一种受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测方法与流程

1.本发明涉及一种埋地管线剩余寿命预测方法，尤其适用于一种受地铁杂散电流腐蚀影响 的埋地管线剩余寿命预测方法。


背景技术：

2.在天然气、石油和城市燃气等高危可燃介质输送管线靠近或跨越地铁线路时，会受到泄 漏杂散电流的电化学腐蚀影响。这一类电化学腐蚀会导致管壁减薄，甚至穿孔，极大地威胁 此类埋地金属管线的运行寿命。由于天然气、石油和城市燃气埋地管线在泄漏时极易引起爆 炸、爆燃事故，尤其是对于人口密集的城市区域而言，此类事故所造成的因此有效的针对地 铁杂散电流干扰范围内的石油管线进行剩余寿命预测，对于提高天然气、石油和城市燃气管 线的安全运行具有极大的工程实际意义。
3.受腐蚀管线的剩余寿命预测具有重要的工程意义，为及时维修替换受损管线提供了重要 参考信息，能够有效降低管线泄漏事故风险，提高油气管网系统的运输可靠性。现有内检测 技术只能获取当前状态下的管线壁厚信息，难以对壁厚减薄的未来发展趋势进行精准预测， 因而亟需一种受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足之处，提供一种受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测 方法，能够结合具体环境下的腐蚀过程，有效确定性地预测埋地管线在受杂散电流腐蚀作用 下的剩余服役时间，
5.为实现上述目的，本发明的一种受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测方法， 利用预测系统进行埋地管线剩余寿命预测，所述的预测系统包括杂散电流干扰分布计算模块、 坐标转换模块、缺陷极限尺寸计算模块和累计腐蚀深度实验及分布计算模块，其中：
6.杂散电流干扰分布计算模块：用以计算在地铁机车牵引电流和位置不断变化下的动态干 扰，对牵引电流曲线进行离散化处理以近似计算单位腐蚀时间δt下对埋地管的腐蚀深度； 用于获得埋地管线在单位腐蚀时间δt内恒定杂散电流流入所造成的电位偏移分布和因杂散 电流所造成土壤电位的偏移；
7.坐标转换模块：当地铁隧道与埋地管线互相不为平行关系时，用以将隧道沿长度方向上 的离散坐标转换至埋地管线沿长度方向上的离散坐标；
8.缺陷极限尺寸计算模块：通过管线内压、管线直径、管线壁厚、体积扩张系数、管线流 动压力、管线的屈服极限和强度极限计算埋地管线极限壁厚h
l
；
9.累计腐蚀深度实验及分布计算模块：用以计算杂散电流作用下累计腐蚀缺陷深度在埋地 管线上的分布，在
△
t离散时间内考虑自然腐蚀作用与杂散电流腐蚀作用的累积腐蚀深度h
d
为累积腐蚀缺陷在管线上分布的最小值通过比对管线极限壁厚h
l
即可预测的管线剩 余寿命。
10.首先利用杂散电流干扰分布计算模块计算在地铁机车牵引电流和位置不断变化下的动态 干扰，对牵引电流曲线进行离散化处理以近似计算单位腐蚀时间δt下对埋地管的腐蚀深度， 从而获得埋地管线在单位腐蚀时间δt内恒定杂散电流流入所造成的电位偏移分布和因杂散 电流所造成土壤电位的偏移；然后利用坐标转换模块将隧道沿长度方向上的离散坐标转换至 埋地管线沿长度方向上的离散坐标；通过缺陷极限尺寸计算模块计算埋地管线的极限壁厚； 最后利用累计腐蚀深度实验及分布计算模块计算杂散电流动态干扰下累计腐蚀缺陷深度在埋 地管线上的分布，在离散时间
△
t内考虑自然腐蚀作用与杂散电流腐蚀作用的累积腐蚀深度 h
d
为累积腐蚀缺陷在管线上分布的最小值通过比对当前检测到的腐蚀深度即可预测的 管线剩余寿命。
11.离散化处理具体为对地铁机车牵引曲线f(t)和地铁机车位置曲线g(t)进行离散化处理： 首先通过地铁监测系统数据获得地铁机车牵引电流曲线为f(t)，地铁机车位置曲线为g(t)， 获得地铁隧道中的固定参数为：钢轨纵向电阻、排流网纵向电阻、埋地管线纵向电阻、钢轨 对排流网过渡电阻、排流网对管线过渡电阻，其中通过电阻网络分布模型计算得到埋地管线 内电流计算模型i3(
