的均匀腐蚀和局部腐蚀，并根据预测结果计算出管道的极限内压和剩余寿命。“谭开忍,肖熙.基于灰色理论的海底管道腐蚀剩余寿命预测方法[J].上海交通大学学报,2007,41(2):186-188.”一文中以灰色理论的基本模型为基础，探讨了灰色模型的改进方法。分析了海底管道腐蚀因素与腐蚀量之间的规律以及应用灰色理论进行剩余寿命预测的可行性。提出了基于灰色理论的海底管道剩余寿命预测方法。利用灰色理论预测腐蚀海底管道剩余寿命的步骤主要包括：最小允许厚度的确定，腐蚀速率的预测以及剩余寿命预测。利用该方法，可以在测量数据很少的情况下预测海底管道的剩余寿命。

以上这些方法通过不同的灰色系统应用取得了一定的效果，但这些应用中也存在着对原始数列的选取未进行筛选、对其适用性分析不够导致检测精度降低、检测后评价不完整等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法，该方法能够实现对油气管道坠物腐蚀可靠性的准确评估，解决现有灰色系统对海底管道腐蚀预测系统不完整的问题。

为达到上述目的，本发明所述的灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法包括以下步骤：

1)获取油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),…,x⁽⁰⁾(n))，其中，x⁽⁰⁾(k)为第k次检测到的腐蚀深度；

2)计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)；

3)根据步骤2)得到的油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)判断油气管道各腐蚀检测点的数据序列是否满足光滑性条件，当油气管道各腐蚀检测点的数据序列满足光滑性条件时，则根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列构建灰色微分方程；

4)由灰色微分方程得到一阶累加生成序列X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),…,x⁽¹⁾(n))，其中，

5)根据一阶累加生成序列X⁽¹⁾计算紧邻均值生成序列Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),…,z⁽¹⁾(n))，其中，

6)根据紧邻均值生成序列构建灰微分方程：

其中，a及b均为常数；

7)求解步骤6)建立的灰微分方程，得时间响应序列

8)根据时间响应序列

计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

9)根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的残差序列，则残差序列存在k₀，满足

残差ε⁽⁰⁾(k)的符号一致，n-k₀≥4，则可建模残差尾段为(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)；

10)将步骤9)得到可建模残差尾段(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)作为新的油气管道各腐蚀检测点的数据序列，然后重复步骤4)-9)，得修正后的时间响应式，再根据修正后的时间响应式及步骤7)得到的时间响应序列

构建残差修正模型；

11)根据残差修正模型评估灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性。

油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)分别为：

步骤10)中修正后的时间响应式为：

步骤10)中的残差修正模型为：

步骤7)中的时间响应序列

为：

步骤8)中油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法在具体操作时，检测油气管道各腐蚀检测点的数据序列，并通过油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)对数据系列的光滑性及准指数规律性进行检验，并建立灰微分方程，得时间响应序列，完成一次模拟，再求解数据序列的可建模残差尾段，然后将可建模残差尾段作为新的油气管道各腐蚀检测点的数据序列进行二次模拟，实现对一次模拟结果的修正，提高预测结果的准确性，然后根据二次模拟的结果及一次模拟的结果构建完整的残差修正模型，利用残差修正模型即可实现评估灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性，经仿真检验，本发明能够实现海底管道腐蚀剩余寿命的精确预测，并且尾段残差修正将传统灰色系统的精度进一步提高，计算结果的相对误差由原来的36.70％降低到3.39％，从而可以准确预测油气管道的腐蚀规律，为油气管道的维修及更换提供有力的技术支撑。

附图说明

图1本发明的流程图；

图2为海底油气管道外部冲击示意图；

图3仿真实验中传统GM(1,1)预测值与实际值折线；

图4仿真实验中尾段残差修正GM(1,1)模型预测值与实际值折线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法包括以下步骤：

1)获取油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),…,x⁽⁰⁾(n))，其中，x⁽⁰⁾(k)为第k次检测到的腐蚀深度；

2)计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)；

3)根据步骤2)得到的油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)判断油气管道各腐蚀检测点的数据序列是否满足光滑性条件，当油气管道各腐蚀检测点的数据序列满足光滑性条件时，则根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列构建灰色微分方程；

