（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）具有腐蚀缺陷的在役海底管道剩余强度的评估研究.pdf

中文摘要 世界经济的发展对能源的需求同益增加，这就从客观上对海上油气建设提出了更高 的要求。于是海底管道系统运行的安全、有效性问题成为了目前国内外学者讨论的焦点。 由于海底管道传输的介质以及所处的复杂的海洋环境的影响，在长期运行期间难免会受 到各种形式的腐蚀损伤，为保证受腐蚀后的管道安全可靠的运行，我们需要对其进行精 确的检测，正确的对其承载能力和剩余寿命进行可靠性评估，最后提出合理的维护汁划。 因此，对腐蚀管道进行可靠性评估是正确预测管道的使用寿命、进行合理的维护修理的 指导前提，也是保证海底管道安全有效运营的重要手段。 本文以断裂力学理论为基础，以d n vr p f 1 0 1 腐蚀管道评估的推荐作法为蓝本，通 过对管道腐蚀损伤的三种腐蚀形式具体研究，建立了合理的评估计算模型，采用了分项 安全系数法和许用应力法对腐蚀管道的剩余强度进行了失效压力的计算，最后较详细的 介绍了遗传算法的基本理论，并把它应用到对腐蚀管道的进行可靠性评估中，得出其t q 靠性指标，并给出了相应的计算程序。通过一定的实例验证，计算结果合理程序编制 准确无误。 是键词：海底管道、腐蚀缺蹈、断裂力学、剩余强度、分项安全系数、遗传算法 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n do c e a np r o j e c ti nr e c e n t l yy e a r s ，m a n y c o u n t r i e sp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n c eo nt h ee x p l o i t a t i o no fo c e a n0 il a sa n i m p o r t a n tm e a n so ft r a n s p o r t i n g0 t 1u n d e rw a t e r ，s u b m a r i n ep i p e l i n ei ss u b j e c t e d t oc o r r o s i o nc a u s e db ys u r r o u n d i n gw a t e ra n dt h eo i1t r a n s p o r t e di nt h ep ip e li n e i n e v i t a b l y i ti sw e t lc o n c e r n e da b o u th o wt oc o n t r o lc o r r o s i o na n dh o wt oe s t i m a t e t h er e m a i n i n gs t r e n g t ho fp r e s s u r i z e dp i p e li n e sc o n t a i n e da c t i v ec o r r o s i o n ，w h i c h i sa l s ov e r yi m p o r t a n tt oe n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fp i p e l i n e s w h e t h e r t h em e t h o dt oe s t i m a t et h er e m a i n i n gs t r e n g t ho fp i p e l i n e so rn o ti sv e r yi m p o r t a nl t ot h er e m a i n i n g1 i f e ，m e n d i n ga n dp i p e l i n er e p l a c e m e n t ，w h i c h i sa l s ot h e p r e e o n d i t i o n f o rap i p e i i n em a n a g e rt om a k ed e c i s i o ne f f i c i e n t l y t h e p a p e r i sb a s e do nt h er u p t u r e d y n a m i c a lt h e o r y a n d d n vr p f 1 0 1 r e c 。m m e n d a t o r ym e t h o d ，t h r o u g ht h es t u d yo ft h r e ec o r r o s i o nm o d e l s ，w eh a v eb u i l t u pr a t i o n a le s t i m a t i o nm o d e l ，a d o p t e ds u b e n t r ys a f e t yc o e f f i c i e n tm e t h o d a n d a 1 1 0 w e ds t r e s sm e t h o dt oe s t i m a t et h er e m a i n i n gs t r e n g t ho fc o r r