陳典斌　韓東霏　張二保　韓岳洋　劉詩文　張建春

摘要：腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測與結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算問題不僅是管道完整性及安全性評價的重要組成部分還是材料界研究重點(diǎn)。該文以灰色理論GM（1，1）模型和傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度的JC法為基礎(chǔ)，使用VB和MATLAB開發(fā)腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠性分析計(jì)算程序，解決了兩個計(jì)算程序的接口問題。使MATLAB在數(shù)值運(yùn)算上的強(qiáng)大功能和VB在界面設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢得以綜合發(fā)揮。程序界面簡單、操作方便快捷，且通過實(shí)例驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果較快，數(shù)據(jù)合理，程序編制準(zhǔn)確無誤，為腐蝕管道剩余壽命預(yù)測、復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析和腐蝕檢測周期確定提供依據(jù)，具有可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：VB MATLAB 腐蝕管道 剩余壽命預(yù)測 結(jié)構(gòu)可靠度 GM（1，1）模型 JC法

中圖分類號：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0083-04

為解決環(huán)境影響、力學(xué)性能變化、材質(zhì)狀況和實(shí)際工作條件下腐蝕管道內(nèi)、外部出現(xiàn)大量缺陷，腐蝕程度加劇導(dǎo)致管壁變薄甚至損壞的情況，腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠性分析已成為是輸送特殊介質(zhì)管道工業(yè)的重要工作之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，用軟件編程進(jìn)行快速準(zhǔn)確預(yù)測直接關(guān)系到腐蝕管道是否繼續(xù)服役、修復(fù)或更換[1]的周期確定，已成為工業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。本文將對原始數(shù)據(jù)要求低但預(yù)測精度高的灰色理論GM（1，1）模型與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠度分析方法JC法相結(jié)合，根據(jù)腐蝕管道特性，建立適用于工業(yè)的腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠度分析模型。采用VB與MATLAB軟件混合編程完成剩余壽命預(yù)測中原始數(shù)據(jù)輸入、復(fù)雜計(jì)算及顯示工作，得到腐蝕管道剩余壽命預(yù)測值、預(yù)測精度等級、可靠度指標(biāo)及失效概率等數(shù)據(jù)，可顯著提高計(jì)算效率。

1 灰色理論GM（1，1）模型

1.1 灰色理論概念

灰色理論是研究部分信息已知，部分信息未知的灰色系統(tǒng)[2]有關(guān)建模、控模、預(yù)測、決策、優(yōu)化等問題的理論，目前應(yīng)用最為泛的預(yù)測模型為GM（1，1）模型[3]。

1.2 GM（1，1）模型建立

定義GM（1，1）的灰微分方程模型[4]為：

（1）

其解為

（2）

若取

（3）

則還原值為

（4）

預(yù)測方程為

（5）

1.3 GM（1，1）模型精度檢驗(yàn)

為驗(yàn)證灰色預(yù)測模型的可靠性，采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)[5]。先計(jì)算原始序列x（0）（i）的均方差：

（6）

其中

，

（7）

然后計(jì)算殘差序列的均方差：

（8）

其中

，

（9）

最后計(jì)算方差比c=S1/S0，最后計(jì)算小誤差概率

（10）

根據(jù)文獻(xiàn)[6]確定模型精度。

2 腐蝕管道可靠性模型

2.1 ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)

評價腐蝕管道的基本方法為ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)[7]。管道失效壓力表達(dá)式為：

（11）

式中σs為材料的屈服強(qiáng)度，mf為乘積系數(shù)，t為管道壁厚；d為腐蝕缺陷深度；MT為Folias系數(shù)，與腐蝕缺陷長度L和管道外徑D相關(guān)，當(dāng)L2/（Dt）<50時，

（12）

當(dāng)L2/（Dt）≧50時，

（13）

2.2 可靠性模型

進(jìn)行可靠性分析[8]，需確定失效函數(shù)，即描述系統(tǒng)失效準(zhǔn)則的功能函數(shù)。若管道實(shí)際作用壓力（管道內(nèi)壓）為Pop，且失效壓力為Pp，腐蝕管道的剩余強(qiáng)度可靠性功能函數(shù)為

（14）

將結(jié)構(gòu)茍能函數(shù)變量Z為由多個相互獨(dú)立且服從正態(tài)分布與非正態(tài)分布的參數(shù)變量Xi（i=1，2...n）組成的函數(shù)，記為