·
)，埋地管线内电流计算模型i3(
·
)为f(t)和g(t)的函数，获取一个区 间周期内的地铁机车运行时间t，利用电阻网络模型：{i3(f(t),g(t)，s1’
),i3(f(t),g(t)， s2’
),
…
,i3(f(t),g(t)，s
i’),
…
,i3(f(t),g(t)，s
n’)}＝i3(f(t),g(t)，s)，获得沿 埋地管线长度方向上的杂散电流分布，s’表示埋地管线长度方向上的绝对任意位置，s1’
, s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
n’分别表示在隧道坐标系上的绝对坐标；单位腐蚀时间δt与一个区间周 期内地铁机车运行时间t的关系为：nδt＝t，n为将地铁机车运行时间t离散为δt的个数。
12.离散化腐蚀时间δt的个数n的具体计算方法为：
13.初始设定参数：将收敛精度p定为0.01；
14.步骤1：首先根据当前迭代次数n
i
(n
i
＝i)，进行如下计算：
[0015][0016]
步骤2：将n
i 1
进行累加：n
i 1
＝n
i
1进行迭代计算
[0017]
步骤3：利用计算l(n
i 1
):
[0018]
步骤4：重复步骤1至步骤3，将计算结果l(n
i 1
)与上一次的计算结果l(n
i
)做差，若满 足l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)≤p，则判断迭代结束，n
i 1
则为所求离散化位腐蚀时间δt的个数n；若 l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)>p，则重复步骤2至步骤3，直至求出满足l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)≤p，t为地铁机车运行 时间，f为地铁机车牵引电流曲线
[0019]
电阻网络模型为：
[0020]
组建杂散电流泄漏过程的电阻网络模型，分别包含钢轨纵向导体层、排流网纵向导体层、 埋地管线纵向导体层和接地层，四层导体组成了电阻网络，包括钢轨电流i1(s)、排流网电流 i2(s)、埋地管线电流i3(s)、钢轨电位u1(s)、排流网电位u2(s)和埋地管线电位u3(s)，利用 以下微分方程组求解：
[0021][0022]
其中，r1为钢轨纵向电阻，r2为排流网纵向电阻，r3为埋地管线纵向电阻，r
12
为钢轨对排 流网过渡电阻，r
23
为排流网对埋地管线过渡电阻，r
34
为埋地管线对大地过渡电阻。
[0023]
地铁隧道泄漏至管线中的杂散电流i3(f(t),g(t),s)通过电阻网络模型计算获得。
[0024]
坐标转换方法如下：
[0025]
以地铁隧道轴向方向为原始坐标轴x轴，坐标轴水平面为x
‑
y面，坐标轴垂直面为x
‑
z 面，地铁隧道轴向上离散坐标为c1,c2,
…
,c
i
,
…
,c
m
，c1为隧道任意牵引区间范围内起始 坐标，c2位隧道长度方向上的第二个坐标，c
i
为隧道范围内任意一点离散坐标，c
m
为隧道内任 意牵引区间范围内的终点坐标，m为离散坐标数量；
[0026]
设埋地管线与地铁隧道x轴在x
‑
y面上投影夹角为α，埋地管线与地铁隧道x轴在x
‑
z 面上投影夹角为β，那么埋地管线在以自身为局部坐标系的相对坐标{s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
m
}， 管线在隧道坐标系上的绝对坐标{s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’}表示为： {s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’}＝{s1cosαcosβ,s
2 cos α cos β,
…
,s
i cos α cos β,
…
, s
m cos α cos β}；
[0027]
s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
