基于神經網絡管道剩余強度評估特征分析?

龍蒙召,王戰輝??,李瑞瑞,高 星,殷香奎,劉玲娜,楊煜巖,段梓浩,郭蒂娜

(1.榆林學院化學與化工學院,陜西榆林 719000;2.山東電力工程咨詢院有限公司,山東濟南 250013;3.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室,陜西榆林 719000)

天然氣和石油作為全世界的戰略儲備能源,日常生活依賴度極高,而承擔著天然氣和石油經濟高效運輸的管道,其安全的重要性是毋庸置疑的[1]。天然氣和石油的運輸管道發生穿孔等安全事故,會導致運輸工作的癱瘓,而且會耗費大量的人力物力,更危險的是會破壞生態環境的平衡,給人們的生活造成很大的困擾,因此,天然氣和石油的運輸管道必須要做好安全防范[2]。

如果缺乏天然氣和石油運輸管道標準的修理策略,沒有對其進行安全預測,就會造成大量的管道腐蝕現象發生[3]。在天然氣與石油管道壓力失效的事故中,由于腐蝕造成的事故占到了總事故的一半[4]。為了使天然氣和石油運輸管道更加安全科學穩定經濟高效運行,制定合適的管道剩余強度評價方法刻不容緩,并且應將其嚴格執行。

20世紀70年代初期建立評估規范,針對的管道強度和使用壽命也各不相同[5]。管道的破損主要是腐蝕造成的,而造成腐蝕的原因多樣復雜,因此為了確保管道安全輸送油氣,人們建立了一系列安全評定模型,比較主流的包括ASME B31G Modified、 DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、ASME B31G,AGANG-18、C-Fer這8種評價標準,將不規則的腐蝕區域簡化成一個矩形,從而方便進行安全評定和相關計算分析[6-7]。天然氣和石油運輸管道剩余強度評價方法在中國起步比較晚,方法多是引薦國外的權威機構所發布的評價方法[8]。

近年來,隨著神經網絡算法如BP、GA-BP的出現,將神經網絡算法應用于管道剩余強度評價的研究也越來越多,并且發揮著越來越重要的作用[9-10]。因此,筆者以已有的文獻[11-12]實驗數據為研究對象,以壓力比和相對誤差為指標,將BP、GA-BP、帶動量項的BP 神經網絡評價方法與傳統的剩余強度評價方法ASME B31G、ASME B31G Modified、DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、AGANG-18 和C-Fer等進行對比研究,考察其適用性和安全性。

1 常用剩余強度評價方法介紹

1.1 ASME B31G Modified評價方法

ASME B31G Modified評價方法保守性能過高,因此對該準則進行了數次修改,其數學表達式見公式(1)。

式中:M1為膨脹系數;σ為流變應力,MPa;Pf1為剩余強度,MPa;d為腐蝕缺陷深度,mm;D為管道外徑,m;L為腐蝕缺陷長度,mm;t為管道壁厚,mm。

1.2 ASME B31G評價方法

ASME B31G 規范數學表達式見公式(2)~(3)。

式中:M2為膨脹系數;σflow為流變應力,MPa;Pf2為剩余強度,MPa;d為腐蝕缺陷深度,mm;D為管道外徑,m;L為腐蝕缺陷長度,mm;t為管道壁厚,mm。

1.3 DNV-RP-F101評價方法

DNV-RP-F101評價方法適用于對各種缺陷進行評價,是中高強度鋼安全評價常用工業標準[6]。其數學表達式見公式(4)。

式中:M3代表DNV-RP-F101計算式管道膨脹系數;Pf3表示DNV-RP-F101 的預測剩余強度,MPa。

1.4 PCORRC評價方法

PCORRC 方法適用于中高強度管道剩余強度評價,常用于實際生產,主要用于X52-X70 鋼的評定[7]。其數學表達式見公式(5)。

式中:Pf4是PCORRC 預測方法的剩余強度,MPa;σu是管道的最大拉伸強度,MPa。

1.5 SHELL92評價方法

SHELL92 評價方法經過 ASME B31G Modified 計算修改得來的,相比AMSE B31G Modified,SHELL92用最大拉伸強度進行計算,所以更適合有縱向缺陷的管道剩余強度的評價。其數學表達式見公式(6)。

