(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210831740.4 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 中国地质大 学 （武汉） 地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388号 (72)发明人 姜逢源　赵恩金　 (74)专利代理 机构 武汉知产时代知识产权代理 有限公司 42 238 专利代理师 魏波 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06Q 10/00(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/06(2012.01)G06N 3/12(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 海底管道系统全周期维护策略确定方法及 装置 (57)摘要 本发明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。 权利要求书4页 说明书13页 附图2页 CN 115238543 A 2022.10.25 CN 115238543 A 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piped， 并采用结构化网格方法为 其划分网格； S1.2： 为实体模型piped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piped内表面施加单位压力荷载pe＝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pe下的极限爆 破压力pb； 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： {xi,pi b,FEM(xi)}(i＝1,2,…,n)            (1) 式中， xi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； pi b,FEM(xi)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pb,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sc和缺 陷轴向间距sl； 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Es、 泊 松比νs、 屈服强度σy和极限抗拉强度σuts。 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σuts时， 其对应的压力即为极限爆破压力pb。 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：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115238543 A 2d(t)＝d0+vd·t                             (2) l(t)＝l0+vl·t                              (3) w(t)＝w0+vw·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； vd为 腐蚀深度年增长 速率； vl为腐蚀长度年增长 速率； vw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pb小于设计工作内压pop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)＝pb,s(x,t)‑pop                          (5) 式中， x为自变量矢量， t为管道服役时间， pop为设计工作内压， pb,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Pf(x,t)为联合概率密度函数fx(x,t)在失效域内Ωf∈{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： 式中， fx(x,t)为联合概率密度函数； x1， x2，…， xn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； Nf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Ctf， 包括失效损失费Cf和总维修费用 Cr， 计算公式如下： Ctf＝Cf+Cr                           (8) S2.2： 失效损失费Cf包括经济金融损失费Ceco和环境金融损失费Cenv， 按公式(9)进行计 算； 经济金融损失费Ceco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Cenv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： Cf＝Cenv+Ceco                             (9) Ceco＝Cp×(Qlp×Tlp+Qdp×Tdp)                       (10) Cenv＝54432[0.01(Qh×Tlp)]0.728                       (11) 式中， Cp为油产品的价格； Qlp为损失的油产品的产量； Qdp为推迟生产的油产品的产量； Tlp为油产品损失的持续时间； Tdp为推迟生产的持续时间； 0.0 01(Qh×Tlp)为溢油量； S2.3： 总维修费用Cr由管道检查费用Cinv及维修工艺费用Crt组成， 按公式(12)进行估 计： Cr＝Cinv+Crt                          (12) S2.4： 将上述全部费用的价值换算到项目运营的初始年份， 则管道生命周期成本LCC按 公式(13)估计：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115238543 A 3