m
即为坐标转换后的埋地管线沿长度方向上离散坐标，s1为区间内 所覆盖埋地管线的相对坐标起点，s
i
为区间内所覆盖埋地管线范围内任意一相对坐标点，s
n
为区间内所覆盖埋地管线的相对坐标终点。s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’为管线上沿长度 方向上的绝对离散坐标，s1为区间内所覆盖埋地管线的绝对坐标起点，s
i
为区间内所覆盖埋 地管线范围内任意一绝对坐标点，s
m
为区间内所覆盖埋地管线的绝对坐标终点。
[0028]
累计腐蚀深度实验及分布计算具体为：
[0029]
首先通过埋地管线周围土壤的杂散电流腐蚀实验和自然腐蚀实验，两个实验中所用工作 电极均与预测目标管线使用同种钢材，杂散电流腐蚀实验中将管线钢工作电极和石墨电极埋 置于土壤中，埋置深度均为150mm，通过可控直流电源通电实现杂散电流腐蚀过程，其中管 线钢工作电极与石墨电极相距200mm且相对布置，工作电极的尺寸为10mm
×
10mm
×
5mm，石 墨电极的尺寸为10mm
×
10mm
×
2mm，通电电流为i
s
；自然腐蚀实验中将管线钢工作电极埋置 于土壤中，埋置深度为150mm，管线钢工作电极的尺寸为10mm
×
10mm
×
5mm，模拟管线的自然 腐蚀过程；根据杂散电流腐蚀实验和自然腐蚀实验，通过三维数字显微镜在通电电流大小为 i
s
作用的情况下确定离散时间δt内的管线钢工作电极表面平均腐蚀深度δh1和自然腐蚀作 用下的平均腐蚀深度δh2，根据k
n
＝δh2/δh1确定自然腐蚀因子k
n
，通过拟合获得通电电流i
s
与k
n
的关系k
n
(i
s
)，通过拟合通电电流i
s
与δh1/δt获得通电电流与腐蚀速率的关系c(i
s
)。 其次，计算在地铁机车运行时间t至t
△
t离散时间杂散
电流作用下累计缺陷深度在管线上 的分布{h
a
(s1’
),h
a
(s2’
),
…
,h
a
(s
i’),
…
,h
a
(s
m’)}，计算方法为：
[0030]
h
a
(s
′
i
)＝c(i
s
(f(t δt),g(t δt),s
i’))
·
δt
[0031]
最终地铁机车运行时间t至t
△
t离散时间内考虑自然腐蚀作用与杂散电流腐蚀作用的 累积腐蚀深度h
d
为累积腐蚀缺陷在管线上分布的最小值，即为：
[0032][0033]
其中，min{
·
}为取最小值的函数。
[0034]
重复上述过程，直至其中j为满足其中j为满足时累积腐蚀深度累加的次数，h
i
为预测时刻的管线当前腐蚀深度，则m
×△
t 为所预测的管线剩余寿命。
[0035]
有益效果：本方法能够有效结合模拟结果与系统参数预测埋地管线在杂散电流腐蚀作用 下的剩余服役时间。通过多个模块综合考虑埋地管线当前腐蚀信息和外界干扰信号特征，通 过高度模拟腐蚀环境以提高预测精度，能够有效且准确的计算获得埋地管线的剩余寿命，其 步骤简单，实施方便，且预测精度高，对于地铁线路附近埋地管线的腐蚀防护具有重要工程 意义。
附图说明
[0036]
图1为本发明受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测系统框图；
[0037]
图2为杂散电流电阻网络模型示意图；
[0038]
图3为地铁机车牵引曲线离散化流程图；
[0039]
图4为地铁隧道与埋地管线坐标在x
‑
y平面上的转换示意图；
[0040]
图5为地铁隧道与埋地管线坐标在x
‑
z平面上的转换示意图；
[0041]
图6为埋地管线钢杂散电流腐蚀挂片实验系统图；
[0042]
图7为埋地管线钢自然腐蚀挂片实验系统图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，
[0044]
本发明的受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命预测方法，其特征在于使用的预 测系统包括杂散电流干扰分布计算模块、坐标转换模块、缺陷极限尺寸计算模块和累计腐蚀 深度分布计算模块，各个模块共同构成了一种受地铁杂散电流腐蚀影响的埋地管线剩余寿命 预测方法，如图1所示。