Z=g（X1，X2，...Xn）=g（d，D，L，mf，POP，σS，t）=0 （15）

選用JC法來進(jìn)行變量為非正態(tài)分布的可靠性分析。在Z=0的表面上找一點(diǎn)P*（d*，D*，L*，mf*，POP*，σS*，t*），將極限狀態(tài)方程在這點(diǎn)上展開為線性平面，使各個變量均值確定的點(diǎn)（μd，μD，μL，μmf，μPOP， μσS，μt）到線性平面距離最短，點(diǎn)P*被稱為設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)[5]，它是最可能使結(jié)構(gòu)失效的一組取值，此距離為可靠性指標(biāo)β。Z的均值μZ和標(biāo)準(zhǔn)差σZ分別為非正態(tài)隨機(jī)變量轉(zhuǎn)化為當(dāng)量正態(tài)隨機(jī)變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，腐蝕管道的可靠性指標(biāo)可由β=μZ/σZ計(jì)算。腐蝕管道失效概率可由Pf=ΦN（-β）計(jì)算，ΦN（...）是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 剩余壽命分析

用VB編寫腐蝕管道剩余壽命分析程序，包括定義常量和變量、使用IF語句和循環(huán)、選擇等語句編寫結(jié)構(gòu)，程序模塊代碼流程可如圖1所示。

將Grey（）函數(shù)為腐蝕管道剩余壽命分析程序的中心函數(shù)，其編制流程如圖2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)可靠性分析

根據(jù)JC法基本原理，使用MATLAB軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析程序編制，計(jì)算流程如圖3所示。

3.3 VB與MATLAB混合編程

3.3.1 接口問題

預(yù)測軟件采用ActiveX自動化協(xié)議（即OLE自動化協(xié)議）實(shí)現(xiàn)VB與MATLAB的連接。ActiveX是VB工具箱的擴(kuò)充部分，允許控制端程序控制服務(wù)器端程序，可打開和關(guān)閉MATLAB[9]。

3.3.2 混合編程實(shí)現(xiàn)

VB與MATLAB混合編程流程如圖4所示[10-11]。endprint

3.4 工程實(shí)例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為2年，選取典型腐蝕管道段，將其剩余壁厚原始數(shù)據(jù)（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）輸入腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運(yùn)算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問題，用VB和MATLAB進(jìn)行混合編程設(shè)計(jì)了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏化中，周小兵，舒安慶，等.含組合腐蝕缺陷壓力管道剩余強(qiáng)度分析[J].化工設(shè)備與管道，2007，44（2）：42-43.

[2] 鄧聚龍.灰預(yù)測與灰決策[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[3] 徐家湛.灰色預(yù)測模型在經(jīng)濟(jì)序列預(yù)測中的應(yīng)用[J].北京統(tǒng)計(jì)，2004（6）.

[4] 湯東亞，姚安林，馬洪亮，等.基于灰色理論的含腐蝕缺陷油氣管道剩余壽命預(yù)測分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2011，30（2）.

[5] 羅恕人.基于灰色理論GM（1，1）模型的Vb程序?qū)崿F(xiàn)及其驗(yàn)證[J].科技資訊，2006（5）：115.

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[9] 杜欣慧，張麗芳，李青，等.電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測軟件中VB與MATLAB的接口方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（19）.

[10] 吳雁，蕭風(fēng).Visual Basic 6入門·提高·實(shí)戰(zhàn)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，1999.

[11] 王世香.精通MATLAB接口與編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.endprint

3.4 工程實(shí)例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為2年，選取典型腐蝕管道段，將其剩余壁厚原始數(shù)據(jù)（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）輸入腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運(yùn)算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問題，用VB和MATLAB進(jìn)行混合編程設(shè)計(jì)了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實(shí)用性。

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[10] 吳雁，蕭風(fēng).Visual Basic 6入門·提高·實(shí)戰(zhàn)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，1999.

[11] 王世香.精通MATLAB接口與編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.endprint

3.4 工程實(shí)例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為2年，選取典型腐蝕管道段，將其剩余壁厚原始數(shù)據(jù)（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）輸入腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運(yùn)算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問題，用VB和MATLAB進(jìn)行混合編程設(shè)計(jì)了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實(shí)用性。

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[11] 王世香.精通MATLAB接口與編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.endprint