o d e n tp i p s i in e s ， a n df i n a l l y ，i n t r o d u c e dt h eg e n e t i ea l g o r i t h m sm e t h o dt oc o m p u t et h er e l j a bj1 t y o fc o r r o d e n tp i p e i n e s ，g a i n i n gt h er e l i a b i l i t yi n d e x ，a n dp r o v i d e dc o r r e s p o n d in g p r o g r a m t h r o u g hs o m ee x a m p l e s ，i t isp r o v e ds o u n da n dt h ep r o g r 、a m sv e r a c i t y k e y w o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i r e r e m a i n i n gs t r e n g t h ，s u b e n t r ys a f e t y c o r r o sio n ，r u p t u r e d y n a m ic a lt h e o r y c o e f f i c i e n t ，o e n e t jca l g o r i t h m s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注基鲎或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李嗄罔 签字日期：肋斗年；月ff 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞苤生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠苤芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒夔司 导师签名旃忍 签字目期：j 卟4 年 月if i 签字日期：l 哗年j 月一同 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 第一章绪论 就目前世界经济发展形势来看，对能源的依赖程度较之往年有了很大程度的 提高，并且将有逐年增加的趋势。作为占目前能源消耗绝大部分比重的石油、天 然气的开采与运输工程，已经受到世界各国的高度重视，于是作为该能源主要输 送载体的油气管道的建设与发展，也随之受到了普遍关注。据大量文献资料统计 表明，金属性腐蚀损伤是油气管道的主要失效形式，严重影响了管道运营的安全 性与有效性，如何对受腐蚀管道进行剩余寿命的预测及运行可靠性的评估，是目 前管道界急待解决的一个闻题。 一般而言，油气管道一般分为陆上管道以及海上管道两大类。为了防l l 人类 活动对管道的破坏，陆上管道大多采取埋设的铺设方式，阻减少其 了外界的接触， 达到延长管道使用寿命的目的。此类管道的腐蚀形式及受损伤后的检测、修理工 作相对容易，相关技术在目前已相对成熟，然而海底管道的情况却复杂了许多。 因其所处海底，海洋环境恶劣，情况复杂多变，由于海底温度、含氧量、周围介 质等的不同，会对海底管道产生各式各样的腐蚀破坏，并且对其进行检测与维修 工作也因环境的影响变得及其艰难，目前我们在这方面研究成果也不尽人意，急 需得到加强。 随着海底管道在油气输送方面的作用无法取代，于是对其腐蚀剩余寿命的预 测与评估变得犹为重要。油气输送管道腐蚀剩余寿命预测是管道安全评价的重要 组成部分，它直接关系到管道检测、维修和更换周期的确定。然而，由于腐蚀剩 余寿命预测工作中存在着许多不确定因素，包括环境、力学和材质状况等因素， 都难以取得准确结果，尤其是实际工况条件下的缺陷发展规律很难确定，造成腐 蚀剩余寿命预测工作难度增大，从目前研究状况来看也相对不成熟。例如，在现 行适用性评价标准c e g br 6 、p d 6 4 9 3 以及最新发布的a p i5 7 9 草案中，对寿 命预测方法仅提供了简单的指导性作法，实际使用中可操作性差。因此，腐蚀剩 余寿命预测一直是困扰管道评价人员的一大难题，发展较慢。 从以上分析可见：海底管道系统的发展对推动世界经济的持续稳定增长发挥 着越来越重要的作用，而现役的海底运输管道在不同程度上都不可避免的存在腐 蚀现象，特别是年过已久，所处环境恶劣的那些管道，严重影响了其运营的安全， 第一章绪论 稳定性，因此，对海底管道腐蚀缺陷进行准确合理的可靠性评估应受到围家及_ 丁 程界的高度重视。对受腐蚀损伤的海底管道的剩余寿命进行预测从而对憋个管道 系统受到腐蚀后的剩余强度间题进行合理的评估，这无论是在实际工程设计还是 在管道的修理与维护方面都有着重要的经济及社会价值。 本论文研究的意义 目前我国政府相关部门对于海底管道检测设备的研制及0 1 7 估给予了赢瞍的 重视，在最近的8 6 3 项目中投入了大量的资金进行干湿舱的研制工作，在不远的 将来实现对在役海底管道带压的检测及维修工作。那么，与此相对应的评估理论 的建立与规范化将被提到议事同程，本论文正是基于这点提出的，力图通过本 人的工作使得腐蚀管道的评估与国际接轨并且达到程序化。