海底管道系统全周期维护策略确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种海底管道系统全周期维护策略确定方法及装置，首先基于非线性有限元分析及蒙特卡洛法求解腐蚀管道结构的极限爆破压力及失效概率随时间的演变规律，可有效描述非线性因素及腐蚀缺陷间相互作用对于结构极限爆破压力及相应失效概率的影响规律；随后引入经济评价体系，以计算管道爆破失效费用成本以及维护策略的投入成本。最后将多目标优化算法与上述两部分模块耦合，完成不同管段的全周期失效概率演变特征以及对应经济成本的信息映射，从而寻找最优维护方案。该维护策略确定方法可综合考虑腐蚀缺陷间相互作用影响下管道系统的失效风险以及相应失效经济成本，使管道运营项目的安全性与经济性达到统一。管道运营项目的安全性与经济性达到统一。管道运营项目的安全性与经济性达到统一。

【技术实现步骤摘要】
海底管道系统全周期维护策略确定方法及装置


[0001]本专利技术涉及海底管道维护
，具体涉及一种海底管道系统全周期维护策略确定方法及装置。

技术介绍

[0002]海底管道作为输送油气资源的主要介质，具有高效、连续、经济等优点，广泛应用于海洋油气开发产业中。不同于陆上管道，海底管道工作环境恶劣，腐蚀情况加剧。统计资料表明，腐蚀为威胁海底管道安全性的首要因素。随着服役时间的增加，管道表面逐渐生成不同形式的腐蚀缺陷，其尺寸稳定增长。因而管道结构的极限爆破压力不断降低，当腐蚀缺陷间存在相互作用时其强度下降更为明显。当极限爆破压力下降至小于设计内压时，结构会发生爆破失效，引发原油泄漏甚至爆炸事故，为生命、经济、环境带来严重损失。为保障海底管道系统的安全性以及运营收益，需准确估计具有一定缺陷形式的腐蚀管道极限爆破压力及其失效概率演变特征，并结合经济评价体系，最终制定管道系统全周期维护策略，使管道项目的安全性和经济性达到统一。
[0003]目前，现存的管道维护策略确定方法主要存在以下两方面局限性：(1)对于结构极限爆破压力的求解大多基于经验公式法，难以描述非线性因素以及腐蚀间相互作用对极限爆破压力的影响规律，为失效概率估计引入较大模型误差，使设计偏于保守；(2)大多数研究局限于一定时间间隔内的维护策略制定，未考虑各管段的全周期失效概率演变规律及其对管道系统失效概率的贡献，难以规划管道系统的全周期维护策略，应用范围受限。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出一种海底管道系统全周期维护策略确定方法及装置。首先基于非线性有限元分析及蒙特卡洛法求解腐蚀管道结构的极限爆破压力及失效概率随时间的演变规律，可有效描述非线性因素及腐蚀缺陷间相互作用对于结构极限爆破压力及相应失效概率的影响规律；随后引入经济评价体系，以虑管道爆破失效的经济后果成本。最后将多目标优化算法与上述两部分模块耦合，完成不同管段的全周期失效概率演变特征以及对应经济成本的信息映射，从而寻找最优维护方案。
[0005]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种海底管道系统全周期维护策略确定方法，包括以下步骤：
[0006]S1：基于非线性有限元分析方法及蒙特卡洛方法，获取腐蚀管道结构的极限爆破压力及失效概率随时间的演变规律；
[0007]S2：引入经济评价体系，以计算管道爆破失效造成的经济后果成本；
[0008]S3：将多目标优化算法与步骤S1和S2得到的结果进行耦合，完成不同管段的全周期失效概率演变特征以及对应经济后果成本的信息映射，从而寻找最优维护方案，以实现海底管道系统的全周期维护。
[0009]进一步地，步骤S1中，所述非线性有限元分析方法包括：
[0010]S1.1：根据腐蚀缺陷尺寸、类型、以及海底管道尺寸及钢材料特性，建立相应的实体模型pipe
d
，并采用结构化网格方法为其划分网格；
[0011]S1.2：为实体模型pipe
d
两端施加固定端约束条件，约束其六个方向的自由度；为实体模型pipe
d
内表面施加单位压力荷载p
e
＝1MPa；
[0012]S1.3：基于应变失效准则，通过弧长法迭代求解管道结构在单位压力荷载p
e
下的极限爆破压力p
b
；
[0013]S1.4：基于S1.1
‑
S1.3描述的非线性有限元分析方法，采用拉丁超立方抽样法生成一定数量的训练样本集：
[0014]{x
i
,p
ib,FEM
(x
i
)}(i＝1,2,
…
,n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]式中，x
i
为训练样本集中第i个样本的自变量矢量；n为训练样本集的数量；p