[0045]
杂散电流干扰分布计算模块：用以计算在机车牵引电流和位置不断变化下的动态干扰， 对牵引电流曲线进行离散化处理以近似计算单位腐蚀时间δt下的腐蚀深度；用于获得埋地 管线在单位腐蚀时间δt内恒定杂散电流流入所造成的电位偏移分布和因杂散电流所造成土 壤电位的偏移；
[0046]
坐标转换模块：当地铁隧道与埋地管线互相不为平行关系时，用以将隧道沿长度方向上 的离散坐标转换至埋地管线沿长度方向上的离散坐标；
[0047]
缺陷极限尺寸计算模块：通过管线内压、管线直径、管线壁厚、体积扩张系数、管线流 动压力、管线的屈服极限和强度极限计算管线极限壁厚h
l
[0048]
累计腐蚀深度实验及分布计算模块：用以计算杂散电流动态干扰下累计缺陷深度在管线 上的分布，在
△
t离散时间内考虑自然腐蚀作用与杂散电流腐蚀作用的累积腐蚀深度h
d
为累 积腐蚀缺陷在管线上分布的最小值通过比对管线极限壁厚h
l
即可预测的管线剩余寿 命。
[0049]
组建杂散电流泄漏过程的电阻网络模型，分别包含钢轨纵向导体层、排流网纵向导体层、 埋地管线纵向导体层和接地层，四层导体组成了电阻网络，如图2所示，包括钢轨电流i1(s)、 排流网电流i2(s)、埋地管线电流i3(s)、钢轨电位u1(s)、排流网电位u2(s)和埋地管线电位 u3(s)，利用以下微分方程组求解：
[0050][0051]
其中，r1为钢轨纵向电阻，r2为排流网纵向电阻，r3为埋地管线纵向电阻，r
12
为钢轨对 排流网过渡电阻，r
23
为排流网对埋地管线过渡电阻，r
34
为埋地管线对大地过渡电阻。
[0052]
进一步需对地铁机车牵引曲线和地铁机车位置曲线进行离散化处理，假设地铁机车牵引 电流曲线为f(t)，地铁机车位置曲线为g(t)，f(t)和g(t)均可通过地铁监测系统数据获得， 地铁隧道中的固定参数为：钢轨纵向电阻、排流网纵向电阻、埋地管线纵向电阻、钢轨对排 流网过渡电阻、排流网对管线过渡电阻，埋地管线内电流计算模型i3(
·
)为f(t)和g(t)的函 数，i3(
·
)可通过电阻网络分布模型进行计算，t为一个区间周期内的地铁机车运行时间，沿 管线长度方向上的杂散电流分布可以通过电阻网络模型获得：{i3(f(t),g(t)，s1’
),i3(f(t), g(t)，s2’
),
…
,i3(f(t),g(t)，s
i’),
…
,i3(f(t),g(t)，s
n’)}＝i3(f(t),g(t)，s)， s’表示管线长度方向上的绝对任意位置，s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
n’分别表示在隧道坐标系 上的绝对坐标；单位腐蚀时间δt与一个区间周期内机车运行时间t的关系为：nδt＝t，n为 离散化δt的个数。
[0053]
离散化位腐蚀时间δt的个数n计算方法流程如图3所示，具体实施方式如下：
[0054]
初始设定参数：p(收敛精度,设定为0.01)
[0055]
步骤1：首先根据当前迭代次数n
i
(n
i
＝i)，进行如下计算：
[0056][0057]
步骤2：将n
i 1
进行累加：n
i 1
＝n
i
1进行迭代计算
[0058]
步骤3：利用计算l(n
i 1
):
[0059]
步骤4：重复步骤1至步骤3，将计算结果l(n
i 1
)与上一次的计算结果l(n
i
)做差，若满 足l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)≤p，则判断迭代结束，n
i 1
则为所求离散化位腐蚀时间δt的个数n；若 l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)>p，则重复步骤2至步骤3，直至求出满足l(n
i 1
)
‑
l(n
i
)≤p。
[0060]
进一步，地铁隧道泄漏至埋地管线中的杂散电流i3(f(t),g(t),s)通过电阻网络模型计 算获得。
