龙蒙召,王战辉∗∗,李瑞瑞,高 星,殷香奎,刘玲娜,杨煜岩,段梓浩,郭蒂娜

(1.榆林学院化学与化工学院,陕西榆林 719000;2.山东电力工程咨询院有限公司,山东济南 250013;3.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室,陕西榆林 719000)

天然气和石油作为全世界的战略储备能源,日常生活依赖度极高,而承担着天然气和石油经济高效运输的管道,其安全的重要性是毋庸置疑的[1]。天然气和石油的运输管道发生穿孔等安全事故,会导致运输工作的瘫痪,而且会耗费大量的人力物力,更危险的是会破坏生态环境的平衡,给人们的生活造成很大的困扰,因此,天然气和石油的运输管道必须要做好安全防范[2]。

如果缺乏天然气和石油运输管道标准的修理策略,没有对其进行安全预测,就会造成大量的管道腐蚀现象发生[3]。在天然气与石油管道压力失效的事故中,由于腐蚀造成的事故占到了总事故的一半[4]。为了使天然气和石油运输管道更加安全科学稳定经济高效运行,制定合适的管道剩余强度评价方法刻不容缓,并且应将其严格执行。

20世纪70年代初期建立评估规范,针对的管道强度和使用寿命也各不相同[5]。管道的破损主要是腐蚀造成的,而造成腐蚀的原因多样复杂,因此为了确保管道安全输送油气,人们建立了一系列安全评定模型,比较主流的包括ASME B31G Modified、 DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、ASME B31G,AGANG-18、C-Fer这8种评价标准,将不规则的腐蚀区域简化成一个矩形,从而方便进行安全评定和相关计算分析[6-7]。天然气和石油运输管道剩余强度评价方法在中国起步比较晚,方法多是引荐国外的权威机构所发布的评价方法[8]。

近年来,随着神经网络算法如BP、GA-BP的出现,将神经网络算法应用于管道剩余强度评价的研究也越来越多,并且发挥着越来越重要的作用[9-10]。因此,笔者以已有的文献[11-12]实验数据为研究对象,以压力比和相对误差为指标,将BP、GA-BP、带动量项的BP 神经网络评价方法与传统的剩余强度评价方法ASME B31G、ASME B31G Modified、DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、AGANG-18 和C-Fer等进行对比研究,考察其适用性和安全性。

1 常用剩余强度评价方法介绍

1.1 ASME B31G Modified评价方法

ASME B31G Modified评价方法保守性能过高,因此对该准则进行了数次修改,其数学表达式见公式(1)。

式中:M1为膨胀系数;σ为流变应力,MPa;Pf1为剩余强度,MPa;d为腐蚀缺陷深度,mm;D为管道外径,m;L为腐蚀缺陷长度,mm;t为管道壁厚,mm。

1.2 ASME B31G评价方法

ASME B31G 规范数学表达式见公式(2)~(3)。

式中:M2为膨胀系数;σflow为流变应力,MPa;Pf2为剩余强度,MPa;d为腐蚀缺陷深度,mm;D为管道外径,m;L为腐蚀缺陷长度,mm;t为管道壁厚,mm。

1.3 DNV-RP-F101评价方法

DNV-RP-F101评价方法适用于对各种缺陷进行评价,是中高强度钢安全评价常用工业标准[6]。其数学表达式见公式(4)。

式中:M3代表DNV-RP-F101计算式管道膨胀系数;Pf3表示DNV-RP-F101 的预测剩余强度,MPa。

1.4 PCORRC评价方法

PCORRC 方法适用于中高强度管道剩余强度评价,常用于实际生产,主要用于X52-X70 钢的评定[7]。其数学表达式见公式(5)。

式中:Pf4是PCORRC 预测方法的剩余强度,MPa;σu是管道的最大拉伸强度,MPa。

1.5 SHELL92评价方法

SHELL92 评价方法经过 ASME B31G Modified 计算修改得来的,相比AMSE B31G Modified,SHELL92用最大拉伸强度进行计算,所以更适合有纵向缺陷的管道剩余强度的评价。其数学表达式见公式(6)。

