CN111859736A - 一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，包括步骤：S1、使用有限元分析法根据不同的设计工况构建得到若干个管道应力计算模型，并分别计算得到不同设计工况下的管道最大应力；S2、得到管道评估表达方程；S3、对所述管道评估表达方程进行回归系数求解；S4、分别得到各个工况变量与管道最大应力的关系曲线，同时取得各个工况变量对应的缺陷的年均递增速率；S5、测量得到每个管道的实际工况测量数据，得到在每种工况变量情况下管道的剩余寿命。本发明提出的管道服役性能评估方法假设条件少、所需数据获得简单，对于管道性能评价是根据不同工况下不同缺陷类型进而得到管道的服役剩余寿命的，使管道的剩余寿命的评估在理论上得到支持。
Description
技术领域
本发明涉及管道性能评估领域，尤其涉及一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法。
背景技术
混凝土管道作为一种力学性能和经济性能优良的管材在中国被大量修建。然而，部分混凝土管道埋设时间久远，一些情况下超过50年，在各种内部(安装不规范、酸性环境等)和外部因素(交通荷载、地下水等)耦合作用下诱发多种缺陷，导致造成不可预估风险的可能性剧增。因此，如何处理这些老旧的混凝土排水管道已成为市政和水务机构面临的棘手问题，主要体现在如何准确评估管道失效的临界状态，管道的剩余寿命及修复的优先级等。因此，准确评估内外部因素耦合作用下管道的服役性能对在役老旧管道的运维非常重要。
目前使用最为广泛的管道应力计算公式有弹性环理论和Spangler公式。弹性环理论主要用于刚性管道应力的求解，该理论根据是否考虑相邻土体横向支撑分为两类，一类用于获取埋设在松散土体中刚性管道的应力，另一类用于计算埋设在密实土体中刚性管道的应力。而Spangler应力公式主要用于柔性管道应力计算。
然而，研究表明使用以上提到的公式通常在不同程度上高估了管道应力，易导致误判管道的实际服役性能。产生这一结果的主要原因如下：(i)假设回填土和交通荷载在管顶和管底产生均匀的垂直应力，且没有来自相邻土壤的横向支撑或来自相邻土壤的横向支撑应力是均匀的；(ii)求解管道承受的交通荷载和土压力产生的垂直压力时忽略了土体中的管道；(iii)假设土质是均匀的，忽略了回填土、管基及支撑角对管道应力的影响；(iv)采用Winkler springs模型表征管道和土体间的相互作用时无法反映其非线性特性；(v)将管道看做连续体，没有考虑管道接头影响，而接头通常是管道破坏的潜在位置；(vi)没有考虑管道与周围土体间的任何滑动。
申请号为CN201910159966.2的专利文献公开了一种含缺陷埋地PE燃气管道寿命检测方法，对燃气管道进行测试，获得燃气管道的结构尺寸和运行参数；截取燃气管道，制备弯曲紧凑型试样；以预设频率f拉伸试样，拉伸过程中的拉伸应力在最大预设应力Fmax和最小预设应力Fmin直接往复变化；基于可靠性和有限元分析计算，根据最先失效原则，确定极限缺陷尺寸；建立疲劳裂纹扩展模型、计算疲劳循环次数，确定含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。本发明可以较准确的估算含缺陷埋地PE燃气管道剩余寿命。但是还不能有效解决上述问题，尤其不适用针对混凝土管道的性能评估。
因而现有的埋地管道性能评估方法存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，能够通过构建混凝土管道的应力计算模型，进而对混凝土管道的服役性能进行评估，同时能够预测混凝土管道的剩余寿命。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，包括步骤：
S1、使用有限元分析法根据不同的设计工况构建得到若干个管道应力计算模型，并分别计算得到不同设计工况下的管道最大应力；所述设计工况包括工况变量和工况常量；
S2、对所述管道应力模型中的工况变量进行无量纲处理，基于π理论确定无量纲变量的个数，并结合根据有限元计算得到管道最大应力进行多元非线性拟合，得到管道评估表达方程；
