CN117686202A - 一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法，包括以下步骤：采集城市在役燃气调压器样本数据；燃气调压器样本的功能失效率确定；通过加速试验对燃气调压器的初始失效年限进行修正；利用失效率模型的数学期望公式，结合修正后最小在役运行年限的样本失效率，确定燃气调压器的可靠寿命，本方法可以通过燃气调压器在役性能状况检测，量化燃气调压器的使用年限，确定同型燃气调压设施的整体寿命，可有效支撑燃气调压设施的高效运维。提高了第一个采样期失效率的准确性，可提高5％～10％的寿命估算准确性。

Description

一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法

技术领域

本发明涉及城市燃气调压器领域，尤其是一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法。

背景技术

燃气调压器作为城市燃气工程中的核心设施，是燃气输送与分配系统的必须工序，在燃气供应过程中，调压器通过对压力工况进行精准调控，以满足用户对燃气的日常应用需求。由于环境腐蚀、气源杂质、自身质量以及使用时长等因素的影响，调压器可能会出现部件功能失效或损坏等情况。在这种带损状态下，调压器的运行将对城市燃气输配系统的运行安全造成多重威胁。燃气管网中有相当数量的调压器服役年限较长、服役状态不明。

目前，多通过状态监测与故障预警技术进行燃气调压器的故障诊断，以实现燃气调压器的运行安全。专利公开号为CN108108665A的“一种基于多变量的燃气调压器安全预警方法”，通过小波包能量分析出口压力信号的第一频带能量分布规律，确定燃气调压器是否存在高频故障或低频故障，并依据燃气调压器出口压力雷达图，判断是否对燃气调压器进行故障预警或故障报警。专利公开号为CN116701956A的“基于故障属性燃气调压器联合映射零样本故障诊断方法”，通过燃气调压器的故障属性特征，合成仿造未知类故障样本，并利用合成样本与已知类样本训练映射网络，构建零样本故障诊断模型。专利公开号为CN116817016A的“一种基于数据分析的燃气调压器运行故障诊断系统”，通过实时获取燃气调压器的压力、流量值，以及调压器切断阀在图像中的长度判断其工作状态，实现对燃气调压器的在线故障分析。但以上专利只能实现及时发现和定位调压器异常工作状态的目的，无法满足燃气系统中同类调压器可靠使用年限的定量评估需求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法，该测评方法可以实现在役燃气调压器使用年限的量化测评，明确燃气调压器的可靠工作时间，优化燃气调压设施的维护策略，可以减少非计划维护的频率，并避免发生燃气安全事故以及甲烷等温度气体的过度排放。

本发明的一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法，包括以下步骤：

步骤一、采集城市在役燃气调压器样本数据，过程如下：

第一步，采集需测评燃气调压器，对采集的燃气调压器样本进行原始性能参数的收集，采集的燃气调压器样本的在役运行年限分类不少于5个、相同在役运行年限内样本不少于5个；

第二步，统计燃气调压器样本的原始性能参数的要求值并检测燃气调压器样本与原始性能参数一一对应的运行性能参数的实测值；

第三步，对不同型号的调压器样本数据进行详细分类，将同一型号、不同在役运行年限的调压器归为一类，并统计数量；

步骤二、燃气调压器样本的功能失效率确定：针对同一类燃气调压器样本，将调压器运行后的运行性能参数的实测值与对应的原始性能参数的要求值比较，若调压器运行后的运行性能参数的实测值超出要求值，则判定调压器在该性能上功能失效，计算各项性能参数对应的功能失效率：

功能失效率计算公式：其中N(Δt_i)为时间间隔Δt_i内失效样本的数量，N_f(t_i-1)是在时间间隔Δt_i前仍未失效的数量，Δt_i为时间区间(t_i-1,t_i)的时间间隔，单位为年，当t₁为采样中最小在役运行年限时，则(t₀,t₁)的时间间隔为Δt₁＝t₁；

步骤三、通过加速试验对燃气调压器的初始失效年限进行修正，步骤如下：

第一步，确定关闭压力初次失效时的应力保持率作为调压器初次失效的阈值，具体过程为：选择同款多个未使用的燃气调压器，将其放置在[80℃,100℃]温度内的任一温度条件下，进行长期加速试验，并且每间隔一段时间从高温条件下取出并测试不少于3个燃气调压器的关闭压力性能以及调压器膜片的断裂强度，构建测试时间与关闭压力性能曲线以及测试时间与应力保持率曲线，记录关闭压力初次失效时的测试时间，并以此时间对应的调压器膜片应力保持率作为调压器初次失效的阈值，试验截止时间为至少出现关闭压力失效的时间；