式中:Pf5表示為SHELL92 的預測剩余強度,MPa;M5表示為SHELL92管道膨脹系數。

1.6 BS7911評價方法

BS7911評價方法適用于單一缺陷,然而相較于其他評價方法,BS7911更適合評定海底管道的腐蝕剩余強度。其數學表達式見公式(7)。

式中:Pf6表示BS7911 的預測剩余強度,MPa;R1、R2分別表示為管道內外半徑,m。

1.7 AGANG-18評價方法

AGANG-18評定方法是上世紀被美國及其一家輸送企業提出來并完善的,其數學表達式見公式(8)。

1.8 C-Fer評價方法

C-Fer評價方法適用于中高強度鋼腐蝕管道剩余強度的評價,其數學表達式見公式(9)。

2 BP神經網絡

BP神經網絡是由輸入層至輸出層,層層連接的多層前饋型網絡組成,并將對應的每對神經元按每一個權值進行連接,包含2種信號傳遞方式。先順利向前傳遞,如果輸出層沒有輸出理想的結果,就會反向傳播,然后調整權值與閾值再次向前傳遞,直到輸出理想的結果后結束[8]。

BP神經網絡的組成有輸入層、輸出層和隱含層,各層之間相通。BP算法的基本思想是信號的正傳遞和誤差的反傳遞,在誤差的反傳遞中,通過隱含層將輸出誤差以某種形式傳遞到輸入層,并將誤差分配到各層上的所有單位,從而得到校正各權值的依據——各層單位的誤差信號,重復此過程,以調整每一層信號的權值、向前傳播和向后傳播的誤差,不斷調整權值的過程就是在線學習的訓練過程,直到網絡輸出錯誤降低到可接受的程度或預設學習時間為止,該過程仍將繼續[9]。

BP算法的優勢在于它可以同時處理群體中的多個個體,也就是評估搜索空間中的多個解法,在算法本身容易實現并行化的同時,降低陷入局部最優解法的風險。遺傳算法對其搜索方向的指導,不是采用確定性的法則,而是概率的變化法則;有條理,有適應性,有學習性;遺傳算法不是從單解開始,而是從問題解的串集中尋找;遺傳算法適用于比較繁多,繁雜的問題。

3 腐蝕缺陷參數對各剩余強度評價方法的影響

3.1 缺陷深度影響曲線

缺陷深度對各剩余強度評價方法影響曲線見圖1。

由圖1可知,剩余強度在缺陷深度增大的情況下呈先降低后穩定不變的現象,并出現臨界值,表明剩余強度受缺陷深度影響很大;在只受缺陷深度這一個因素影響時,可以看出PCORRC 這種評價方法在缺陷深度增大時呈逐漸下降的現象,臨界值不明顯;AGANG-18、DNV-RP-F101計算結果偏高,其他幾種評價方法計算結果偏低,且變化趨勢基本一致。

3.2 缺陷長度影響曲線

缺陷長度對各剩余強度評價方法影響曲線見圖2。

圖2 缺陷長度影響曲線

由圖2可知,剩余強度在缺陷長度增大的情況下呈逐漸降低的現象,沒有出現臨界值,表示剩余強度受缺陷長度影響很大;在只受缺陷深度這一個因素影響時,可以看出AGANG-18、DNVRP-F101、PCORRC 計算結果偏高,其他幾種評價方法計算結果偏低,且變化趨勢基本一致。

4 不同鋼級管道剩余強度評估特性分析

已有文獻[10]中11組神經網絡測試集數據見表1。

表1 測試集數據

以表1中11組數據為研究對象,分別按照低強度鋼、中強度鋼和高強度鋼進行分類即1~4號為低強度鋼,5~8號為中強度鋼,9~11為高強度鋼。以壓力比和相對誤差為指標,將BP、GA-BP、帶動量項的BP神經網絡評價方法與傳統的剩余強度評價方法 ASME B31G、ASME B31G Modified、DNV-RP-F101、PCORRC、SHELL92、BS7911、AGANG-18與C-Fer進行對比研究,考察其適用性和安全性。

4.1 各評價方法對低強度鋼剩余強度與壓力比的影響

各評價方法對低強度鋼剩余強度的影響見圖3。

圖3 各評價方法對低強度鋼剩余強度的影響

由圖3可知,實驗爆破壓力基本比各剩余強度評估結果大,充分保證了其安全性;AGANG-18計算結果均小于實驗爆破壓力,且偏離差距不大,安全性、實用性最好;實驗爆破壓力在3號、4號管材上都小于BP 的結果,因此,出現了冒進;實驗爆破數據均大于BS7911、ASME B31G、SHELL92、C-Fer、ASME B31G Modified 5 種評價方法,偏保守,經濟效益差;GA-BP、帶動量項BP雖然在2、3、4號管材上是最為接近且低于實驗爆破數據,但在1號管材上剩余強度評價結果偏差不是很大,還是過于冒進。