以前国内曾经有人做 过这方面的工作，但是研究成果不尽如人意，主要表现在：一是计算模型不完整； 二是编制出程序不实用。鉴于实际工程的迫切需求，本文有必要对陔问题进行更 深一层次的研究。 1 2 论文研究的主要内容 在对大量国内外相关资料，文献的查阅，研究的基础上，本文在海底腐蚀管 道的研究现状，发展趋势，检测技术及可靠性评估方法等方面做了如下的工作： 1 建立腐蚀管道确定性评估计算模型 根据海底管道的腐蚀损伤形式，评估系统根据具体的腐蚀损伤情况把腐 蚀区域划分为三种评估模型：单个腐蚀点，相互作用的腐蚀点和复杂形状的 腐蚀区。给出了该三种腐蚀形式的适用条件，并分别提供了具体的确定性评 估计算公式。本文进行的确定性及风险评估均以此评估计算模型为基础。 2 根据行业规范，采用两种腐蚀管道剩余强度的计算方法 随着海底管道腐蚀检测技术的不断发展，对在役海底管道腐蚀后剩余强 度的计算研究已逐渐受到各方的重视。d n v 近期推出了相应的评估指导性文 件，即中华人民共和国海洋石油天然气行业标准。在该文件中对腐蚀点 的检测精度要求无论在腐蚀点的长度、深度以及形状上都远大予以往的要 求，从而为应用断裂力学方法对有缺陷的腐蚀管道的剩余强度计算评估提供 了必要的数据基础。该标准为腐蚀管道剩余强度的计算提供了两种目前较为 第一章绪论 流行的方法：分项安全系数法和许用应力法。分项安全系数法与d n v 海上标 准o s p 1 0 l “海底管道系统”相配合，采用与其相同的分项安全系数方法 考虑到材料性质和缺陷深度测量尺寸的不确定性。利用d n v 推荐的用于确定 受腐蚀的管道的许用操作压力的概率校核方程，计算管道的许用操作压力。 当工作压力小于该压力数值时，管道为安全的。许用应力法首先计算腐蚀缺 陷的失效压力，并将该压力乘以一个基于管道初始设计系数的单一使用系 数。当腐蚀管道在其工作压力小于计算出的腐蚀后管道的承载能力( 即失效 压力) 时，管道为安全的。 3 介绍遗传算法基本原理，实现其在腐蚀管道可靠性评估巾的应用 简要介绍了进化遗传算法的基本思想，主要的计算评估公式，以及与其 他的目前比较常用的风险评估方法对比之优越性，重点阐述了遗传算法在腐 蚀管道可靠性评估中的应用。 4 评估方法程序化，编制评估软件 为了提高评估效率及计算精确度，更加方便准确的满足实际工程中的需 要，我们把评估过程程序化，通过应用c + + b u i l d e r 丌发工具和s q ls e r v e r 2 0 0 0 为后台数据库编写了海底腐蚀管道的风险评估软件，以实现程序化评 估，并通过实例证明其实用性和准确性。 1 3 论文的结构 第一章为绪论，简要介绍本论文研究的目的及意义，以及奉论文主要的研究 内容。 第二章为海底管道系统及其腐蚀损伤的研究发展现状的简述。首先综合分析 了海底管道的建设现状及发腱过程；然后分析了在腐蚀研究领域罩所耿得的成绩 及尚未解决的问题；最后说明了海底管道腐蚀损伤的几种控制、检测方法。 第三章以断裂力学理论为基础，以d n vr p f 1 0 l 腐蚀管道评估的推荐作法为 蓝本，正式提出了目f i ；j - l l 较流行的评估海底腐蚀管道的两种方法：分项安令系数 法和许用应力法。根据腐蚀状况的特点建立了三种计算模型：单个腐蚀点、相互 作用的腐蚀和复杂形状的腐蚀，并分别对这三种腐蚀形式住两种不同的剩余强度 计算方法中做了详细的阐述。 第一章绪论 第四章介绍了遗传算法的基本原理，及其在许用应力法对腐蚀管道可靠性评 估中的具体应用。 第五章对评估软件进行概要介绍，包括程序流程，各个基本模块的操作与功 能介绍等。 第六章是本论文的一个总结，并且对将来的研究做了客观的展望。 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的硼f 究发展现状 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的研究发展现状 2 1 海底管道系统的发展 在我国近二十年海上油气田开发中，从最初的油气田内部短距离海底管道发 展到各类长距离平台至陆地海底管道，海底管道设计、施工技术、检测及维修方 面都有了长足的发展。 我国第一条海底输油管道是中日合作开发的埋北油田油田内部海管，1 9 8 5 年建成投产，至今仍在生产。 我国第一条长距离油气混输海底管道是9 2 年建成投产的锦州2 0 2 天然气 凝析油混输管道；该管道长4 8 6 公罩，这是国内第+ 条由国内铺管船铺设的海底 管道。 我国迄今为止最长的海底管道是9 5 年底建成投产的由南海崖13 1 气f f l 至 香港的海底输气管道管道，由美国j pk e n n y 公司设计，意大利s e i p e m 公司铺 设。 我国第一条长距离稠油输送海底管道是2 0 0l 年建成投产的绥中3 6 一l 油h 中心平台至绥中陆上终端海底管道，该管道完全由海总工程公司设计并铺设。它 是在总结了绥中3 6 1 试验区海管输送的经验基础上建设而成。随后又设计敷设 了平湖油田海底管道。最近正在进行春晓、东方以及渤南等油田的设计论证工作。 今后几年是中国海油工程建设的高峰年；特别是随着海上天然气的大规模开发将 有近二千公里海底管道投入建设。 尽管近年来我国海上铺设了两千余公里海底管道，但目前国内设计、施工能 力及水平与国际先进水平相比还有很大差距。