S3、对所述管道评估表达方程进行回归系数求解；
S4、通过所述管道评估表达方程与不同设计工况的管道最大应力，分别得到各个工况变量与管道最大应力的关系曲线，同时取得各个工况变量对应的缺陷的年均递增速率；
S5、测量得到每个管道的实际工况测量数据，进而根据所述关系曲线和所述年均增速率得到在每种工况变量情况下管道的剩余寿命。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述工况变量包括：腐蚀长度(Cl)、腐蚀深度(Ch)、腐蚀宽度(Cw)、裂缝长度(Ll)、裂缝深度(Lh)、脱空长度(Vl)、脱空深度(Vh)、脱空宽度(Vw)、埋深(h)、侧向土压力系数(k)、管基强度(Eb)、回填土强度(Ec)、地下水位(hw)、交通荷载(P)；
所述工况常量包括：管径(D)、壁厚(t)、管道总长(L)、管道弹性模量(Ep)、土体重度(γ)。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述管道评估表达方程为：
其中，σmax为最大应力；α1、……α14为管道评估表达方程的系数；β1、……β14为管道评估表达方程的指数参数；Cl为腐蚀长度、Ch为腐蚀深度、Cw为腐蚀宽度、Ll为裂缝长度、Lh为裂缝深度、Vl为脱空长度、Vh为脱空深度、Vw为脱空宽度、h为埋深、k为侧向土压力系数、Eb为管基强度、Ec为回填土强度、hw为地下水位、P为交通荷载；D为管径、t为壁厚、L为管道总长、Ep为管道弹性模量、γ为土体重度。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，对所述管道评估表达方程的系数求解步骤如下：
获取数值模拟控制变量si(j)；
对所述控制变量si(j)进行无量纲化得到无量纲控制变量xi(j)，定义所述管道评估方程的模型输入X和模型输出Y；
选取所述管道评估表达方程的初值beat0，并根据所述初值beat0、所述模型输入X和所述模型输出Y利用最小二乘法原理求解方程回归系数。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述管道评估表达方程的初值选取方法包括：
a)方法一：随机选定法；通过在产生(-b,b)之间的n维随机向量得到；
b)方法二：利用人工智能—粒子群算法更新初始值；使用粒子群迭代更新公式得到，所述粒子群迭代更新公式为：
其中，y指我们需要更新的初值，v是更新速度，w是惯性权重，C1，C2是学习因子，r1，r2是随机数，q是局部最优解，k是全局最优解。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，步骤S5中，管道腐蚀病害工况下，管道剩余寿命的计算公式为：
其中，N为剩余寿命；c为年均腐蚀速率；Ch-cri为最大应力对应腐蚀深度；Ch为当前管道腐蚀深度。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述年均腐蚀速率c的计算公式为：
其中，k是酸反应因子，s是管道坡度，u是流体速率，j是H2S比例的pH依赖系数，[DS]为硫化物浓度，A是耗酸能力，
是水流表面积与裸露管壁面积之比。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，构建所述管道应力计算模型的步骤包括：
S11、根据设计工况分别建立管道土体结构的无病害管道初级模型和有病害管道初级模型，并分别对无病害管道初级模型和有病害管道初级模型的模型尺寸和网络尺寸进行敏感性分析，调整相应的模型参数；
S12、分别对所述无病害管道初级模型和所述有病害管道初级模型进行足尺试验，对验证得到可靠的有病害管道初级模型作为管道应力计算模型。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述步骤S3还包括：在所述管道评估表达方程的基础上，通过对所述工况变量进行敏感性分析得到各个工况变量对管道最大应力的相对贡献百分比。