4)由灰色微分方程得到一阶累加生成序列X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),…,x⁽¹⁾(n))，其中，

5)根据一阶累加生成序列X⁽¹⁾计算紧邻均值生成序列Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),…,z⁽¹⁾(n))，其中，

6)根据紧邻均值生成序列构建灰微分方程：

其中，a及b均为常数；

7)求解步骤6)建立的灰微分方程，得时间响应序列

8)根据时间响应序列

计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

9)根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的残差序列，则残差序列存在k₀，满足

残差ε⁽⁰⁾(k)的符号一致，n-k₀≥4，则可建模残差尾段为(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)；

10)将步骤9)得到可建模残差尾段(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)作为新的油气管道各腐蚀检测点的数据序列，然后重复步骤4)-9)，得修正后的时间响应式，再根据修正后的时间响应式及步骤7)得到的时间响应序列

构建残差修正模型；

11)根据残差修正模型评估灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性。

油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)分别为：

步骤10)中修正后的时间响应式为：

步骤10)中的残差修正模型为：

步骤7)中的时间响应序列

为：

步骤8)中油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

仿真实验

测试海上坠物对管段损伤引起的腐蚀，管段采用API 5L X52，选取管道完好部位、泄露及焊缝处，早期目测完好部位平整无蚀坑，检测无漏点，随着时间的推移，个别位置可看到蚀坑，监测点腐蚀深度如表所示1。

表1

用尾段残差修正后其预测公式为：

传统GM(1,1)预测值与实际值折线图如图3，尾段残差修正GM(1,1)模型预测值与实际值折线图如图4所示，可计算出平均模拟相对误差为3.39％，且C＝0.0630<0.35，p＝1>95％，精度等级为1级。

本发明并不是单一的利用传统灰色系统的方法，而是在其基础上，先将其适用范围划定，使具有准指数规律的数据用灰色系统进行检验，从而保证首次预测的精度以及残差的规律性；其次对残差进行修正，最后将二者结合从而能够获得较好的检测效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员周知的现有公开技术，并且以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管为说明目的公开了本发明的相关实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解；在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化、修改都是可能的。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定，而不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种灰色系统海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法，其特征在于，用于油气管道输送技术领域，包括以下步骤：

1)获取油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),…,x⁽⁰⁾(n))，其中，x⁽⁰⁾(k)为第k次检测到的腐蚀深度，k＝1,2,…,n；

2)计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)；

3)根据步骤2)得到的油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)判断油气管道各腐蚀检测点的数据序列是否满足光滑性条件，当油气管道各腐蚀检测点的数据序列满足光滑性条件时，则根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列构建灰色微分方程；

4)由灰色微分方程得到一阶累加生成序列X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),…,x⁽¹⁾(n))，其中，

5)根据一阶累加生成序列X⁽¹⁾计算紧邻均值生成序列Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),…,z⁽¹⁾(n))，其中，

6)根据紧邻均值生成序列构建灰色微分方程：

其中，a及b均为常数；

7)求解步骤6)建立的灰色微分方程，得时间响应序列

8)根据时间响应序列

计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

9)根据油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

计算油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的残差序列，残差序列存在k₀，满足

残差ε⁽⁰⁾(k)的符号一致，n-k₀≥4，则可建模残差尾段为(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)；

10)将步骤9)得到可建模残差尾段(|ε⁽⁰⁾(k₀)|,|ε⁽⁰⁾(k₀+1)|,…,|ε⁽⁰⁾(n)|)作为新的油气管道各腐蚀检测点的数据序列，然后重复步骤4)-9)，得修正后的时间响应式，再根据修正后的时间响应式及步骤7)得到的时间响应序列

构建残差修正模型；

11)根据残差修正模型计算油气管道腐蚀剩余寿命，并通过油气管道腐蚀剩余寿命判断油气管道是否需要维修或更换；

步骤2)中油气管道各腐蚀检测点的数据序列的光滑比ρ(k)及级比σ⁽¹⁾(k)分别为：

步骤10)中修正后的时间响应式为：

步骤10)中的残差修正模型为：

步骤7)中的时间响应序列

为：

步骤8)中油气管道各腐蚀检测点的数据序列X⁽⁰⁾的还原值

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