融合腐蝕速率與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的油氣管道壽命預(yù)測(cè)

徐昊 石慧 王遠(yuǎn)洋

摘要：油氣管道在復(fù)雜惡劣的運(yùn)行條件下會(huì)受到各種腐蝕因素與管道自身退化的影響，大幅降低管道運(yùn)行的安全性和可靠性。為提高管道壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，建立了一種融合腐蝕速率模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)方法。首先根據(jù)管道的歷史退化數(shù)據(jù)建立維納退化模型，其次利用腐蝕速率模型對(duì)漂移系數(shù)進(jìn)行描述，從而估計(jì)模型中的未知參數(shù)，最終獲得管道剩余壽命的概率密度函數(shù)及預(yù)測(cè)值。以某腐蝕油氣管道的退化數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：結(jié)合維納過(guò)程和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，將影響管道腐蝕的外部環(huán)境因素和管道自身退化數(shù)據(jù)充分利用，能夠有效預(yù)測(cè)管道的壽命，具有較好的可行性與適用性。研究結(jié)果可為油氣管道維修策略制定提供參考。

關(guān)鍵詞：油氣管道；剩余壽命；維納過(guò)程；腐蝕速率；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

0 引 言

管道是油氣的主要運(yùn)輸方式，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也占相當(dāng)大的比重，管道的安全運(yùn)行也與人們的生活息息相關(guān)［1-2］。我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，腐蝕環(huán)境差異顯著，管道極易受到外部環(huán)境的腐蝕，這樣就大幅降低了其安全性，縮短了使用壽命［3-4］。為有效預(yù)防油氣管道發(fā)生災(zāi)難性的事故，對(duì)管道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)有著重要的意義。

長(zhǎng)輸管道腐蝕速率預(yù)測(cè)模型主要有經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測(cè)模型、半經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測(cè)模型和機(jī)理型預(yù)測(cè)模型［5-6］。曹乃寧［7］構(gòu)建的腐蝕速率模型首次考慮了CO2分壓的影響因素。劉熠［8］通過(guò)對(duì)油氣管道腐蝕因素的分類總結(jié)，建立了新的氣油兩相流腐蝕速率模型。近些年，對(duì)腐蝕速率的研究主要是建立新的腐蝕速率模型或者通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法建立數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)管道進(jìn)行腐蝕速率預(yù)測(cè)［7］。腐蝕速率模型通?；诓煌母g機(jī)理和腐蝕因素建立，因?yàn)楣艿赖倪\(yùn)行狀態(tài)以及腐蝕因素復(fù)雜多樣，所以通過(guò)腐蝕速率模型預(yù)測(cè)腐蝕速率需要選擇相對(duì)應(yīng)的管道進(jìn)行管道的壽命預(yù)測(cè)，該方法具有一定的局限性。通過(guò)腐蝕速率模型計(jì)算出腐蝕速率數(shù)值，從而對(duì)管道剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，雖然可以較快地預(yù)測(cè)管道剩余使用壽命，進(jìn)而采取相關(guān)的防護(hù)措施，但這種方法僅僅考慮了管道腐蝕的環(huán)境因素，并沒(méi)有考慮管道本身的退化量。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)管道進(jìn)行剩余壽命的預(yù)測(cè)已有大量研究，M.GASPERIN等［9］對(duì)設(shè)備進(jìn)行壽命分布的研究時(shí)充分考慮了線性退化模型；ZHOU M.等［10］總結(jié)了不同的模型對(duì)管道可靠性的影響，通過(guò)隨機(jī)過(guò)程對(duì)管道腐蝕的增長(zhǎng)進(jìn)行描述；張新生等［11］運(yùn)用逆高斯過(guò)程建立腐蝕退化模型；SUN B.等［12］結(jié)合了隨機(jī)過(guò)程和干擾理論，進(jìn)而對(duì)管道的腐蝕退化過(guò)程進(jìn)行建模；陳亮等［13］對(duì)管道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)時(shí)充分考慮了測(cè)量誤差的影響；張鵬等［14］在考慮腐蝕油氣管道腐蝕穿孔、局部爆破和整體斷裂的條件下，建立了隨機(jī)變量相關(guān)的失效概率模型；FU G.Y.等［15］考慮多種失效模式及其隨機(jī)相關(guān)性，分析了埋地管道的可靠性；V.ARYAI等［16］在基于融合伽馬過(guò)程和Copula函數(shù)的條件下，估算了管道的失效概率。但是以上方法主要采用管道自身的歷史退化數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，缺乏一定的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，無(wú)法充分有效利用管道腐蝕模型指導(dǎo)壽命預(yù)測(cè)，不能對(duì)管道腐蝕的退化機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行深入分析。

筆者將腐蝕速率物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)有機(jī)融合，應(yīng)用維納過(guò)程建立油氣管道退化模型，通過(guò)腐蝕速率模型估計(jì)模型中的未知參數(shù)，不僅可以充分考慮到腐蝕管道自身退化過(guò)程的不確定性，而且腐蝕速率模型可以考慮到溫度、CO2、H2S等外部環(huán)境影響因素，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)管道壽命。