為了更全面的分析這11種剩余強度的評價方法,引入一個新的參數A,來直觀了解各評價方法的優劣。

A＝實驗爆破壓力/預測剩余強度

當實驗爆破壓力比預測剩余強度大時,A＞1,所得結果保守;當實驗爆破壓力和預測剩余強度相同時,A＝1;當實驗爆破壓力比預測剩余強度小時,A＜1,所得結果冒進。

各評價方法對低強度鋼壓力比的影響見圖4。

圖4 各評價方法對低強度鋼壓力比影響曲線

由圖4可知,BS7911評價方法對低強度鋼A的計算為1.39~1.75,數值最大,保守性最好、安全性最好,但是經濟性較差;SHELL92評價方法對低強度鋼A 的計算為1.36~1.70,相對于BS7911有所降低,但經濟性仍然欠佳;ASME B31G 評價方法計算的低強度鋼A 為1.39~1.55,A 值相對于SHELL92也有所下降,但A 仍然偏大,經濟性較差,偏向保守;作為ASME B31G 修訂后的ASME B31G Modified 評價方法所計算的低強度鋼A 為1.33~1.55,相對BS7910、SHELL92評價方法,A 值有較大幅度的降低,保守程度有所提高;C-FER 評價方法計算出的低強度鋼A 為1.15~1.42,顯示出C-Fer在計算低強度鋼剩余強度時,安全性、經濟性等方面的精確度十分出色;DNV-RP-F101與PCORRC 方法計算的低強度鋼A 為1.11~1.49、1.11~1.1.58,大致相同,且它們在1、2、3號鋼的A 值為1.11~1.26,具有極高的經濟性、準確度;AGANG-18評價方法計算的低強度鋼A 為1.038~1.35,相對于前面7種評價方法,AGANG-18的A 值大幅減小,保守性也有改善,既有良好的安全性能,又具有良好的經濟性,是一種理想的低強度鋼評價方法;GA-BP與帶動量項BP評價方法計算的低強度鋼A 分別為0.93~1.12、0.93~1.11,這范圍大致相同,具有一定的冒進,即安全性能不太穩定,對低強度鋼評價不是理想的方法;BP評價方法對強度鋼A 為0.25~1.11小于1,有著明顯的冒進現象,這違背了安全性能的要求。

4.2 各評價方法對中強度鋼剩余強度與壓力比的影響

各評價方法對中強鋼剩余強度的影響見圖5。

由圖5可知,各評價方法對中強鋼剩余強度的預測結果都比爆破壓力要小;SHELL92 方法所得結果均小于爆破壓力,有很好的安全性;6號鋼材爆破壓力都小于ASME B31G、ASME B31G Modified方法預測結果;對于7 號、8 號鋼材,AGANG-18、BP、DNV-RP-F101、PCORRC 方法預測結果均大于爆破壓力,即計算結果偏冒進;BS7911、SHELL92方法預測結果都小于爆破壓力,但偏差過大,即保守性過大;BP、GA-BP 評價方法變化趨勢和爆破壓力基本一致,且與爆破壓力差距相對于其他9種評價方法更為穩定,更為精確。因此GA-BP、帶動量項BP 評價方法都是理想中強度鋼剩余強度評價模型。

各評價方法對中強鋼壓力比的影響見圖6。

圖6 各評價方法對中強度鋼壓力比影響曲線

由圖6 可知,SHELL92 評價方法計算出的中強鋼A 為1.12~1.80,保守程度最佳,安全性最佳,但不滿足經濟性要求;BS7911評價方法計算中強度鋼A 為0.96~1.81,相對于SHELL92方法,A 值沒有下降,反而變化幅度增大甚至小于1,極不穩定;C-Fer評價方法計算的中強度鋼A值為0.88~1.71,同樣其A 值的變化幅度較大,且在7號鋼材上的壓力比小于1,表明其缺乏安全性;ASME B31G 評價方法計算的中強度鋼A為0.72~1.60,同前面3種評價方法相比,A 值有明顯的下降,但是在6號鋼材上卻遠遠小于1,表明其安全性能差;ASME B31G Modified評價方法作為ASME B31G 修正后的評價方法,相對于ASME B31G 其計算的中強度鋼A 為0.86~1.50,大幅減小,保守性提高且變化范圍也減小;PCORRC評價方法計算出的中等強度鋼A 值范圍為0.96~1.60,安全性較好,但經濟性一般;AGANG-18評價方法計算出的中強鋼A 為0.90~1.40,安全性能一般,但經濟表現不錯;BP評價方法計算的中強度鋼A 為0.85~1.23,其安全性能比較差,但是經濟性還是比較優異;GA-BP、帶動量項BP評價方法計算的中強度鋼A分別為0.86~1.21和0.86~1.20,其與BP模型對比,A 值有所減小,保守性有所增強,既具有良好的安全性能又有優異的經濟性能,是比較理想的評價方法。