第二步，确定初始失效年限确定：在[80℃,100℃]温度范围内，进行三组不同温度的调压器高温加速试验，确定不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，由不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，确定调压器失效年限，当应力保持率达到第一步中设定的初次失效的应力保持率阈值时，作为调压器达到初次失效时间，即为初始失效年限t_s；

第三步，修正最小采样年限的样本失效率：将步骤二采样中最小在役运行年限时的时间间隔Δt₁＝t₁，修正为Δt₁＝t₁-t_s，然后根据功能失效率计算公式修正最小在役运行年限的样本失效率；

步骤四、利用失效率模型的数学期望公式，结合修正后最小在役运行年限的样本失效率，确定燃气调压器的可靠寿命，具体步骤为：

第一步，估计失效率模型的参数，失效率模型为将样本的失效率及其对应在役运行年限代入模型，通过回归计算得到参数γ和θ，其中与在役运行最小在役运行年限对应的样本失效率以修正后最小在役运行年限的样本失效率替代计算；t为采样样本的在役运行年限，单位为年，h为与在役运行年限对应的样本失效率；

第二步，计算失效率模型的数学期望，即为调压器失效前可靠寿命的均值，可靠寿命的期望公式为其中Γ()为伽马函数，代入确定的参数γ和θ值，得到燃气调压器的可靠寿命。

本发明的优点：

1.本发明方法可以通过燃气调压器在役性能状况检测，量化燃气调压器的使用年限，确定同型燃气调压设施的整体寿命，可有效支撑燃气调压设施的高效运维，为城市燃气基础设施的健康评价提供依据。

2.本发明方法解决了燃气调压设施初次失效数据收集难的问题，提高了第一个采样期失效率的准确性，可提高5％～10％的寿命估算准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法的流程图；

图2为高温(温度在90℃)试验下的关闭压力随时间的变化情况图；

图3为高温(温度在90℃)试验下的应力保持率随时间的变化情况图；

图4为加速试验下的初始失效年限估算图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1所示，本发明的一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法，包括以下步骤：

步骤一、采集城市在役燃气调压器样本数据，过程如下：

第一步，采集需测评燃气调压器，对采集的燃气调压器样本进行原始性能参数的收集，采集的燃气调压器样本的在役运行年限分类不少于5个、相同在役运行年限内样本不少于5个。

第二步，统计燃气调压器样本的原始性能参数的要求值并检测燃气调压器样本与原始性能参数一一对应的运行性能参数的实测值。

第三步，对不同型号的调压器样本数据进行分类，将同一型号、不同在役运行年限的调压器归为一类，并统计数量。

步骤二、燃气调压器样本的功能失效率确定：针对同一类燃气调压器样本，将调压器运行后的运行性能参数的实测值与对应的原始性能参数的要求值比较，若调压器运行后的运行性能参数的实测值超出要求值，则判定调压器在该性能上功能失效，计算各项性能参数对应的功能失效率：

功能失效率计算公式：其中N(Δt_i)为时间间隔Δt_i内失效样本的数量，N_f(t_i-1)是在时间间隔Δt_i前仍未失效的数量，Δt_i为时间区间(t_i-1,t_i)的时间间隔，单位为年，当t₁为采样中最小在役运行年限时，则(t₀,t₁)的时间间隔为Δt₁＝t₁。

步骤三、通过加速试验对燃气调压器的初始失效年限进行修正。由于初始失效的燃气调压器难以通过采样的方式确定，本发明采用一种加速试验来确定。

第一步，确定关闭压力初次失效时的应力保持率(应力保持率为试验后膜片断裂强度/未试验前的膜片断裂强度)作为调压器初次失效的阈值，具体过程为：选择同款多个未使用的燃气调压器(通常不少于30个)，将其放置在[80℃,100℃]温度内的任一温度条件下，进行长期加速试验，并且每间隔一段时间从高温条件下取出并测试不少于3个燃气调压器的关闭压力性能以及调压器膜片的断裂强度，构建测试时间与关闭压力性能曲线以及测试时间与应力保持率曲线，记录关闭压力初次失效时的测试时间，并以此时间对应的调压器膜片应力保持率作为调压器初次失效的阈值，试验截止时间为至少出现关闭压力失效的时间。