优选的所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，所述变量敏感性分析步骤包括：
S31、针对所有所述工况变量中每一个进行预订比例的扰动，得到新输入变量多个输入向量
S32、将所述新输入变量输入到所述管道评估表达方程中，得到新应力值
计算未扰动前的原应力值Yj与所述新应力值
之间的斯皮尔曼等级相关系数Corrj；
S33、将得到的所有所述斯皮尔曼相关系数Corrj归一化，进而得到各个所述工况变量对所述最大应力的相对贡献百分比SI。
相较于现有技术，本发明提供的一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，具有以下有益效果：
1)本发明提出的管道服役性能评估方法假设条件少、所需数据获得简单，对于管道性能评价是根据不同工况下不同缺陷类型进而得到管道的服役剩余寿命的，使管道的剩余寿命的评估在理论上得到支持；
2)本发明可直接求解多缺陷及复杂服役环境下管道的应力、分析变量对管道应力的贡献百分比、预测管道的剩余寿命，可为市政、水务及水利等部门评估各类管道服役性能提供理论支撑。
附图说明
图1是本发明提供的管道服役性能评估方法的流程图；
图2是本发明提供的管道土体相互作用的有限元模型；
图3是本发明提供的构建管道应力计算模型的孔压边界条件设置示意图；
图4是本发明提供的交通荷载施加位置示意图；
图5是本发明提供的有限元模型计算结果验证图；
图6是本发明提供的敏感性分析步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1-图6，本发明提供一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，包括步骤：
S1、使用有限元分析法根据不同的设计工况构建得到若干个管道应力计算模型，并分别计算得到不同设计工况下的管道最大应力；所述设计工况包括工况变量和工况常量；
S2、对所述管道应力模型中的工况变量进行无量纲处理，基于π理论确定无量纲变量的个数，并结合根据有限元计算得到管道最大应力进行多元非线性拟合，得到管道评估表达方程；
S3、对所述管道评估表达方程进行回归系数求解；
S4、通过所述管道评估表达方程与不同设计工况的管道最大应力，分别得到各个工况变量与管道最大应力的关系曲线，同时取得各个工况变量对应的缺陷的年均递增速率；
S5、测量得到每个管道的实际工况测量数据，进而根据所述关系曲线和所述年均增速率得到在每种工况变量情况下管道的剩余寿命。
具体的，本发明在进行管道性能评估时，使用设计工况进行管道应力模型的构建，首先使用有限元方法构建管道的标准有限元模型，然后将标准模型中相应的设定参数设定为设计工况中的工况变量即可，其中工况常量是确定一种类型的管道的基础参数，其中，管道的类型包括混凝土管道、HDPE管道、球墨铸铁、PCCP管道等，不同的管道类型对应不同的所述工况常量的设定，在本实施例中，一下在描述中，是以混凝土管道为例进行的直接说明，在使用其他管道类型时，作相应数据调整即可。其中设计工况可以是预定的一种工况环境，也可以是使用现场测量的工况环境，在本实施例中，所述设计工况使用的是现场测量的工况环境数据；这样就可以将现场真实的情况通过构建的有限元模型进行处理。在处理中，所述工况变量随着不同的工况环境变化而变化的量，是影响管道服役的关键数据，这些数据的采集才是通过实况测量得到。同时，因不同的设计工况下，其最大应力、每种工况变量对最大应力的是不同的，因此，需要针对每个不同的设计工况的管道的最大应力进行计算，有针对性性的对每种工况下的管道服役状态进行评估。
在实际运用中，在确定了工况常量不变的情况下，首先只要将管道相应的实际工况测量数据测量得到，进而代入到所述应力与各个工况变量的关系曲线中，然后得到相应的年均增速率即可获得管道剩余寿命。
作为优选方案，本实施例中，所述工况变量包括：腐蚀长度(Cl)、腐蚀深度(Ch)、腐蚀宽度(Cw)、裂缝长度(Ll)、裂缝深度(Lh)、脱空长度(Vl)、脱空深度(Vh)、脱空宽度(Vw)、埋深(h)、侧向土压力系数(k)、管基强度(Eb)、回填土强度(Ec)、地下水位(hw)、交通荷载(P)；