工程设计方面，国外公司已形成水 深近3 0 0 0 米恶劣海况与复杂海底地貌及地质情况下的设计技术。而困内设讣单 位仅能涉足百米水深、常规环境下的海管设计工程旅工方面国内只有两条铺管船 铺设水深百米以内。工程检测与维修方面更是相形见拙。2 0 0 0 年东海平湖输油 管道出现断裂后，国内相关单位用了一年多时间才完成修复，由此可见，我国在 海底管道设计、施工以及检修领域起步晚，技术相对落后。目前我国政府相关部 门对于海底管道检测设备的研制及评估给予了高度的重视在最近的8 6 3 项i 二i 中 门对于海底管道检测设备的研制及评估给予了高度的重视在最近的8 6 3 项目中 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的研究发展现状 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的研究发展现状 2 1 海底管道系统的发展 在我国近二十年海上油气田开发中，从最初的油气田内部短距离海底管道发 展到各类长距离平台至陆地海底管道，海底管道设计、施工技术、检测及维修方 面都有了长足的发展。 我国第一条海底输油管道是中日合作开发的埋北油田油田内部海管，1 9 8 5 年建成投产，至今仍在生产。 我国第一条长距离油气混输海底管道是9 2 年建成投产的锦州2 0 2 天然气 凝析油混输管道；该管道长4 8 6 公里，这是国内第一条由国内铺管船铺设的海底 管道。 我国迄今为止最长的海底管道是9 5 年底建成投产的由南海崖1 3 一l 气田至 香港的海底输气管道管道，由美国j pk e n n y 公司设计，意大利s e i p e m 公司铺 设。 我国第一条长距离稠油输送海底管道是2 0 0 1 年建成投产的绥中3 6 一l 油田 中心平台至绥中陆上终端海底管道，该管道完全由海总工程公司设计并铺设。它 是在总结了绥中3 6 一l 试验区海管输送的经验基础上建设而成。随后又设计敷设 了平湖油田海底管道。最近正在进行春晓、东方以及渤南等油田的设计论证工作。 今后几年是中国海油工程建设的高峰年：特别是随着海上天然气的大规模开发将 有近二千公里海底管道投入建设。 尽管近年来我国海上铺设了两千余公里海底管道，但目前国内设计、施工能 力及水平与国际先进水平相比还有很大差距。工程设计方面，国外公司已形成水 深近3 0 0 0 米恶劣海况与复杂海底地貌及地质情况下的设计技术。而国内设计单 位仅能涉足百米水深、常规环境下的海管设计工程施工方面国内只有两条铺管船 铺设水深百米以内。工程检测与维修方面更是相形见拙。2 0 0 0 年东海平湖输油 管道出现断裂后，国内相关单位用了一年多时间才完成修复，由此可见，我国在 海底管道设计、施工以及检修领域起步晚，技术相对落后。目前我国政府相关部 门对于海底管道检测设备的研制及评估给予了高度的重视，在最近的8 6 3 项目中 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的研究发展现状 投入了大量的资金进行干湿舱的研制工作，在不远的将来实现对在役海底管道带 压的检测及维修工作。那么，与此相对应的评估理论的建立与规范化将被提到议 事日程，本论文正是基于这一点提出的，力图同过本人的工作是的腐蚀管道的评 估与国际接轨并且达到程序化。 2 2 海底管道腐蚀 腐蚀是指金属材料表面和环境介质发生化学和电化学作用，日l 起表面损伤和 品格破坏等的现象和过程。管道铺设于海底，由于长期经受海洋复杂环境的影响， 不可避免的会产生各种状况的腐蚀缺陷，其中点腐蚀和面腐蚀是比较经典的两种 形式。当海洋管道遭受腐蚀后，管壁局部或大面积的交薄，这样将造成应力集中， 使管道强度降低，导致的后果将是管壁穿孔破坏，造成油气泄漏事故，经济损失 不可估量，而且对海洋环境造成的破坏，也是世界环卫组织绝对不允许的。所以 海底管道腐蚀的客观性、后果的严重性以及防腐的重要性必须引起我们的高度重 视。 海底管道的腐蚀一般分为内腐蚀和外腐蚀。内腐蚀即为管道内表面的腐蚀， 一般是由于管道内输送的介质引起的。油水混输、油水交替输送管道，特别是含 硫的油、气管道及输送含油的污水的管道内腐蚀较严重。外腐蚀是管道在海洋环 境中的腐蚀，包括海水腐蚀和土壤腐蚀。 海洋管道的腐蚀与输送介质及海底环境因素有关。主要包括：底层海水溶解 氧含量、底层海水溶解氧饱和度、底床的海水盐度、沉积物酸碱度( p h 值) 、 沉积物e h 值变化范围、底床三价铁与二价铁的比值( f e ”f e ”) 、底床硫化物含 量以及附着生物的月平均重量。 海底管道腐蚀形态复杂多变，根据对大量实际管道的探查研究，总结出了以 下几种常见的腐蚀形式：点腐蚀、面腐蚀、槽状腐蚀以及应力裂纹腐蚀。 2 3 海底管道的腐蚀控制与检测 管道运输是石油、天然气运输采用的主要方式。目前，在我国近70 的原 油、100 的天然气是通过管道来进行运输的。据不完全统计，我国已建成的 石油、天然气管道总里程已超过了2 万公里，正在兴建和拟建的管道也有近万公 第二章海底管道系统及其腐蚀缺陷的研究发展现状 里、油田集输管网、炼厂、城市管网累计达数十万公里。由于输送管线穿越地域 广阔，服役环境复杂，位置隐蔽，一旦发生失效破坏，往往造成巨大的经济损失， 导致人身伤亡等灾难性事故，对环境也会造成很大的破坏。