CN114428021A - 一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法。所述评价方法可包括以下步骤：确定山地管道裂纹缺陷评价模型；确定山地管道安全系数的修正因子；结合所述修正因子，确定山地管道安全系数的范围；根据所述评价模型和所述安全系数的范围，进行山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价。本发明的有益效果包括：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裂纹缺陷影响下的管道状况，能够有效提高易发生地质灾害区域管段的评价精确性，对延长管道服役寿命具有指导意义。

Description

一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法

技术领域

本发明涉及管道评价领域，特别地，涉及一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法。

背景技术

管道途经人口密集区、高后果区的管道发生事故，可能会导致重大的人员伤亡和巨大的经济损失。因此油气管道的可靠性对社会稳定和经济发展具有极大影响。

西南山区管道途径区域山高谷深、河流纵横、林木密布、地质灾害频发、地震发育密集，导致穿跨越管段、沉管管段较多，同时管道易受外部环境的影响产生裂纹等管道损伤，管道失效发生风险较大，安全生产压力大。因此，对含裂纹管道的精确评价对管道安全运行具有重要意义。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法。

所述方法可包括以下步骤：确定山地管道裂纹缺陷评价模型；确定山地管道安全系数的修正因子；结合所述修正因子，确定山地管道安全系数的范围；根据所述评价模型和所述安全系数的范围，进行山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价。

进一步地，所述评价模型可包括：

其中，K_r＝K_Ι/K_mat为韧性比，K_I为应力强度因子，K_mat为材料的断裂韧性；L_r＝σ_ref/σ_y为载荷比，σ_ref为参比应力，σ_y为材料的屈服强度；L_r ^max为评估曲线的截止线，

σ_u为材料的抗拉强度。

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方法对裂纹缺陷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。

进一步地，风险因素是与裂纹缺陷相关的风险因素。

进一步地，利用下式进行所述综合分析：

其中，Q_i为第i个观测点的综合评价值，λ为

的贡献度，λ＝0,…,1， w_j为第j个属性集的权重，

为标准化后的第j个属性集C_j中的第i个观测点的分值。

进一步地，根据下式来确定所述修正因子：

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。

进一步地，所述

根据下式来确定：

其中，c_ij表示第j个属性集C_j中的第i个观测点的分值。

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。

进一步地，根据下式确定所述安全系数的范围：

其中，SF为安全系数，P为设计压力，P_H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。

进一步地，所述进行山地管道裂纹缺陷剩余强度评价的步骤可包括：根据所述安全系数修正所述评价模型，利用修正后的评价模型来进行所述评价。

进一步地，根据所述安全系数修正所述评价模型中的应力强度因子，其中，K_ISF＝K_I×SF，K_ISF为修正后的应力强度因子，SF为安全系数，K_I为修正前的应力强度因子。

进一步地，修正后评价模型中的K_r＝K_ΙSF/K_mat。

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％。

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：

(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裂纹缺陷影响下的管道状况。

(2)本发明通过增加山地安全系数修正因子，能够有效提高易发生地质灾害区域管段的评价精确性。

(3)本发明针对含缺陷裂纹管道剩余强度所进行的精确评价，对延长管道服役寿命具有指导意义。

附图说明

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：

图1示出了本发明的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法的一个流程示意图。

图2示出了本发明的失效评估图的一个示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法。

山地管道的裂纹缺陷问题非常突出，山地管道的裂纹型缺陷主要是指平面缺陷，根部半径较为尖锐；而裂纹状缺陷包括平面缺陷、焊缝上的未熔合和未焊透、尖锐的沟槽状局部腐蚀以及环境开裂相关的分枝状裂纹。裂纹缺陷特征变化较大，这与裂纹的成因、材料以及环境有关。裂纹可以在管道外表面萌生，在长度和表面方向发生扩展。沿表面扩展的方向垂直于环向应力，导致裂纹在管道轴向连接在一起。考虑到西南管道所受周围复杂载荷的特性，在确定裂纹型缺陷评价评价模型的同时，选择安全系数计算方式，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。

示例性实施例1

图1示出了本发明的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法的一个流程示意图。如图1所示，所述山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法可包括以下步骤：

步骤S10：确定裂纹缺陷失效应力评价模型。

对于裂纹型缺陷的评价，本发明可以选用API 579-2007评价方法，而且其分类保持不变。评价级别均为1级、2级和3级。在1级评价中，依据管道的规格、缺陷的位置和管道的工作温度来选择相应的评价曲线对缺陷的可接受性进行评估。1级、2级和3级三种评价级别互为独立，由于1级评价考虑因素不够全面，3级评价使用过程较为繁琐，为了保证评价的效率及准确性，以及评价对象的适用性及后续安全系数的修正工作，本发明仅针对2级评价级别进行研究。