ib,FEM
(x
i
)为训练样本集中第i个样本的自变量矢量对应的极限爆破压力有限元模拟值；
[0016]S1.5：根据训练样本集对预设的管道极限爆破压力预测模型进行训练，拟合得到非线性有限元分析的替代模型p
b,s
(x)，实现对管道极限爆破压力的预测。
[0017]进一步地，步骤S1.1中，所述腐蚀缺陷尺寸包括：缺陷深度d、缺陷长度l、缺陷宽度w、缺陷环向间距s
c
和缺陷轴向间距s
l
；所述腐蚀缺陷类型包括：单点腐蚀、环向分布腐蚀、轴向分布腐蚀和复合腐蚀；所述海底管道尺寸包括：管道外径D和管道壁厚t；所述钢材料特性包括：弹性模量E
s
、泊松比ν
s
、屈服强度σ
y
和极限抗拉强度σ
uts
。
[0018]进一步地，步骤S1.3包括：
[0019]绘制压力
‑
腐蚀区域von
‑
Mises应力变化曲线，当腐蚀区域的最小von
‑
Mises应力超过极限抗拉强度σ
uts
时，其对应的压力即为极限爆破压力p
b
。
[0020]进一步地，步骤S1.5中，所述预设的管道极限爆破压力预测模型包括：遗传编程模型、BP神经网络模型、径向基网络模型、支持向量机模型、混沌二次多项式展开模型和卷积神经网络模型中的至少一种。
[0021]进一步地，步骤S1中，所述蒙特卡洛方法包括：
[0022]S1.6：腐蚀缺陷的尺寸随管道服役时间稳定增长，按线性增长模型进行估计，估计公式如下：
[0023]d(t)＝d0+v
d
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]l(t)＝l0+v
l
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]w(t)＝w0+v
w
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0026]式中，d(t)为腐蚀缺陷在t时的深度，d0为腐蚀缺陷初始深度；l(t)为腐蚀缺陷在t时的长度，l0为腐蚀缺陷初始长度；w(t)为腐蚀缺陷在t时的宽度，w0为腐蚀缺陷初始宽度；v
d
为腐蚀深度年增长速率；v
l
为腐蚀长度年增长速率；v
w
为腐蚀宽度年增长速率；t为服役时间；
[0027]S1.7：当管道极限爆破压力p
b
小于设计工作内压p
op
时，管道发生爆破失效，基于可靠度理论，建立相应结构极限状态方程如下：
[0028]g(x,t)＝p
b,s
(x,t)
‑
p
op
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于非线性有限元分析方法及蒙特卡洛方法，获取腐蚀管道结构的极限爆破压力及失效概率随时间的演变规律；S2：引入经济评价体系，以计算管道爆破失效造成的经济后果成本；S3：将多目标优化算法与步骤S1和S2得到的结果进行耦合，完成不同管段的全周期失效概率演变特征以及对应经济后果成本的信息映射，从而寻找最优维护方案，以实现海底管道系统的全周期维护。2.根据权利要求1所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S1中，所述非线性有限元分析方法包括：S1.1：根据腐蚀缺陷尺寸、类型、以及海底管道尺寸及钢材料特性，建立相应的实体模型pipe
d
，并采用结构化网格方法为其划分网格；S1.2：为实体模型pipe
d
两端施加固定端约束条件，约束其六个方向的自由度；为实体模型pipe
d
内表面施加单位压力荷载p
e
＝1MPa；S1.3：基于应变失效准则，通过弧长法迭代求解管道结构在单位压力荷载p
e
下的极限爆破压力p
b
；S1.4：基于S1.1
‑
S1.3描述的非线性有限元分析方法，采用拉丁超立方抽样法生成预设数量的训练样本集：{x
i
,p
ib,FEM
(x
i
)}(i＝1,2,
…
,n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，x
i
为训练样本集中第i个样本的自变量矢量；n为训练样本集的数量；p
ib,FEM
(x
i
)为训练样本集中第i个样本的自变量矢量对应的极限爆破压力有限元模拟值；S1.5：根据训练样本集对预设的管道极限爆破压力预测模型进行训练，拟合得到非线性有限元分析的替代模型p
b,s
(x)，实现对管道极限爆破压力的预测。3.根据权利要求2所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S1.1中，所述腐蚀缺陷尺寸包括：缺陷深度d、缺陷长度l、缺陷宽度w、缺陷环向间距s
c
和缺陷轴向间距s
l