所述工况常量包括：管径(D)、壁厚(t)、管道总长(L)、管道弹性模量(Ep)、土体重度(γ)。
应当说明的是，所述工况变量是用于构建不同的模型的随不同缺陷环境相变化的物理量，是反应缺陷的直接数据，当然，也是为了所述管道应力计算模型能够组建足够多的有限元模型，使计算出来的数据更加精准，所述工况变量的范围为：Ch＝3.85-70.675mm，Cw＝1.80-180°，Cl＝4.00-400cm，ΔVh＝15.0-29.85cm，Vw＝1.80-180°，Vl＝2.5-250cm，Lh＝3.85-70.675mm，Ll＝2.00-102cm，h＝52.5-300cm，Ec＝52.5-300MPa，Eb＝208-1000MPa，P＝105-600kN，k＝0.104-0.50。每次构建所述管道应力模型的工况变量的变化步长为：ΔCh＝0.675mm，ΔCw＝1.80°，ΔCl＝4.0cm，ΔVh＝0.15cm，ΔVw＝1.80°，ΔVl＝2.50cm，ΔLh＝0.675mm，ΔLl＝1.00cm，Δh＝2.5cm，ΔEc＝2.50MPa，ΔEb＝8.0MPa，ΔP＝5.0kN，Δk＝0.004。如上，若是保证其他变量不变，则每个所述工况变量都在器变化范围内，以设定的变化步长进行调整，构建的管道应力模型足够多，就可以增加模型的可靠性，能够精准的计算管道应力。
作为优选方案，本实施例中，所述管道评估表达方程为：
其中，σmax为最大应力；α1、……α14为管道评估表达方程的系数；β1、……β14为管道评估表达方程的指数参数；Cl为腐蚀长度、Ch为腐蚀深度、Cw为腐蚀宽度、Ll为裂缝长度、Lh为裂缝深度、Vl为脱空长度、Vh为脱空深度、Vw为脱空宽度、h为埋深、k为侧向土压力系数、Eb为管基强度、Ec为回填土强度、hw为地下水位、P为交通荷载；D为管径、t为壁厚、L为管道总长、Ep为管道弹性模量、γ为土体重度。
具体的，在本实施例中，所述步骤S2中，根据所述工况变量和工况常量在有限元模型的作用，得到过个有限元的计算结果后，基于π理论得到所述无量纲处理结果为14个无量纲变量，分别为：
所述最大应力与14个所述无量纲变量的函数表达为：
其中，σmax为最大应力。
将管道最大主应力与14个无量纲变量的函数形式书写成一个闭式表达式，基于多元非线性回归方法对数值结果和闭式表达式预测结果进行拟合，根据拟合情况及误差分析调整闭式表达式的形式，直至找到最优的形式。非线性回归属于有监督的回归学习算法，基本思想是建立因变量F与自变量x(x1,x2,…,xn)T的向量的联系。多元非线性回归为预测方程依赖两个或者两个以上未知的非线性控制变量的算法，其中非线性回归方程的通用表达式为：Fi＝f(xi,φ)+ri。
请参阅图5，在相同的设计工况下，FEA是使用本发明提供的管道评估表达方程的最大应力计算结果，Li，etal(2019)是已有文献的应力记载数据，可以通过图5明确看出，本发明提供的管道评估表达方程的计算结果与现有文献记载的数值差距不大，但是评估方法更加迅速，还可以针对不同的设计工况进行针对性评估，更具便利性。
作为优选方案，本实施例中，对所述管道评估表达方程的系数求解步骤如下：
获取数值模拟控制变量si(j)；
对所述控制变量si(j)进行无量纲化得到无量纲控制变量xi(j)，定义所述管道评估方程的模型输入X和模型输出Y；
选取所述管道评估表达方程的初值beat0，并根据所述初值beat0、所述模型输入X和所述模型输出Y利用最小二乘法原理求解方程回归系数。如上是本发明在对管道票评估表达方程的系数进行求解的过程，这是本领域的常用的系数求解方式，不做具体限定。同时在实际运用中，可以使用MATLAB指令“beta＝nlinfit(X,Y,modelfun,beta0)”求解回归系数，其中beta是回归系数，X是模型输入，Y是模型输出，modelfun是定义的模型方程形式，beta0是初始值。
作为优选方案，本实施例中，所述管道评估表达方程的初值选取方法包括：
