本發(fā)明涉及油氣資源運(yùn)輸領(lǐng)域，尤其涉及一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法、設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、由于經(jīng)濟(jì)、高效等顯著優(yōu)勢，海底管道已成為目前為海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)中的核心基礎(chǔ)單元，承擔(dān)著輸送油氣資源的重要任務(wù)。因而，海底管道的結(jié)構(gòu)安全為保障油氣開發(fā)生產(chǎn)穩(wěn)定的首要先決條件。與陸上管道相比，海底管道服役環(huán)境更為惡劣，橫跨海洋腐蝕“五個(gè)區(qū)帶”，腐蝕問題嚴(yán)峻。統(tǒng)計(jì)資料表明，腐蝕為引發(fā)海底管道失效的最主要原因。由腐蝕引發(fā)的材料缺失會(huì)引發(fā)管道在工作內(nèi)壓荷載作用下的應(yīng)力集中，顯著降低結(jié)構(gòu)極限承載力，導(dǎo)致管線爆破，原油泄漏。因而準(zhǔn)確估計(jì)含腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度為保障結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。然而，由于受諸多如環(huán)境、材料、生物化學(xué)過程及其相互作用等因素的影響，海洋腐蝕機(jī)制復(fù)雜且包含顯著不確定性，致使管線腐蝕缺陷的生成及發(fā)育具有強(qiáng)隨機(jī)性，因而其缺陷區(qū)域內(nèi)剩余材料具有明顯空間變異性特征。相關(guān)研究表明，腐蝕缺陷空間分布模式會(huì)改變內(nèi)壓荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布特征及失效路徑的演變機(jī)制，進(jìn)而顯著影響管道結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，傳統(tǒng)的基于規(guī)則缺陷假設(shè)的剩余強(qiáng)度評(píng)估方法不再適用。

2、綜上所述，目前對于含隨機(jī)腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)估，尚未存在有效方法。由于缺乏考慮隨機(jī)腐蝕缺陷對管線失效機(jī)理作用機(jī)制的考慮，現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)、理論及數(shù)值分析模型不夠完善，導(dǎo)致剩余強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果與實(shí)際偏差較大，為管線服役安全引入潛在風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：為了解決的現(xiàn)有技術(shù)難以評(píng)估隨機(jī)腐蝕缺陷對剩余強(qiáng)度的作用機(jī)制問題，本發(fā)明提供了一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法、設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)。一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，主要包括以下步驟：

2、s1、獲取管道幾何參數(shù)以及腐蝕缺陷幾何參數(shù)；

3、s2、基于腐蝕缺陷幾何參數(shù)構(gòu)建腐蝕缺陷的理論隨機(jī)場模型，進(jìn)而獲取腐蝕缺陷幾何模型；

4、s3、通過管道幾何參數(shù)建立管道幾何模型；

5、s4、將管道集合模型與腐蝕缺陷幾何模型裝配至同一坐標(biāo)空間，通過布爾運(yùn)算獲取含缺陷管道的幾何模型；

6、s5、結(jié)合含缺陷管道的幾何模型與nfea模型，得到rf-nfea模型；

7、s6、基于構(gòu)建的rf-nfea模型對含缺陷管道的幾何模型抽樣計(jì)算，得到樣本剩余壁厚空間分布場及其管道剩余強(qiáng)度，結(jié)合得到樣本空間數(shù)據(jù)集。

8、s7、構(gòu)建rf-nfea-cnn模型，使用樣本空間數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練；

9、s8、輸入待預(yù)測腐蝕缺陷剩余壁厚空間場至訓(xùn)練好的rf-nfea-cnn模型，獲取管道剩余強(qiáng)度。

10、進(jìn)一步地，管道幾何參數(shù)包括管道外徑、壁厚和長度；

11、腐蝕缺陷幾何參數(shù)包含缺陷長度和缺陷寬度。

12、進(jìn)一步地，步驟s2具體為：

13、s21、根據(jù)缺陷長度以及缺陷寬度確定腐蝕缺陷的軸向及環(huán)向邊界；

14、s22、以腐蝕缺陷的軸向及環(huán)向邊界圍成區(qū)域作為拓?fù)淇臻g，根據(jù)缺陷深度的統(tǒng)計(jì)特性在柱坐標(biāo)系中建立腐蝕缺陷的理論隨機(jī)場模型；

15、s23、將柱坐標(biāo)系中理論隨機(jī)場模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至修正坐標(biāo)系，對修正坐標(biāo)系中理論隨機(jī)場離散處理，得到離散化理論隨機(jī)場模型；

16、s24、以離散隨機(jī)場的節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用掃掠網(wǎng)格生成算法沿著管道徑向逐層生成相應(yīng)網(wǎng)格直至最外層網(wǎng)格表面與管道外表面重合，得到腐蝕缺陷網(wǎng)格模型根據(jù)外表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成相應(yīng)的腐蝕缺陷幾何模型。

17、進(jìn)一步地，步驟s4具體為：

18、s41、將無缺陷管道幾何模型以及腐蝕缺陷幾何模型裝配至同一笛卡爾坐標(biāo)系下；

19、s42、保持無缺陷管道幾何模型以及腐蝕缺陷幾何模型的截面圓心對齊，根據(jù)腐蝕缺陷類型確定調(diào)整方案，進(jìn)而調(diào)整模型的相對空間位置；