4.3 各評價方法對高強度鋼剩余強度與壓力比的影響

評價方法對高強鋼剩余強度的影響見圖7。

圖7 各評價方法對高強度鋼剩余強度的影響曲線

由圖7可知,爆破壓力小于大部分剩余強度的評價結果;SHELL92 評價方法得到的結果較小,安全性增大;爆破壓力均大于C-Fer方法計算結果,安全性最好但經濟性不理想;爆破壓力都小于ASME B31G、ASME B31 Modified、AGANG-18、DNV-RP-F101、BP 方法預測結果,即得到的結果比較冒進,安全性不理想;GA-BP 模型預測結果均小于爆破壓力且變化幅度小,比較穩定,在保障了安全性的同時也大大提高了經濟性,因此是最理想的評價方法;帶動量項BP 模型和GABP模型的預測結果大致相同,具有很好的安全性能,也是理想的評價方法。

各評價方法對高強鋼壓力比的影響見圖8。

圖8 各評價方法對高強度鋼壓力比影響曲線

由圖8 可知,SHELL92 評價方法計算出的A 值為1.06~1.50,A 值最大,經濟性差,但安全性較好;C-Fer 評價方法A 為1.01~1.32,較SHELL92評價方法,A 值有所降低,保守性有所改善,安全性相對較好;AGANG-18評價方法計算出的A 為0.86~1.12,盡管大幅降低了A 值,但過小的A 值使得安全性無法得到保證;ASME B31G 評價方法計算的A 為0.79~1.06,K 值小于1且有一定的冒進,存在一定的危險性;ASME B31G Modified評價方法計算出的A 為0.89~1.11,相對于ASME B31G,A 值最低值有所上升,安全性能有所提高,但仍顯冒進,安全性得不到保障;BS7911 評價方法計算的A 為0.87~1.06,偏冒進,經濟效益好,但安全性較差,未達到安全性能要求;帶動量項BP 評價方法計算出的A 為1.06~1.11,其保守性、冒進現象、穩定性均比其它評價方法有了質的飛躍,是一種非常理想的評價方法,既能保證安全性能,又能有非常好的經濟性;GA-BP評價方法計算出的A 為0.98~1.03,和帶動量項的BP 評價方法一樣,也是一種非常理想的評價方法,具有極高的安全性、經濟性和穩定性。

4.4 相對誤差分析

各評價方法相對誤差均值統計表見表2。

表2 各評價方法相對誤差均值統計表

由表2可知,BP、GA-BP、帶動量項BP 評價方法相對誤差均值均比其他評價方法要小,說明BP、GA-BP、帶動量項BP評價方法是最接近爆破壓力、最精確;BS7911評價方法相對誤差均值最大,因此使用該評價方法預測爆破壓力剩余強度會造成誤差最大、精確度較差的現象;其他幾種評價方法相對誤差均值均大于BP、GA-BP、BP評價方法的相對誤差均值。

5 結 論

(1)剩余強度在缺陷深度增大的情況下呈先降低后穩定不變的現象,并出現臨界值;剩余強度在缺陷長度增大的情況下呈逐漸降低的現象,沒有出現臨界值。

(2)從剩余強度和壓力比出發,AG-ANG18評價方法既有良好的安全性能,又具有良好的經濟性,是一種理想的低強度鋼評價方法;GA-BP和帶動量項BP 評價方法壓力比數值小,具有較高的安全性、穩定性和經濟性,是一種理想的中高強度鋼評價方法。

(3)從相對誤差均值可以看出,BP、GA-BP、帶動量項BP評價方法相對誤差均值比其他評價方法的均值都要小,由此說明BP、GA-BP、帶動量項BP評價方法是最接近爆破壓力,是精確度最高的評價方法。