式中:Pf5表示为SHELL92 的预测剩余强度,MPa;M5表示为SHELL92管道膨胀系数。

1.6 BS7911评价方法

BS7911评价方法适用于单一缺陷,然而相较于其他评价方法,BS7911更适合评定海底管道的腐蚀剩余强度。其数学表达式见公式(7)。

式中:Pf6表示BS7911 的预测剩余强度,MPa;R1、R2分别表示为管道内外半径,m。

1.7 AGANG-18评价方法

AGANG-18评定方法是上世纪被美国及其一家输送企业提出来并完善的,其数学表达式见公式(8)。

1.8 C-Fer评价方法

C-Fer评价方法适用于中高强度钢腐蚀管道剩余强度的评价,其数学表达式见公式(9)。

2 BP神经网络

BP神经网络是由输入层至输出层,层层连接的多层前馈型网络组成,并将对应的每对神经元按每一个权值进行连接,包含2种信号传递方式。先顺利向前传递,如果输出层没有输出理想的结果,就会反向传播,然后调整权值与阈值再次向前传递,直到输出理想的结果后结束[8]。

BP神经网络的组成有输入层、输出层和隐含层,各层之间相通。BP算法的基本思想是信号的正传递和误差的反传递,在误差的反传递中,通过隐含层将输出误差以某种形式传递到输入层,并将误差分配到各层上的所有单位,从而得到校正各权值的依据——各层单位的误差信号,重复此过程,以调整每一层信号的权值、向前传播和向后传播的误差,不断调整权值的过程就是在线学习的训练过程,直到网络输出错误降低到可接受的程度或预设学习时间为止,该过程仍将继续[9]。

BP算法的优势在于它可以同时处理群体中的多个个体,也就是评估搜索空间中的多个解法,在算法本身容易实现并行化的同时,降低陷入局部最优解法的风险。遗传算法对其搜索方向的指导,不是采用确定性的法则,而是概率的变化法则;有条理,有适应性,有学习性;遗传算法不是从单解开始,而是从问题解的串集中寻找;遗传算法适用于比较繁多,繁杂的问题。

3 腐蚀缺陷参数对各剩余强度评价方法的影响

3.1 缺陷深度影响曲线

缺陷深度对各剩余强度评价方法影响曲线见图1。

由图1可知,剩余强度在缺陷深度增大的情况下呈先降低后稳定不变的现象,并出现临界值,表明剩余强度受缺陷深度影响很大;在只受缺陷深度这一个因素影响时,可以看出PCORRC 这种评价方法在缺陷深度增大时呈逐渐下降的现象,临界值不明显;AGANG-18、DNV-RP-F101计算结果偏高,其他几种评价方法计算结果偏低,且变化趋势基本一致。

3.2 缺陷长度影响曲线

缺陷长度对各剩余强度评价方法影响曲线见图2。

图2 缺陷长度影响曲线

由图2可知,剩余强度在缺陷长度增大的情况下呈逐渐降低的现象,没有出现临界值,表示剩余强度受缺陷长度影响很大;在只受缺陷深度这一个因素影响时,可以看出AGANG-18、DNVRP-F101、PCORRC 计算结果偏高,其他几种评价方法计算结果偏低,且变化趋势基本一致。

4 不同钢级管道剩余强度评估特性分析

已有文献[10]中11组神经网络测试集数据见表1。

表1 测试集数据

以表1中11组数据为研究对象,分别按照低强度钢、中强度钢和高强度钢进行分类即1~4号为低强度钢,5~8号为中强度钢,9~11为高强度钢。以压力比和相对误差为指标,将BP、GA-BP、带动量项的BP神经网络评价方法与传统的剩余强度评价方法 ASME B31G、ASME B31G Modified、DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、AGANG-18与C-Fer进行对比研究,考察其适用性和安全性。

4.1 各评价方法对低强度钢剩余强度与压力比的影响

各评价方法对低强度钢剩余强度的影响见图3。

图3 各评价方法对低强度钢剩余强度的影响

由图3可知,实验爆破压力基本比各剩余强度评估结果大,充分保证了其安全性;AGANG-18计算结果均小于实验爆破压力,且偏离差距不大,安全性、实用性最好;实验爆破压力在3号、4号管材上都小于BP 的结果,因此,出现了冒进;实验爆破数据均大于BS7911、ASME B31G、SHELL92、C-Fer、ASME B31G Modified 5 种评价方法,偏保守,经济效益差;GA-BP、带动量项BP虽然在2、3、4号管材上是最为接近且低于实验爆破数据,但在1号管材上剩余强度评价结果偏差不是很大,还是过于冒进。