据统计，我国现有的 长距离油气输送管线中已有70 进入了事故多发期，每年因为管线老化造成的 管道事故十分频繁，存在着极大的潜在危险。 为了解决管道安全生产的问题；世界上一些先进园家早在20 世纪60 年代 就开始管内检测设备的研制。经过几十年的发展和完善，目前，这项技术已日渐 成熟，被国内外广泛采用的管道内检测技术有超声波检测法和漏磁检测法两种类 型。这两种检测设备都可以在管道输送介质的驱动下，在线检测出管道上存在的 各种缺陷，为管道事故的预防及管道的合理维护提供了科学的依据。 超声波检测技术是利用超声波在匀速传播且可在金属表面发生部分反射的 特性，进行管道探伤检测的。检测器在管内运行时由检测器探头发射的超声波分 别在管道内外表面反射后被检测器探头接收。检测器的数据处理单元便可通过计 算探头接收到的两组反射波的时间差乘以超声波传播的速度，得出管道的实际壁 厚。由于超声波的传导必须依靠液体介质。且容易被蜡吸收，所以超声波检测器 不适合在气管线和含蜡很高的油管线进行检测，具有一定的局艰性。 漏磁式管道腐蚀检测设备的工作原理是利用自身携带的磁铁，在管壁全圆周 上产生一个纵向磁回路场。如果管壁没有缺陷，则磁力线囿于管壁之内，均匀分 布。如果管内壁或外壁有缺陷，则磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力线还 将穿出管壁之外而产生所谓漏磁。漏磁场被位于两磁极之阳j 的、紧贴管壁的探头 检测到，并产生相应的感应信号，这些信号经过滤波、放大、模数转换等处理后 被记录到检测器的海量存储器中，检测完成后，在通过专用软件对数据进行回放 处理、识别判断。目前，磁漏检测技术被广泛地应用在长输管道、油田集输管网、 炼厂管网、城市管网和海底管线的检测上。 第三苹海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 3 1 评估计算模型的建立 根据断裂力学理论和实际腐蚀缺陷的全尺寸容器试验，本文采用的对含有腐 蚀的管道进行评估的方法主要用于下列荷载的腐蚀缺陷的评估： 1 ) 只有内压荷载 2 )内压荷载和纵向压应力联合作用。 可以评估的缺陷类型包括： 1 ) 基材的内表面腐蚀 2 ) 基材的外表面腐蚀 3 ) 缝焊腐蚀 4 ) 环焊缝腐蚀 5 ) 相互作用腐蚀缺陷群体 6 ) 由于打磨修理引起的金属损失 不包括的内容： 1 )非碳素管线钢材 2 ) 管线钢级别超出x 8 0 3 ) 循环荷载 4 ) 裂纹 5 ) 腐蚀和裂纹结合 6 ) 腐蚀和机械损伤结合 7 ) 由于机械损伤引起的金属损失( 如凿槽) 8 ) 预制焊缝缺陷 9 ) 缺陷深度大于初始壁厚的8 5 。 本评估系统只适用于认为由于塑性压溃失效的管线钢。不推荐用于可能 第乏童塞底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 发生断裂的情况，包括： 1 0 ) 已经表明存在转变温度超过操作温度的任何材料 11 ) 大于1 2 7 m m 厚度的材料，除非其转变温度低于操作温度。 1 2 ) 在闪光焊( f w ) 管熔合线上的缺陷。 1 3 ) 搭界焊或内对接焊管。 1 4 ) 半镇静钢 本文中评估的缺陷分为三类。即单个缺陷、相互作用缺陷和复杂形状缺陷。 单个缺陷是个与相邻缺陷不存在相互作用的缺陷。单个缺陷的失效压力是独立 于管道中的其它缺陷的。相互作用缺陷是一个与相邻缺陷在轴向或环向相互作用 的缺陷。由于有相邻缺陷的影响，相互作用缺陷的失效压力比单个缺陷低。复杂 形状缺陷是由相互作用的缺陷或单个缺陷联合群体组成的缺陷，其形状是可以得 到的。 通过以上的说明，三种计算评估模型已基本建立，接下来就对以上建立的三 种计算模型分别用分项安全系数法和许用应力法进行的剩余强度计算做一下介 绍。以下介绍中出现的所有符号各自所代表的物理意义，请参照附录。 3 2 分项安全系数法 分项安全系数法是基于d n v 海底管道系统海洋标准o s f 1 0 1 的安全原则。 特别要考虑缺陷深度尺寸确定和材料性质的不确定因素。给出了用于确定受腐蚀 的管道的许用操作压力的概率标定方程。这些方法是基于l r f d ( 载荷和抗力系 数设计) 方法的。 按照d n vo s - - f 1 0 1 安全等级划分，本文对四个不同的检测精度( 精确值、 5 、1 0 、2 0 ) 和三个不同的可靠度水平( 高、正常、低) 给出了失效 后果，并给出了常用的两类检测方法( 基于相对测量如漏磁和基于绝对测量如超 声波) 的分项安全系数。 分项安全系数和相应的分位数值是基于规范标定，并被定义为三个可靠度水 平。分项安全系数和分位数值考虑了压力、材质、管予制造过程的质量和误差、 腐蚀缺陷尺寸测量的精度等等不确定性因素。 第三草海腻雷道脯蚀缺陷的剩余强度评估方法 表3 一l 极端状态( u l s ) 的安全等级和目标年度失效率 安全等级 目标年度失效率 高 1 0 。5 正常 1 0 4 低 l f f 3 管道设计通常根据位置分区、流体类别和每一种失效模式潜在的失效后果分 成不同的安全等级。一般而言，油气管道如位于人类活动不频繁区域，通常被划 分为一般等级。立管和靠近平台的管道或人员活动频繁区使用高安全等级。如水 管可被认为低安全等级。 检测尺寸的精度给出了相对于管道壁厚的值和一个相应的置信度。