1 模型描述

1.1 維納過(guò)程

維納過(guò)程可以描述設(shè)備的退化過(guò)程，具有良好的計(jì)算和分析能力［17-18］。一方面，如果設(shè)備退化過(guò)程隨時(shí)間線性變化，則可以描述線性漂移維納過(guò)程。另一方面，線性漂移維納過(guò)程模型的剩余壽命分布服從逆高斯過(guò)程。本節(jié)使用線性漂移維納過(guò)程模型來(lái)對(duì)油氣管道進(jìn)行失效模型的建立。

2 退化模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

綜合上述對(duì)維納過(guò)程和腐蝕速率修正模型的分析，可通過(guò)維納過(guò)程對(duì)油氣管道退化數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并通過(guò)腐蝕速率模型描述模型中的漂移系數(shù)。其基本流程如圖2所示。

預(yù)測(cè)方法具體步驟如下：

（1）通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的管道退化數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，判斷管道的腐蝕深度退化過(guò)程是否符合維納過(guò)程。若服從，則可對(duì)管道的腐蝕深度建立基于維納過(guò)程的性能退化模型。

（2）利用腐蝕速率修正模型得到不同檢測(cè)時(shí)刻的腐蝕速率，從而估計(jì)模型中的漂移系數(shù)θ；并通過(guò)極大似然估計(jì)進(jìn)一步獲取擴(kuò)散系數(shù)σ的估計(jì)值。

（3）將步驟（2）所得到的參數(shù)代入剩余壽命概率密度函數(shù)式中。根據(jù)概率密度函數(shù)定義，其最大值處所對(duì)應(yīng)的值即為管道所對(duì)應(yīng)的剩余壽命。

2.2 剩余壽命預(yù)測(cè)建模

3.3 壽命預(yù)測(cè)與腐蝕速率模型對(duì)比分析

通過(guò)腐蝕速率模型與極大似然估計(jì)法得到漂移系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)，并將不同檢測(cè)時(shí)刻的參數(shù)估計(jì)值代入該模型，結(jié)合式（6）和式（10）可得到管道剩余壽命的概率分布。概率密度函數(shù)的峰值作為不同檢測(cè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖5中，管道剩余壽命的實(shí)際值由紅色虛線表示，所求管道剩余壽命預(yù)測(cè)值由紅色實(shí)線表示，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差由兩條線之間的距離表示。

由圖5可知，隨著管道運(yùn)行年限的不斷延長(zhǎng)，管道剩余壽命概率密度函數(shù)的峰值也逐漸遞增，說(shuō)明管道的剩余壽命不斷縮短，符合管道運(yùn)行的狀況。

將不同時(shí)刻下所檢測(cè)到的概率密度函數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為管道的預(yù)測(cè)值，可得到管道剩余壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可知，隨著檢測(cè)時(shí)刻的不斷延長(zhǎng)，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差逐漸縮小，預(yù)測(cè)精度也逐漸提高。

為驗(yàn)證本文方法的預(yù)測(cè)效果，與腐蝕速率模型進(jìn)行了對(duì)比分析?；诟g速率模型預(yù)測(cè)管道壽命的方法需要管道在不同的腐蝕環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)預(yù)測(cè)管道壽命。該方法缺乏對(duì)管道自身退化過(guò)程的充分考慮，會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)誤差偏大?；诟g速率預(yù)測(cè)管道剩余壽命的公式：

通過(guò)本文提出的腐蝕速率模型對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，并與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，本文提出的模型在不同檢測(cè)時(shí)刻的相對(duì)誤差均小于腐蝕速率模型，證明了前者在充分考慮管道腐蝕外部環(huán)境的影響下，提高了維納退化模型的預(yù)測(cè)精度，但該模型仍存在一定的誤差，所以在模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面仍然需要進(jìn)一步地開(kāi)展研究。

4 結(jié) 論

本文首先根據(jù)管道自身退化數(shù)據(jù)構(gòu)造退化模型，在考慮管道腐蝕外部環(huán)境因素的情況下，引入腐蝕速率模型估計(jì)維納過(guò)程模型中的未知參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行管道的壽命預(yù)測(cè)。最后以某油氣管道為例，將本文方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與腐蝕速率模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出方法的準(zhǔn)確性。得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)分析油氣管道的退化機(jī)理和腐蝕影響因素，根據(jù)管道腐蝕退化特點(diǎn)建立了基于維納過(guò)程的腐蝕管道退化模型。

（2）結(jié)合維納過(guò)程和腐蝕速率模型，將影響管道腐蝕的外部環(huán)境因素建立起腐蝕速率模型和管道退化數(shù)據(jù)充分利用，有效提高了模型預(yù)測(cè)精度。

（3）與單一的腐蝕速率模型預(yù)測(cè)管道壽命結(jié)果對(duì)比，預(yù)測(cè)值在不同的檢測(cè)時(shí)刻的誤差值均較后者低，證明本文方法具有一定的準(zhǔn)確性，可為油氣管道維修策略制定提供參考。

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