为了更全面的分析这11种剩余强度的评价方法,引入一个新的参数A,来直观了解各评价方法的优劣。

A＝实验爆破压力/预测剩余强度

当实验爆破压力比预测剩余强度大时,A＞1,所得结果保守;当实验爆破压力和预测剩余强度相同时,A＝1;当实验爆破压力比预测剩余强度小时,A＜1,所得结果冒进。

各评价方法对低强度钢压力比的影响见图4。

图4 各评价方法对低强度钢压力比影响曲线

由图4可知,BS7911评价方法对低强度钢A的计算为1.39~1.75,数值最大,保守性最好、安全性最好,但是经济性较差;SHELL92评价方法对低强度钢A 的计算为1.36~1.70,相对于BS7911有所降低,但经济性仍然欠佳;ASME B31G 评价方法计算的低强度钢A 为1.39~1.55,A 值相对于SHELL92也有所下降,但A 仍然偏大,经济性较差,偏向保守;作为ASME B31G 修订后的ASME B31G Modified 评价方法所计算的低强度钢A 为1.33~1.55,相对BS7910、SHELL92评价方法,A 值有较大幅度的降低,保守程度有所提高;C-FER 评价方法计算出的低强度钢A 为1.15~1.42,显示出C-Fer在计算低强度钢剩余强度时,安全性、经济性等方面的精确度十分出色;DNV-RP-F101与PCORRC 方法计算的低强度钢A 为1.11~1.49、1.11~1.1.58,大致相同,且它们在1、2、3号钢的A 值为1.11~1.26,具有极高的经济性、准确度;AGANG-18评价方法计算的低强度钢A 为1.038~1.35,相对于前面7种评价方法,AGANG-18的A 值大幅减小,保守性也有改善,既有良好的安全性能,又具有良好的经济性,是一种理想的低强度钢评价方法;GA-BP与带动量项BP评价方法计算的低强度钢A 分别为0.93~1.12、0.93~1.11,这范围大致相同,具有一定的冒进,即安全性能不太稳定,对低强度钢评价不是理想的方法;BP评价方法对强度钢A 为0.25~1.11小于1,有着明显的冒进现象,这违背了安全性能的要求。

4.2 各评价方法对中强度钢剩余强度与压力比的影响

各评价方法对中强钢剩余强度的影响见图5。

由图5可知,各评价方法对中强钢剩余强度的预测结果都比爆破压力要小;SHELL92 方法所得结果均小于爆破压力,有很好的安全性;6号钢材爆破压力都小于ASME B31G、ASME B31G Modified方法预测结果;对于7 号、8 号钢材,AGANG-18、BP、DNV-RP-F101、PCORRC 方法预测结果均大于爆破压力,即计算结果偏冒进;BS7911、SHELL92方法预测结果都小于爆破压力,但偏差过大,即保守性过大;BP、GA-BP 评价方法变化趋势和爆破压力基本一致,且与爆破压力差距相对于其他9种评价方法更为稳定,更为精确。因此GA-BP、带动量项BP 评价方法都是理想中强度钢剩余强度评价模型。

各评价方法对中强钢压力比的影响见图6。

图6 各评价方法对中强度钢压力比影响曲线

由图6 可知,SHELL92 评价方法计算出的中强钢A 为1.12~1.80,保守程度最佳,安全性最佳,但不满足经济性要求;BS7911评价方法计算中强度钢A 为0.96~1.81,相对于SHELL92方法,A 值没有下降,反而变化幅度增大甚至小于1,极不稳定;C-Fer评价方法计算的中强度钢A值为0.88~1.71,同样其A 值的变化幅度较大,且在7号钢材上的压力比小于1,表明其缺乏安全性;ASME B31G 评价方法计算的中强度钢A为0.72~1.60,同前面3种评价方法相比,A 值有明显的下降,但是在6号钢材上却远远小于1,表明其安全性能差;ASME B31G Modified评价方法作为ASME B31G 修正后的评价方法,相对于ASME B31G 其计算的中强度钢A 为0.86~1.50,大幅减小,保守性提高且变化范围也减小;PCORRC评价方法计算出的中等强度钢A 值范围为0.96~1.60,安全性较好,但经济性一般;AGANG-18评价方法计算出的中强钢A 为0.90~1.40,安全性能一般,但经济表现不错;BP评价方法计算的中强度钢A 为0.85~1.23,其安全性能比较差,但是经济性还是比较优异;GA-BP、带动量项BP评价方法计算的中强度钢A分别为0.86~1.21和0.86~1.20,其与BP模型对比,A 值有所减小,保守性有所增强,既具有良好的安全性能又有优异的经济性能,是比较理想的评价方法。