a)方法一：随机选定法；通过在产生(-b,b)之间的n维随机向量得到；
b)方法二：利用人工智能—粒子群算法更新初始值；使用粒子群迭代更新公式得到，所述粒子群迭代更新公式为：
其中，y指我们需要更新的初值，v是更新速度，w是惯性权重，C1，C2是学习因子，r1，r2是随机数，q是局部最优解，k是全局最优解。
作为优选方案，本实施例中，步骤S5中，管道腐蚀病害工况下，管道剩余寿命的计算公式为：
其中，c为年均腐蚀速率；Ch-cri为最大应力对应腐蚀深度；Ch为当前管道腐蚀深度。
具体的，本实施例中设定的是对混凝土管道进行寿命预测，在本实施例中，假定混凝土管道含脱空、裂缝和腐蚀缺陷，腐蚀的深度是从0cm增加到5cm，其余的变量均为定值，通过应力评估方程就可以得到腐蚀深度与管道最大应力的关系曲线，从曲线上判断出管道极限抗拉应力值(即所述最大应力)对应的腐蚀深度Ch-cri，再根据混凝土年均腐蚀速率和商户数计算公式就可以计算出管道的剩余寿命。对于其他病害，使用的管道剩余寿命的计算公式相类似，不做赘述。
作为优选方案，本实施例中，所述年均腐蚀速率c的计算公式为：
其中，k是酸反应因子，s是管道坡度，u是流体速率，j是H2S比例的pH依赖系数，[DS]为硫化物浓度，A是耗酸能力，
是水流表面积与裸露管壁面积之比。
请一并参阅图2-图5，作为优选方案，本实施例中，构建所述管道应力计算模型的步骤包括：
S11、根据设计工况分别建立管道土体结构的无病害管道初级模型和有病害管道初级模型，并分别对无病害管道初级模型和有病害管道初级模型的模型尺寸和网络尺寸进行敏感性分析，调整相应的模型参数；
S12、分别对所述无病害管道初级模型和所述有病害管道初级模型进行足尺试验，对验证得到可靠的有病害管道初级模型作为管道应力计算模型。
具体的，构建所述无病害管道处理模型和所述有病害管道初级模型使用相同的构建方法，包括：确定管道的几何参数、变量、变量范围及变量的变化量，其中变量范围和变量变化量决定了用于提出管道服役性能评估方法的数据样本量(也即需要建模的数量)，
其中n为建模数量，δmax为变量的最大范围值(例如工况变量范围的最大值)，δmin为变量的最小范围值(例如工况变量范围的最小值)，Δδ为变量变化量(例如工况变量的变化步长)。请着重参阅图2-图4，构建具体建模步骤为：
(1)模型建立：在ABAQUS的Model模块中建立管道—土体结构模型，土体模型的整体尺寸取长×宽为15m×10m，高度随埋深的变化而变化，管基层为50cm厚的砂石垫层，管道支撑角为120°，混凝土管道模型由八节带有承插口结构的管段组成，管道内径1000mm，壁厚100mm，有效长度2.5m。其中管道腐蚀病害位于管顶内部，为模拟腐蚀导致的管壁减小，在完好管道的管顶内部挖除一部分区域，腐蚀深度(Ch)定义为管壁的减小量，腐蚀宽度(Cw)定义为腐蚀区域所对应的圆心角，腐蚀长度(Cl)是沿管道轴向两侧延伸的腐蚀区域总长度；脱空病害设在中间管节底部两侧，其中脱空深度(Vh)为管底外壁到空腔底部的垂直距离，脱空宽度为(Vw)为脱空区域所对应的管道圆心角，脱空长度为(Vl)为脱空沿管轴线方向的总长度；为将管道置于最不利的病害组合下，将裂缝预制在了管底内壁，裂缝长度(Ll)为裂缝沿管轴线方向的总长度，裂缝深度(Lh)为裂缝深度值，裂缝宽度为固定值1.0mm。
(2)赋予材料属性：在ABAQUS的Material模块中对模型各部分赋予材料参数，其中土体采用摩尔库伦弹塑性本构模型，混凝土管道的材质为C30混凝土，采用混凝土损伤塑性模型(CDP模型)，承口和插口之间的橡胶密封圈采用二次应变能Mooney-Rivlin本构。
(3)网格剖分：模型结构的复杂性导致ABAQUS中剖分的网格无法满足计算精度，为此将创建好的模型导入Hypermesh 13.0软件中完成所有网格的划分，网格采用六面体结构，网格尺寸采用公式
确定，其中，Cs＝剪切波速度(m/s)，△l＝最大网格单元尺寸(m)，f＝激励频率(Hz)，ω＝激励的循环频率(rad/s)。此外，对靠近管道部分的土体网格进行加密处理，混凝土管道和干土体采用三维实体八节点减缩积分单元(C3D8R)，饱和土采用三维实体八节点应力—孔压耦合减缩积分单元(C3D8RP)，橡胶密封圈采用三维实体八节点协调减缩积分单元(C3D8RH)网格类型，并对所有网格进行了沙漏控制。