置信度表 明了将落在给定尺寸范围内的测量值，本文只给出了置信度为8 0 和9 0 两种。 假定为一个正态分布，可计算出随机变量d t 的标准偏差如下： 表3 - 2 标准偏差和置信度 氍信度 相对尺寸测量精度 8 0 9 0 精确值s t o d t = 0 0 0 s t d d t = 0 0 0 5 ts t d d t = o 0 4s t d d t = 0 0 3 l o ts t d d t = 0 0 8 s t d d t = o 0 6 2 0 ts t d d t = o 1 6s t d d t = o 1 2 对基于相对深度测量和绝对深度测量来说，分项安全系数均以缺陷深度测量 尺寸精度的函数给出的。对基于相对深度的检测，其精度常常表示为壁厚的分数。 对基于绝对深度测量的检测，精度常常被直接引用。合适的检测尺寸精度应与检 测仪器供应者商议来选定。表3 - - 3 给出了不同检测精度水平( 由标准偏差表示) 和安全等级的分项安全系数。 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 表3 - 3 分项安全系数和分位数值 尺寸检测的测量精度安全等级 s t d d t o 低正常 高 ( 精确值) 0 0 0 0 0 y d = 1 0 0y d = i ，0 0 y d = i 0 0 0 0 4o 0 y d = i 1 6y d = 1 1 6y d = i 1 6 o 0 81 0 y d = i 2 0y d = 1 2 8y d = i 3 2 o 1 6 2 o r d = 1 2 0y d = 1 3 8 y d = 1 5 8 当实际处理中，若没有与表3 3 相应的s t d d t 值时，我们可以按照下表 3 4 来根据s t d d t 的范围确定相应的分项安全系数和分位数值。 表3 4 计算分项安全系数和分位数值的多项等式 安全等级 n 范围 s t d d t o 0 4 y d = 1 0 + 4 o s t d d t 0 0 4 s t d d t 0 0 8 低 y d = i 0 + 5 5 s t d d t 卜3 7 5 0 0 8 s t d d t 3 6 0 居 ( 度) 相邻缺陷的纵向间距s 用，其中，内压荷载是管道不可避免的要承受的，为了使评估结果更为准确、合 理，在实际应用中，我们还要对其是否受到纵向压应力来分别进行评估计算。 i ) 只有内压衙载 当腐蚀管道只受到内压荷载作用时，我们可以按照以下验收公式来计算单个 腐蚀缺陷的腐蚀管道的许用压力( 当缺陷的环向长度超过纵向长度时此计算公式 将不再适用，各 = 号所代表的物理意义请参照跗录) 。 对于分项安仝系数法： p ：。2 t s m t sb ! 坐型 1 一h 一叫f 1 _ 掣1i q i 对于许用、t 力法： 。2 r u t s ( 1 d t ) _ ( d f ) ( 1 一( d t o ) ) 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 r w = f p f 其中： q = f 两 2 )内压和纵向压应力叠加作用 评估经受内压和纵向压应力作用的腐蚀缺陷方法不像评价仅有内压荷载腐 蚀缺陷方法那样容易理解。首先我们要确定在腐蚀缺陷的位置由于外部荷载如作 用在管子上的轴向、弯曲以及温度荷载而产生的纵向压力。根据管子的名义壁厚 计算管子腐蚀处的名义纵向弹性应力。 对于分项安全系数法： 组合的名义纵向应力是：o = a - i - a 8 矿篙筒h 赤赤 吼 去需f赫罔 二旦斟 一 一 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 ；f 1 一堕e 1 i t j 对于许用应力法 组合的名义纵向应力是：o l a 月+ a b 与上一种方法不同的是，这里要确定一下是否需要考虑外部纵向压缩荷 载对单个缺陷失效压力的影响。所以要先计算在仅有内压时的单个缺陷的失 效压力： 2 t u t s l l 一d t 2 瓦芥丽南 式中 q = f 福 然后计算纵向断裂的失效压力，包括对纵向压应力影响的校正： 2 t u t s l l 一d f i o c o m p = z 1 _ 7 _ 二旨h 1 ( d f ) 1 - ( d t q ) 1 式中 1 十旦土 h 1 = u t s 爿。 4 ：f 1 一生0 1。 【tj 一弘 0 责卷 幽 纠 墨三里塑窒筻堕堕丝墼堕塑型叁塑堕塑鱼查鲨 晟后确定经受内压荷载与纵向压应力组合作用的单个腐蚀确定的失效压力 弓= r n i n ( 名。，只唧) p s w = f p f 3 4 2 相互作用缺陷的评估 以下给出的就是作为本文计算模型的相互作用腐蚀缺陷示意图 一 j ，i j 一、“。 严格的说，相互作用的规则对仅受内压荷载的缺陷有效。按照使用者的判断 能力，这些规则可以用来确定在其他荷载条件下相邻的缺陷是否相互作用。但是， 对其他荷载条件使用这些相互作用规则可能是不保守的。需要的最少的资料包 括： 每个缺陷绕管子环向的角度位置 相邻缺陷之间的纵向间距 缺陷在内表面还是在外表面 每个独立缺陷的长度 每个独立缺陷的宽度 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 每个独立缺陷的深度。 