第二步，确定初始失效年限确定：在[80℃,100℃]温度范围内，进行三组不同温度的调压器高温加速试验，确定不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，由不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，确定调压器失效年限，具体参见发明名称为《一种燃气胶管的寿命快速测试方法及其测试系统》(授权公告号：CN112560237 B)。当应力保持率达到第一步中设定的初次失效的应力保持率阈值时，作为调压器达到初次失效时间，即为初始失效年限t_s。

第三步，修正最小采样年限的样本失效率：将步骤二采样中最小在役运行年限时的时间间隔Δt₁＝t₁，修正为Δt₁＝t₁-t_s，然后根据功能失效率计算公式修正最小在役运行年限的样本失效率。

步骤四、利用失效率模型的数学期望公式，结合修正后最小在役运行年限的样本失效率，确定燃气调压器的可靠寿命，具体步骤为：

第一步，估计失效率模型的参数，失效率模型为(是现有的模型，具体参见可靠性工程(第2版)P14，电子工业出版社)，其中，t为采样样本的在役运行年限，单位为年，h为与在役运行年限对应的样本失效率。将样本的失效率及其对应在役运行年限代入模型，通过回归计算得到参数γ和θ，其中与在役运行最小在役运行年限对应的样本失效率以修正后最小在役运行年限的样本失效率替代计算。

第二步，计算失效率模型的数学期望，即为调压器失效前可靠寿命的均值，可靠寿命的期望公式为其中Γ()为伽马函数，代入确定的参数γ和θ值，得到燃气调压器的可靠寿命。

实施例

步骤一、以某城市在运行的同一品牌燃气调压器以例。

①选取样品36只。在役运行7年的燃气调压器8只、运行8年的7只、9年的10只、10年的6只、11年5只。

②燃气调压器的性能要求：声称关闭压力等级SG为25％、关闭压力P_b为2.70kPa、额定的出口压力P_2s为2.16kPa、调压膜片断裂强度不低于10MPa、调压膜片拉断伸长率不低于400％。

③统计并测试燃气调压器性能。按年限对采样的调压器进行分组，利用现有的燃气调压器特性测试系统，对原始性能对应的运行性能进行测试。具体结果见表1。

表1采样调压器的性能

步骤二、燃气调压器样本的功能失效率确定。

①功能失效个数统计。以关闭压力为判定项，统计失效个数，见表2。

表2调压器失效个数(关闭压力)

在役运行年限	失效个数
		7	4
8	3
		9	5
10	5
		11	4

②确定失效率。

利用对表2进行失效率计算，则不同工作年限下的调压器失效率见表3。

表3调压器失效率(关闭压力)

在役运行年限	失效个数N(Δti)	总数Nf(ti-1)	时间间隔Δti	失效率hi
					7	4	36	7	0.0159
8	3	32	1	0.0938
					9	5	29	1	0.1724
10	5	24	1	0.2083
					11	4	19	1	0.2105

步骤三、通过加速试验对燃气调压器的初始失效年限进行修正。

确定关闭压力初次失效时的应力保持率(应力保持率为试验后膜片断裂强度/未试验前的膜片断裂强度)作为调压器初次失效的阈值，具体过程为：选择同款30个未使用的燃气调压器，将其放置在高温温度条件下，进行长期加速试验，并且每间隔一段时间从高温条件下取出并测试不少于3个燃气调压器的关闭压力性能以及调压器膜片的断裂强度，构建测试时间与关闭压力性能曲线以及测试时间与应力保持率曲线，记录关闭压力初次失效时的测试时间，并以此时间对应的调压器膜片应力保持率作为调压器初次失效的阈值，试验截止时间为至少出现关闭压力失效的时间。

①由图2可得高温90℃试验第8天时，调压器关闭压力功能出现初始失效情况，此时整个过程中膜片应力保持率下降，且在第8天时达到0.88。

②在100℃、90℃和80℃下进行了长期试验，在应力保持率达到初次失效阈值0.88时，分析结果见图4。由图可知，计算结果中频度较高的工作时间在[6.3,6.4]之间，因而确定初始失效年限为6.3年。若采样燃气调压器未有失效情况，此数据可作为该类型燃气调压器的无故障运行年限。