20、s43、對調(diào)整后的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到含缺陷管道的幾何模型。

21、進(jìn)一步地，步驟s6具體為：

22、基于構(gòu)建的rf-nfea模型，采用蒙特卡洛模擬法的方式對含缺陷管道的幾何模型抽樣計(jì)算，得到樣本剩余壁厚空間分布場及其管道剩余強(qiáng)度，結(jié)合得到樣本空間數(shù)據(jù)集。

23、進(jìn)一步地，根據(jù)腐蝕缺陷類型確定調(diào)整方案，具體為

24、(1)對于環(huán)向分布相互作用缺陷，需對隨機(jī)腐蝕缺陷幾何模型以原點(diǎn)為中心進(jìn)行環(huán)向旋轉(zhuǎn)、(2)對于軸向分布相互作用缺陷，需對隨機(jī)腐蝕缺陷幾何模型mc進(jìn)行軸向平移、(3)對于單一缺陷，無需旋轉(zhuǎn)或平移。

25、進(jìn)一步地，rf-nfea-cnn模型基于cnn網(wǎng)絡(luò)建立，包含輸入層、卷積層、全連接層以及輸出層；

26、輸入層輸入量為剩余壁厚空間分布場，輸出層輸出量為預(yù)測管道剩余強(qiáng)度。進(jìn)一步地，rf-nfea-cnn模型訓(xùn)練步驟采用梯度下降算法，具體步驟如下：

27、s71、將樣本空間數(shù)據(jù)集中的樣本剩余壁厚空間分布場輸入rf-nfea-cnn模型的輸入層，得到樣本剩余壁厚空間分布場的預(yù)測輸出管道剩余強(qiáng)度；

28、s72、將樣本空間數(shù)據(jù)集中的樣本剩余壁厚空間分布場對應(yīng)管道剩余強(qiáng)度作為期望輸出，計(jì)算期望輸出與預(yù)測輸出管道剩余強(qiáng)度的誤差，將誤差反向逐層傳遞，根據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t對權(quán)值、偏置進(jìn)行修正；

29、s73、重復(fù)步驟s71-s72，直至完成全部迭代周期，得到最優(yōu)權(quán)值、偏置，此時(shí)的模型作為最終rf-nfea-cnn模型

30、一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)指令及數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。

31、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：處理器及所述存儲(chǔ)介質(zhì)；所述處理器加載并執(zhí)行所述存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令及數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。

32、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：本發(fā)明通過構(gòu)建了rf-nfea模型，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)條件下海底管道不規(guī)則缺陷幾何形貌特征的理論描述與數(shù)值建模，考慮了腐蝕缺陷材料剩余壁厚空間變異性對管道結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓荷載下失效行為的作用機(jī)制，準(zhǔn)確估計(jì)管道剩余強(qiáng)度；通過構(gòu)建rf-nfea-cnn模型，對表征腐蝕缺陷幾何形貌特征的空間隨機(jī)場進(jìn)行特征提取，建立其與結(jié)構(gòu)失效行為的非線性映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)管道剩余強(qiáng)度的高效準(zhǔn)確預(yù)測。

技術(shù)特征：

1.一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，具體步驟包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，

3.如權(quán)利要求2所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，步驟s2包括：

4.如權(quán)利要求3所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，步驟s4具體為：

5.如權(quán)利要求4所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，所述根據(jù)腐蝕缺陷類型確定調(diào)整方案，具體為：

6.如權(quán)利要求5所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，步驟s6具體為：

7.如權(quán)利要求6所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，所述rf-nfea-cnn模型基于cnn網(wǎng)絡(luò)建立，包含輸入層、卷積層、全連接層以及輸出層；

8.如權(quán)利要求1所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，所述rf-nfea-cnn模型訓(xùn)練步驟采用梯度下降算法，具體步驟如下：

9.一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：所述存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)指令及數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。

10.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，其特征在于：包括：處理器及存儲(chǔ)介質(zhì)；所述處理器加載并執(zhí)行存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令及數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述的一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法、設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)，涉及油氣資源運(yùn)輸領(lǐng)域，其方法包括：構(gòu)建腐蝕缺陷幾何模型與管道幾何模型裝配得到含缺陷管道的幾何模型、結(jié)合含缺陷管道的幾何模型與NFEA模型得到RF?NFEA模型、基于RF?NFEA模型構(gòu)建數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練構(gòu)建的RF?NFEA?CNN模型、訓(xùn)練好的RF?NFEA?CNN模型用于預(yù)測管道剩余強(qiáng)度；設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)，用于實(shí)現(xiàn)海底管道剩余強(qiáng)度預(yù)測方法。本發(fā)明的有益效果是：考慮了腐蝕缺陷材料剩余壁厚空間變異性對管道結(jié)構(gòu)作用機(jī)制構(gòu)建RF?NFEA模型，準(zhǔn)確估計(jì)管道剩余強(qiáng)度，進(jìn)而構(gòu)建的RF?NFEA?CNN模型，實(shí)現(xiàn)管道剩余強(qiáng)度的高效準(zhǔn)確預(yù)測。

技術(shù)研發(fā)人員：姜逢源,趙恩金
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21