4.3 各评价方法对高强度钢剩余强度与压力比的影响

评价方法对高强钢剩余强度的影响见图7。

图7 各评价方法对高强度钢剩余强度的影响曲线

由图7可知,爆破压力小于大部分剩余强度的评价结果;SHELL92 评价方法得到的结果较小,安全性增大;爆破压力均大于C-Fer方法计算结果,安全性最好但经济性不理想;爆破压力都小于ASME B31G、ASME B31 Modified、AGANG-18、DNV-RP-F101、BP 方法预测结果,即得到的结果比较冒进,安全性不理想;GA-BP 模型预测结果均小于爆破压力且变化幅度小,比较稳定,在保障了安全性的同时也大大提高了经济性,因此是最理想的评价方法;带动量项BP 模型和GABP模型的预测结果大致相同,具有很好的安全性能,也是理想的评价方法。

各评价方法对高强钢压力比的影响见图8。

图8 各评价方法对高强度钢压力比影响曲线

由图8 可知,SHELL92 评价方法计算出的A 值为1.06~1.50,A 值最大,经济性差,但安全性较好;C-Fer 评价方法A 为1.01~1.32,较SHELL92评价方法,A 值有所降低,保守性有所改善,安全性相对较好;AGANG-18评价方法计算出的A 为0.86~1.12,尽管大幅降低了A 值,但过小的A 值使得安全性无法得到保证;ASME B31G 评价方法计算的A 为0.79~1.06,K 值小于1且有一定的冒进,存在一定的危险性;ASME B31G Modified评价方法计算出的A 为0.89~1.11,相对于ASME B31G,A 值最低值有所上升,安全性能有所提高,但仍显冒进,安全性得不到保障;BS7911 评价方法计算的A 为0.87~1.06,偏冒进,经济效益好,但安全性较差,未达到安全性能要求;带动量项BP 评价方法计算出的A 为1.06~1.11,其保守性、冒进现象、稳定性均比其它评价方法有了质的飞跃,是一种非常理想的评价方法,既能保证安全性能,又能有非常好的经济性;GA-BP评价方法计算出的A 为0.98~1.03,和带动量项的BP 评价方法一样,也是一种非常理想的评价方法,具有极高的安全性、经济性和稳定性。

4.4 相对误差分析

各评价方法相对误差均值统计表见表2。

表2 各评价方法相对误差均值统计表

由表2可知,BP、GA-BP、带动量项BP 评价方法相对误差均值均比其他评价方法要小,说明BP、GA-BP、带动量项BP评价方法是最接近爆破压力、最精确;BS7911评价方法相对误差均值最大,因此使用该评价方法预测爆破压力剩余强度会造成误差最大、精确度较差的现象;其他几种评价方法相对误差均值均大于BP、GA-BP、BP评价方法的相对误差均值。

5 结 论

(1)剩余强度在缺陷深度增大的情况下呈先降低后稳定不变的现象,并出现临界值;剩余强度在缺陷长度增大的情况下呈逐渐降低的现象,没有出现临界值。

(2)从剩余强度和压力比出发,AG-ANG18评价方法既有良好的安全性能,又具有良好的经济性,是一种理想的低强度钢评价方法;GA-BP和带动量项BP 评价方法压力比数值小,具有较高的安全性、稳定性和经济性,是一种理想的中高强度钢评价方法。

(3)从相对误差均值可以看出,BP、GA-BP、带动量项BP评价方法相对误差均值比其他评价方法的均值都要小,由此说明BP、GA-BP、带动量项BP评价方法是最接近爆破压力,是精确度最高的评价方法。