(4)接触属性设置：ABAQUS的Interaction模块中设置模型接触属性，具体是在管—土、承口—橡胶圈、插口—橡胶圈接触界面设置库伦摩擦接触模型，法向为“Hard”接触，切向为“Penalty”库伦摩擦系数分别取0.3和0.4。
(5)边界条件设置：限制土体模型四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度；将饱和土和干土以及饱和土和管道交界面设为浸润面，浸润面上的孔压为0，孔压边界条件按照p＝ρw×g×(z0-hi)设置，其中ρw为水的密度，g为重力加速度，z0为0孔压面的竖向坐标值，hi为0孔压面以下任意点的竖向坐标值。
(6)地应力平衡：在Step模块创建地应力平衡分析步(Geostatic)，类型为“Fixed”，在Load模块中为整个模型添加z方向的重力，提交计算，得到结果文件geo.odb。
(7)分析步设置：保留地应力平衡分析步(Geostatic)，在其后面创建静力分析步traffic load。
(8)荷载设置：在Load模块中创建压力类型(Pressure)的荷载，输入交通荷载幅值(静载)，并在预定义场中导入geo.odb文件。
(9)在Job模块中创建计算名称，点击提交(Submit)进行计算。
作为优选方案，本实施例中，所述步骤S3还包括：在所述管道评估表达方程的基础上，通过对所述工况变量进行敏感性分析得到各个工况变量对管道最大应力的相对贡献百分比。使用敏感性分析，可以得到每个工况变量对于管道最大应力的贡献值，可以理解为当管道处于最大应力状态时，是所有工况变量共同作用的结果，那么就可以明确知道，在此种管道工况环境下，应该注意哪些参数，可以有效的延长管道的使用寿命，同时可以明确知道改善管道工作环境的方向，为管道服役寿命的预测增加极佳的理论基础。
请着重参阅图6，作为优选方案，本实施例中，所述变量敏感性分析步骤包括：
S31、针对所有所述工况变量中每一个进行预订比例的扰动，得到新输入变量多个输入向量
S32、将所述新输入变量输入到所述管道评估表达方程中，得到新应力值
计算未扰动前的原应力值Yj与所述新应力值
之间的斯皮尔曼等级相关系数Corrj；
S33、将得到的所有所述斯皮尔曼相关系数Corrj归一化，进而得到各个所述工况变量对所述最大应力的相对贡献百分比SI；
所述相对贡献百分比SI的计算公式为：
优选的，在计算管道的剩余寿命时，还可以将每个所述工况变量对所述最大应力相对贡献百分比作为加权值，同时，将每种工况变量下管道的剩余寿命分别与对应的所述加权值相乘后求和，就可以得到更加精准的管道剩余寿命了。使用的计算公式如下：
N＝∑(SIj*Nj)，(j＝1,2，…，n)。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1、使用有限元分析法根据不同的设计工况构建得到若干个管道应力计算模型，并分别计算得到不同设计工况下的管道最大应力；所述设计工况包括工况变量和工况常量；
S2、对所述管道应力模型中的工况变量进行无量纲处理，基于π理论确定无量纲变量的个数，并结合根据有限元计算得到管道最大应力进行多元非线性拟合，得到管道评估表达方程；
S3、对所述管道评估表达方程进行回归系数求解；
S4、通过所述管道评估表达方程与不同设计工况的管道最大应力，分别得到各个工况变量与管道最大应力的关系曲线，同时取得各个工况变量对应的缺陷的年均递增速率；
S5、测量得到每个管道的实际工况测量数据，进而根据所述关系曲线和所述年均增速率得到在每种工况变量情况下管道的剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述工况变量包括：腐蚀长度(Cl)、腐蚀深度(Ch)、腐蚀宽度(Cw)、裂缝长度(Ll)、裂缝深度(Lh)、脱空长度(Vl)、脱空深度(Vh)、脱空宽度(Vw)、埋深(h)、侧向土压力系数(k)、管基强度(Eb)、回填土强度(Ec)、地下水位(hw)、交通荷载(P)；