；所述腐蚀缺陷类型包括：单点腐蚀、环向分布腐蚀、轴向分布腐蚀和复合腐蚀；所述海底管道尺寸包括：管道外径D和管道壁厚t；所述钢材料特性包括：弹性模量E
s
、泊松比ν
s
、屈服强度σ
y
和极限抗拉强度σ
uts
。4.根据权利要求2所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S1.3包括：绘制压力
‑
腐蚀区域von
‑
Mises应力变化曲线，当腐蚀区域的最小von
‑
Mises应力超过极限抗拉强度σ
uts
时，其对应的压力即为极限爆破压力p
b
。5.根据权利要求2所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S1.5中，所述预设的管道极限爆破压力预测模型包括：遗传编程模型、BP神经网络模型、径向基网络模型、支持向量机模型、混沌二次多项式展开模型和卷积神经网络模型中的至少一种。6.根据权利要求1所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S1中，所述蒙特卡洛方法包括：S1.6：腐蚀缺陷的尺寸随管道服役时间稳定增长，按线性增长模型进行估计，估计公式如下：
d(t)＝d0+v
d
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)l(t)＝l0+v
l
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)w(t)＝w0+v
w
·
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，d(t)为腐蚀缺陷在t时的深度，d0为腐蚀缺陷初始深度；l(t)为腐蚀缺陷在t时的长度，l0为腐蚀缺陷初始长度；w(t)为腐蚀缺陷在t时的宽度，w0为腐蚀缺陷初始宽度；v
d
为腐蚀深度年增长速率；v
l
为腐蚀长度年增长速率；v
w
为腐蚀宽度年增长速率；t为服役时间；S1.7：当管道极限爆破压力p
b
小于设计工作内压p
op
时，管道发生爆破失效，基于可靠度理论，建立相应结构极限状态方程如下：g(x,t)＝p
b,s
(x,t)
‑
p
op
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，x为自变量矢量，t为管道服役时间，p
op
为设计工作内压，p
b,s
为替代模型预测获得的极限爆破压力；S1.8：管道结构的失效概率P
f
(x,t)为联合概率密度函数f
x
(x,t)在失效域内Ω
f
∈{x|g(x,t)≤0}积分，基于蒙特卡洛法，失效概率的无偏估计按公式(7)进行计算：(x,t)≤0}积分，基于蒙特卡洛法，失效概率的无偏估计按公式(7)进行计算：式中，f
x
(x,t)为联合概率密度函数；x1，x2，
…
，x
n
分别为自变量矢量的第1，第2，
…
，第n个分量；I(
·
)为指示函数，当y≤0时，I(y)＝1，当y>0时，I(y)＝0；N
f
为失效次数；N为蒙特卡洛模拟总次数。7.根据权利要求1所述的海底管道系统全周期维护策略确定方法，其特征在于，步骤S2包括：S2.1：计算管道失效事故发生后的经济成本后果C
tf
，包括失效损失费C
f
和总维修费用C
r
，计算公式如下：C
tf
＝C
f
+C
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)S2.2：失效损失费C
f
包括经济金融损失费C
eco
和环境金融损失费C
env
，按公式(9)进行计算；经济金融损失费C
eco
主要由泄漏到海水中的原油损失量及海底管道基础设施停工检修所造成的原油产量推迟所引起，按公式(10)进行估计；环境损失费C
env
按式(11)估计，其主要用于支付旅游业和渔业在石油泄漏和清理过程中的经济损失赔偿费，环境损失修复费用，以及溢油泄漏清理费：C
f
＝C
env
+C
eco
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)C
eco
＝C
p
×
(Q
lp
×
T
lp
+Q
dp
×
T
dp
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)C
env
＝54432[0.01(Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜逢源，赵恩金，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：