当一段腐蚀管道上的某一腐蚀区域内各个离散的腐蚀点不满足其作为单个 腐蚀点进行评估的要求时，我们就要考虑它们之间在影响腐蚀管道失效压力方面 的相互作用，否则，其评估结论将是偏于危险的。在相互作用缺陷群内，为了确 定最小的预期失效压力，就一定要考虑该腐蚀区域内所有的单个缺陷以及所有的 相邻缺陷的组合。该方法的基本思想就是：用总长度( 某个组合的总长度，包括 间距) 和有效深度( 根据总长度和组合缺陷中每个缺陷的大致的腐蚀区域的矩形 面积) ，使用单个缺陷公式来评估所有组合的缺陷。 由于某腐蚀区域内各个腐蚀点分布的无规律性，对于组合腐蚀区域的划分， 便是需首先解决的问题。为了使评估结果更为合理、准确，我们的处理方法足： 在要评估的腐蚀区域内，采用在纵向和环向分别分区域，先评估纵向划分段内的 环向各个划分的所有组合的缺陷，取出环向评估中的最小失效压力，作为该纵向 划分段的许用压力，然后再进行下一个纵向划分段的评估的方法，进行两重循环 评估直至评估完整条腐蚀管段。 需要注意的是，在评估中遇到缺陷重叠的部分，我们应该把它们作为一个复 合缺陷进行处理，以组合的长度和最深缺陷的深度作为长度和深度。如果这个复 合的缺陷是由管内和管外缺陷跌加形成的，贝1 此复合缺陷的深度就是管内和管外 缺陷最大深度之和。 3 4 3 复杂形状缺陷的评估 以下给出的就是作为本文计算模型的复杂形状缺陷示意图 卜一一 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 括 囫铷 圆伽 广1 一 一习渺缂胖一 ，哥痒越坩t 也 该评估模型只适用仅受内压荷载的缺陷。 一个腐蚀区域若想作为复杂形状缺陷进行评估的话，需要的最少资料应该包 复杂形状缺陷的长度和深度剖面图。其长度必须是沿管予轴向的长 度。沿缺陷轴向长度某处的缺| f ! j 深度应取该轴向长度处沿环向的最大深 度( 即缺陷剖面的谷底处) 。 剖面的长度必须包括复杂形状缺陷首尾之问的所有材料。 若不能提供上述条件，则复杂形状缺陷的评估将尢法进行。 复杂形状缺陷评估的基本原理是确定此缺陷是否具有单个不规则“腐蚀斑” 的特性，或是否腐蚀斑”中的“点腐蚀”控制失效。同时也要评估点腐蚀之州 潜在的相互作用。 采用深度增量的方法，按深度将腐蚀缺陷分成了许多增量，在每个深度增 量上，通过许多含有理想“点腐蚀”的理想“腐蚀斑”将腐蚀缺陷模型化。“腐 蚀斑”的材料损失是比确定深度增量浅。而“点腐蚀”是指比确定深度增量深的 区域。在“腐蚀斑”中的点腐蚀的腐蚀管予许用压力是通过按壁厚减薄的等效管 考虑估算的。等效管的承载能力( 失效压力) 等于“腐蚀斑”的承载能力。 接下来使用相互作用缺陷的评估方法( 即t ： 节所述) 来评估在等效管上 的理想点腐蚀。 塑三童塑堕筻道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 在给定深度增量处估算的腐蚀管许用压力是“腐蚀斑”、理想点腐蚀、腐蚀 管和整个腐蚀区域的腐蚀管许用压力根据其总长度和平均深度许用压力中的最 小值。 对所有深度增量重复这一过程以确定最小的腐蚀管子的许用压力，这就是 复杂形状缺陷腐蚀管子的许用压力。 3 5 海底腐蚀管道的剩余强度评估计算实例 以上的分析是按照三种腐蚀形式分别进行的理论分析与公式推导，但是在实 际中，由于腐蚀状况的复杂多变性，我们很难确定某一段腐蚀管道内各个腐蚀缺 陷到底属于何种腐蚀形式，若想对其进行一个明确的划分再来进行相应的评估计 算，是不太可能，其评估结果也是不合理的。但是由于每种腐蚀模式都有各自的 前提条件，只有满足一定的条件的，才可以对其进行相应的评估计算，我们的程 序就是根据对腐蚀区域实际参数的判断，来自动把用户录入的腐蚀点进行类别划 分，即满足单个腐蚀点条件的腐蚀缺陷按照单个腐蚀点评估公式进行计算；满足 相互作用腐蚀条件的腐蚀缺陷按照相互作用的腐蚀评估流程进行评估；对于有腐 蚀剖面图的缺陷，按照复杂形状腐蚀缺陷进行评估计算。然后比较所有缺陷的评 估结果，选取一个最小值作为本腐蚀管段的剩余强度值。 下面以某一实验的实际测量数据为例，分别对这两种剩余强度评估方法进彳i ) ： 实例验证，以证明程序的实用与准确性，然后再就缺陷各参数对剩余强度的影响 作一个比较。 缺陷原始数据 管道外径：9 2 4 6 m m 原始壁厚：2 0 1 m m 规定的最小拉伸强度s m t s ：5 3 0 9 n m m 2 ( x 6 5 ) 缺陷1 腐蚀长度：2 2 1 4 m m 缺陷1 腐蚀深度：4 1 m m 缺陷l 相对于参考面的纵向距离：o m 第三章海底管道腐蚀缺陷的剩余强度评估方法 缺陷1 相对于参考面的环向角度：0 。 缺陷2 腐蚀长度：1 5 5 2 m m 缺陷2 腐蚀深度：6 3 m m 缺陷2 相对于参考面的纵向距离：3 0 0 6 m m 缺陷2 相对于参考面的环向角度：4 2 8 。 匠 旨 坦 暴 划 噬 创 业 屋 旨 厦 岙 蜊 嫩 蜊 业 尽 蜂 匠 番 恺 嫩 掣 型 联 逛 糕燃 惴、 剞倒 稍强 睽 盘 隶 一。皿u一q斟v惜龌甲擗卜器辑慕。眯较寡醯露越嘿磊靛鬲咚蒹永米(群文丑求陋s憔龌琳卜最靶圳一斟幕姆制一删趔 莨罂瀣誊西懊，趟聪髫逛，巡蜢g逛一巅抵蹴州g翟塔靛世醛旺篙；辑主a皱g赵嚣张蒜舞蛳讯雌塑沓基蜒鞋尉s鞍斟拦卜最 眯 h 毫 垦1 坦 z 盎 器 【o 恤 。 