③失效率修正。

修正最小采样年限的样本失效率，结果见表4。

表4调压器失效率(关闭压力)

步骤四、利用失效模型的数学期望，结合修正后失效率，确定燃气调压器的可靠寿命。

将表4失效数据代入求得γ＝3.096、θ＝10.953。代入参数计算失效前工作年限的数学期望/>E(t)＝9.80年。

若代入表2失效数据，可求得γ＝4.566、θ＝11.732。代入参数计算失效前时间的期望E(t)＝10.71年，与修正后的偏差为8.6％。

通过上述分析，可知采样燃气调压器的可靠寿命为9.8年，超过9.8年的燃气调压器的运行可靠性较低，需要进行更换。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种在役燃气调压器可靠寿命测评方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采集城市在役燃气调压器样本数据，过程如下：

第一步，采集需测评燃气调压器，对采集的燃气调压器样本进行原始性能参数的收集，采集的燃气调压器样本的在役运行年限分类不少于5个、相同在役运行年限内样本不少于5个；

第二步，统计燃气调压器样本的原始性能参数的要求值并检测燃气调压器样本与原始性能参数一一对应的运行性能参数的实测值；

第三步，对不同型号的调压器样本数据进行详细分类，将同一型号、不同在役运行年限的调压器归为一类，并统计数量；

步骤二、燃气调压器样本的功能失效率确定：针对同一类燃气调压器样本，将调压器运行后的运行性能参数的实测值与对应的原始性能参数的要求值比较，若调压器运行后的运行性能参数的实测值超出要求值，则判定调压器在该性能上功能失效，计算各项性能参数对应的功能失效率：

功能失效率计算公式：其中N(Δt_i)为时间间隔Δt_i内失效样本的数量，N_f(t_i-1)是在时间间隔Δt_i前仍未失效的数量，Δt_i为时间区间(t_i-1,t_i)的时间间隔，单位为年，当t₁为采样中最小在役运行年限时，则(t₀,t₁)的时间间隔为Δt₁＝t₁；

步骤三、通过加速试验对燃气调压器的初始失效年限进行修正，步骤如下：

第一步，确定关闭压力初次失效时的应力保持率作为调压器初次失效的阈值，具体过程为：选择同款多个未使用的燃气调压器，将其放置在[80℃,100℃]温度内的任一温度条件下，进行长期加速试验，并且每间隔一段时间从高温条件下取出并测试不少于3个燃气调压器的关闭压力性能以及调压器膜片的断裂强度，构建测试时间与关闭压力性能曲线以及测试时间与应力保持率曲线，记录关闭压力初次失效时的测试时间，并以此时间对应的调压器膜片应力保持率作为调压器初次失效的阈值，试验截止时间为至少出现关闭压力失效的时间；

第二步，确定初始失效年限确定：在[80℃,100℃]温度范围内，进行三组不同温度的调压器高温加速试验，确定不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，由不同温度条件下调压器膜片应力保持率随时间变化的关系，确定调压器失效年限，当应力保持率达到第一步中设定的初次失效的应力保持率阈值时，作为调压器达到初次失效时间，即为初始失效年限t_s；

第三步，修正最小采样年限的样本失效率：将步骤二采样中最小在役运行年限时的时间间隔Δt₁＝t₁，修正为Δt₁＝t₁-t_s，然后根据功能失效率计算公式修正最小在役运行年限的样本失效率；

步骤四、利用失效率模型的数学期望公式，结合修正后最小在役运行年限的样本失效率，确定燃气调压器的可靠寿命，具体步骤为：

第一步，估计失效率模型的参数，失效率模型为将样本的失效率及其对应在役运行年限代入模型，通过回归计算得到参数γ和θ，其中与在役运行最小在役运行年限对应的样本失效率以修正后最小在役运行年限的样本失效率替代计算；t为采样样本的在役运行年限，单位为年，h为与在役运行年限对应的样本失效率；

第二步，计算失效率模型的数学期望，即为调压器失效前可靠寿命的均值，可靠寿命的期望公式为其中Γ()为伽马函数，代入确定的参数γ和θ值，得到燃气调压器的可靠寿命。