所述工况常量包括：管径(D)、壁厚(t)、管道总长(L)、管道弹性模量(Ep)、土体重度(γ)。
3.根据权利要求2所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述管道评估表达方程为：
其中，σmax为最大应力；α1、……α14为管道评估表达方程的系数；β1、……β14为管道评估表达方程的指数参数；Cl为腐蚀长度、Ch为腐蚀深度、Cw为腐蚀宽度、Ll为裂缝长度、Lh为裂缝深度、Vl为脱空长度、Vh为脱空深度、Vw为脱空宽度、h为埋深、k为侧向土压力系数、Eb为管基强度、Ec为回填土强度、hw为地下水位、P为交通荷载；D为管径、t为壁厚、L为管道总长、Ep为管道弹性模量、γ为土体重度。
4.根据权利要求3所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，对所述管道评估表达方程的系数求解步骤如下：
获取数值模拟控制变量si(j)；
对所述控制变量si(j)进行无量纲化得到无量纲控制变量xi(j)，定义所述管道评估方程的模型输入X和模型输出Y；
选取所述管道评估表达方程的初值beat0，并根据所述初值beat0、所述模型输入X和所述模型输出Y利用最小二乘法原理求解方程回归系数。
5.根据权利要求4所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述管道评估表达方程的初值选取方法包括：
a)方法一：随机选定法；通过在产生(-b,b)之间的n维随机向量得到；
b)方法二：利用人工智能—粒子群算法更新初始值；使用粒子群迭代更新公式得到，所述粒子群迭代更新公式为：
其中，y指我们需要更新的初值，v是更新速度，w是惯性权重，C1，C2是学习因子，r1，r2是随机数，q是局部最优解，k是全局最优解。
6.根据权利要求2所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，步骤S5中，管道腐蚀病害工况下，管道剩余寿命的计算公式为：
其中，N为剩余寿命；c为年均腐蚀速率；Ch-cri为最大应力对应腐蚀深度；Ch为当前管道腐蚀深度。
7.根据权利要求6所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述年均腐蚀速率c的计算公式为：
其中，k是酸反应因子，s是管道坡度，u是流体速率，j是H2S比例的pH依赖系数，[DS]为硫化物浓度，A是耗酸能力，
是水流表面积与裸露管壁面积之比。
8.根据权利要求1所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，构建所述管道应力计算模型的步骤包括：
S11、根据设计工况分别建立管道土体结构的无病害管道初级模型和有病害管道初级模型，并分别对无病害管道初级模型和有病害管道初级模型的模型尺寸和网络尺寸进行敏感性分析，调整相应的模型参数；
S12、分别对所述无病害管道初级模型和所述有病害管道初级模型进行足尺试验，对验证得到可靠的有病害管道初级模型作为管道应力计算模型。
9.根据权利要求1所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：在所述管道评估表达方程的基础上，通过对所述工况变量进行敏感性分析得到各个工况变量对管道最大应力的相对贡献百分比。
10.根据权利要求9所述的管道多病害复杂环境下服役性能评估方法，其特征在于，所述变量敏感性分析步骤包括：
S31、针对所有所述工况变量中每一个进行预订比例的扰动，得到新输入变量多个输入向量
S32、将所述新输入变量输入到所述管道评估表达方程中，得到新应力值
计算未扰动前的原应力值Yj与所述新应力值
之间的斯皮尔曼等级相关系数Corrj；
S33、将得到的所有所述斯皮尔曼相关系数Corrj归一化，进而得到各个所述工况变量对所述最大应力的相对贡献百分比SI。
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