在2级评价中，采用了失效评估图技术。失效评估图如图2所示，评估曲线方程如式为：

其中，K_r＝K_Ι/K_mat为韧性比，K_I为应力强度因子，与管道承受的压力和缺陷的尺寸大小有关，K_mat为材料的断裂韧性；

L_r＝σ_ref/σ_y为载荷比，σ_ref为参比应力，σ_y为材料的屈服强度；

为评估曲线的截止线，

σ_u为材料的抗拉强度。

结合图2，当以(L_r,K_r)为坐标的评估点O落在评估曲线左下方时，则在管道当前工作压力下，缺陷可以接受。否则，缺陷不能接受。

步骤S20：确定山地安全系数的修正因子。

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。

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方法对裂纹缺陷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。

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：

(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：

(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：

B'∑I_XB＝Λ (2)

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。

(3)计算互信息的主成分，公式如下：

Z＝B'X (3)

其中，Z(z₁,z₂,…,z_p)是一个关于主成分的矩阵，z_k＝B'_kx_k(k＝1,2,…,p)。

(4)计算特征的维度m，公式如下：

其中，σ_k是第k个主成分的贡献率；

其中，δ_k是前k个主成分的贡献率之和，一般来说，当δ_k达到85％～95％时，m＝k。

在本实施例中，WASPAS主要包括三个步骤，分别代表三个优化：

(1)可以实现指标的精确评估，计算公式如下：

其中，w_j为第j个属性集的权重；w_j为可认为是上述主成分的贡献度σ_k，或者，w_j可由AHP求得；

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C_j中的第i个观测点的分值，计算公式如下：

其中，c_ij表示第j个属性集C_j中的第i个观测点的分值。

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。

(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：

其中，Q_i ⁽²⁾表示第i个观测点的第二个评价值。

(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：

其中，Q_i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。

在本实施例中，安全系数的修正因子计算公式如下：

其中，a是安全系数的修正因子，Q_i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。

步骤S30：确定山地管道安全系数范围。

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裂纹缺陷影响下管道状况，即：

其中，P为设计压力，P_H为最小水压试验压力，MAOP为最大允许操作压力，SF为安全系数，P₀为操作压力，F为设计系数，a为修正因子。P_F为预测失效压力，为设计压力P与设计系数F的比值，即

步骤S40：考虑山地安全系数修正因子的裂纹缺陷管道剩余强度评价。

具体地，该步骤可包括：根据步骤S10中的评价模型和步骤S30中的安全系数的范围，进行山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价。

在本实施例中，在评价模型中，可考虑山地安全系数后的山地管道应力强度因子，即K_ISF＝K_I×SF，其中，K_ISF为考虑了安全系数的应力强度因子， SF为安全系数，K_I为考虑安全系数的应力强度因子。

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。

Claims (10)

1.一种山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定山地管道裂纹缺陷评价模型；

确定山地管道安全系数的修正因子；

结合所述修正因子，确定山地管道安全系数的范围；

根据所述评价模型和所述安全系数的范围，进行山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价。

2.根据权利要求1所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述评价模型包括：

其中，K_r＝K_Ι/K_mat为韧性比，K_I为应力强度因子，K_mat为材料的断裂韧性；

L_r＝σ_ref/σ_y为载荷比，σ_ref为参比应力，σ_y为材料的屈服强度；

为评估曲线的截止线，

σ_u为材料的抗拉强度。

3.根据权利要求1所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述确定修正因子的步骤包括：

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方法对裂纹缺陷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。

4.根据权利要求3所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，利用下式进行所述综合分析：

其中，Q_i为第i个观测点的综合评价值，λ为

的贡献度，λ＝0,…,1，w_j为第j个属性集的权重，

为标准化后的第j个属性集C_j中的第i个观测点的分值。

5.根据权利要求4所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，根据下式来确定所述修正因子：

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。

6.根据权利要求4所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述

根据下式来确定：

其中，c_ij表示第j个属性集C_j中的第i个观测点的分值。

7.根据权利要求3所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述进行归一化处理的步骤包括：

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。

8.根据权利要求3所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，根据下式确定所述安全系数的范围：

其中，SF为安全系数，P为设计压力，P_H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。

9.根据权利要求1所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，所述进行山地管道裂纹缺陷剩余强度评价的步骤包括：

根据所述安全系数修正所述评价模型，利用修正后的评价模型来进行所述评价。

10.根据权利要求9所述的山地管道裂纹缺陷剩余强度的评价方法，其特征在于，根据所述安全系数修正所述评价模型中的应力强度因子，其中，

K_ISF＝K_I×SF，

其中，K_ISF为修正后的应力强度因子，SF为安全系数，K_I为修正前的应力强度因子。

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