掣 莹2 蝼 巡 豁出 怅 噼r 妲 f 倒 肖旺 盎 辱 盘 求 显越骠蛳嚣x。_【刊博槭嗤刨醛翟塔 。悟匹i_峰卜最眯埒瘿弋早拳宴般暑弭非球+1世烈捌吲 。雄文蒜驰剞磷噩。=文r目世辎旺誊k蜮美。最趟妲利 。最趟罂犀剿g葚掣恒毯拦稚警嚣g。噗螺g磊轺茬压稚牡蜒锰即遥曙旺皿备卢瓷崇 军5椒草拳型凰粥藤罡翌搿暑婆蚓鼬世地懈鞲 一一 苎三童童塞笪望堕些丛堕堕型叁塑壅塑堡查鲨 通过对表3 - 1 和3 2 的对比，我们不难发现，缺陷的主要参数数值的微变对 剩余强度结果的影响状况，更容易发现，缺陷各参数的微变分别对最终剩余强度 的影响程度。随着腐蚀缺陷长度和深度的增大，剩余强度减小较为明显；然而随 着缺陷间间距的增大，剩余强度也随之增大；从上面的例子来看，缺陷环向间距 对剩余强度的影响是最小的，为了更为直观的了解各参数对剩余强度的影响效 果，本文作了如下图以便比较观察( 纵坐标单位：n r a m 2 ) ： 1 4 1 3 1 2 1 1 1 4 13 1 2 1 1 分项安全系数法评估结果图 许用应力法评估结果图 第四章基于遗传算法的海底管道腐蚀缺陷可靠性评估 第四章基于遗传算法的海底管道腐蚀缺陷可靠性评估 4 1 问题提出及意义 一般而言，无论是对结构进行可靠性分析还是可靠性优化设计，都有必要对 结构的可靠性指标b 进行评估计算，因此长期以来，国内外学者对此进行了大 量的研究工作，在其实用计算方法上已取得许多重要成果。在广义随机空间内计 算结构可靠性指标的方法，一是以j c 法为代表的迭代算法，二是用数学规划方 法求b 最，j i 值的优化算法，这些算法存在的主要不足是： ( 1 ) 需要计算极限状态函数的一阶偏导数，对某些实际问题，一阶偏导数可能 不存在，也可能求解很困难。 ( 2 ) 对于多峰性的极限状念函数，初始点的选择是否得当，将直接影响b 解的 质量及收敛性。 ( 3 ) 计算时间较长，特别是在可靠性优化设计时，有时不能为工程技术人员所 接受。 为了克服上述算法的不足，本文提出了同时考虑随机性和模糊性结构可靠性 指标的遗传算法。其理由是：遗传算法是模拟自然界中的进化过程或演变过程的 算法，它把适者生存原则和结构化与随机化的信息交换结合在一起，形成了具有 某些人类智能的特征，这恰恰能比较好地克服了计算结构可靠性指标传统算法的 不足之处，这主要表现在： ( 1 ) 遗传算法基本上不受函数约束条件诸如连续性，导数存在，极值等限制。 ( 2 ) 遗传算法是从种群开始搜索，且可并行地“爬”许多“【l j 峰”，这样便使陷 入局部最优解的可能性大大减少。 ( 3 ) 遗传算法不是盲目的随机搜索，而是使用交换，变异，繁殖等随机化的遗传 操作，进行具有导向性的随机化搜索，这不仅使搜索潜在解的范围扩大，同时还能 有效利用历史信息，推测出有希望改进特征的解。 鉴于遗传算法的上述特点，以及可靠性指标的必要性，我们将其引入到本文 中，对海底腐蚀管道进行可靠性评估，以达到求得可靠性指标b 的目的。 4 2 遗传算法基本理论简介 4 2 1 遗传算法概述 第四章基于遗传算法的海底管道腐蚀缺陷可靠性评估 遗传算法是类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，由 美国j h o l l a n d 教授提出，其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息 交换，搜索不依赖于梯度信息。它尤其适用于处理传统搜索方法难于解决的复杂 和非线性问题，可广泛用于组合优化、机器学习、自适应控制、规划设计和人工 生命等领域，是2 l 世纪有关智能计算中的关键技术之一。 生命科学与工程科学的相互交叉、相互渗透和相互促进是近代科学技术发展 的一个显著特点，而遗传算法的蓬勃发展正体现了科学发展的这一特征和趋势。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m 一g a ) ，是模拟达尔文的遗传选择和自然 淘汰的生物进化过程的计算模型，它是由美国m i c h i g a n 大学的j h o l l a n d 教授 于1 9 7 5 年首先提出的。j h o l l a n d 教授和他的研究小组围绕遗传算法进行研究 的宗旨有两个，是抽取和解释自然系统的自适应过程，二是设计具有自然系统 机理的人工系统。毫无疑问，h o l l a n d 教授的研究无论对自然系统还是对人工系 统都是十分有意义的。众所周知，在人工智能领域中，有不少问题需要在复杂而 庞大的搜索空间中寻找最优解或准最优解。像货郎担问题和规划问题等组合优化 问题就是典型的例子。在求解此类问题时，若不能利用问题的固有知识来缩小搜 索空n 贝1 j 会产生搜索的组合爆炸。因此，研究能在搜索过程中自动获取和积累有 关搜索空间的知识，并自适应地贯制搜索过程，从而得到最优解或准最优解的通 用搜索算法一直是可人瞩目的课题。遗传算法就是这种特别有效的算法。它的主 要特点是简单、通用，鲁棒性强适用于并行分布处理，应用范围广。尽管遗传 算法本身在理论和应用方法上仍有许多待进一步研究的问题，但它在组合优化问 题求解、自适应控制、规划设计、机器学习和人工生命等领域的应用中已展现了 其特色。和魅力。 4 22 遗传算法的特点 遗传算法不同于其他传统的优化算法，其主要特点表现在： ( 1 )