[0061]
在地铁隧道与埋地管线互相不为平行关系时，需要将隧道沿长度方向上的离散坐标转换 至埋地管线沿长度方向上的离散坐标，坐标转换方法如下：
[0062]
以地铁隧道轴向方向为原始坐标轴x轴，坐标轴水平面为x
‑
y面，如图4所示，坐标轴 垂直面为x
‑
z面，如图5所示，地铁隧道轴向上离散坐标为c1,c2,
…
,c
i
,
…
,c
m
，c1为隧 道任意牵引区间范围内起始坐标，c2位隧道长度方向上的第二个坐标，c
i
为隧道范围内任意 一点离散坐标，c
n
为隧道内任意牵引区间范围内的终点坐标，m为离散坐标数量；
[0063]
假设埋地管线与地铁隧道x轴在x
‑
y面上投影夹角为α，埋地管线与地铁隧道x轴在x
‑
z 面上投影夹角为β，那么，管线在以自身为局部坐标系的相对坐标{s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
m
}， 管线在隧道坐标系上的绝对坐标{s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’}表示为： {s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’}＝{s1cos α cos β,s
2 cos α cos β,
…
,s
i cos α cos β,
…
, s
m cos α cos β}；
[0064]
s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
m
即为坐标转换后的埋地管线沿长度方向上离散坐标，s1为区间内 所覆盖埋地管线的相对坐标起点，s
i
为区间内所覆盖埋地管线范围内任意一相对坐标点，s
n
为区间内所覆盖埋地管线的相对坐标终点。s1’
,s2’
,
…
,s
i’,
…
,s
m’为管线上沿长度 方向上的绝对离散坐标，s1为区间内所覆盖埋地管线的绝对坐标起点，s
i
为区间内所覆盖埋 地管线范围内任意一绝对坐标点，s
m
为区间内所覆盖埋地管线的绝对坐标终点。
[0065]
最后通过埋地管线周围土壤的杂散电流腐蚀实验和自然腐蚀实验，实验系统如图6和图7所示，两个实验中所用工作电极均来自于预测目标管线同种钢材，试验箱均为亚克力板材 料，杂散电流腐蚀实验中将管线钢工作电极和石墨电极埋置于土壤中，埋置深度均为150mm。 管线钢工作电极通过加持装置只保留一个平面进行杂散电流腐蚀，通过可控直流电源通电实 现杂散电流腐蚀过程，管线钢工作电极与石墨电极相距200mm且相对布置，工作电极的尺寸 为10mm
×
10mm
×
5mm，石墨电极的尺寸为10mm
×
10mm
×
2mm，通电电流为i
s
；自然腐蚀实验中 将管线钢工作电极埋置于土壤中，埋置深度为150mm，管线钢工作电极的尺寸为10mm
×
10mm
ꢀ×
5mm，模拟管线的自然腐蚀过程。实验中所用土壤需使用细筛除去大尺寸的石子。实验过程 中需在实验箱上方加盖以保证土壤湿度稳定。
[0066]
根据杂散电流腐蚀实验和自然腐蚀实验，能够通过三维数字显微镜在通电电流大小为i
s
作用的情况下确定时间δt内的管线钢工作电极表面平均腐蚀深度δh1和自然腐蚀作用下的 平均腐蚀深度δh2，根据k
n
＝δh2/δh1确定自然腐蚀因子k
n
，通过拟合获得通电电流i
s
与k
n
的关系k
n
(i
s
)，通过拟合通电电流i
s
与δh1/δt的关系获得通电电流与腐蚀速率的关系c(i
s
)。 其次，计算地铁机车运行时间t至t
△
t离散时间杂散电流作用下累计缺陷深度在管线上的 分布{h
a
(s1’
),h
a
(s2’
),
…
,h
a
(s
i’),
…
,h
a
(s
m’)}，计算方法为：
[0067]
h
a
(s
′
i
)＝c(i
s
(f(t δt),g(t δt),s
i’))
·
δt
[0068]
最终地铁机车运行时间t至t
△
t离散时间内考虑自然腐蚀作用与杂散电流腐蚀作用的 累积腐蚀深度h
d
为累积腐蚀缺陷在管线上分布的最小值，即为：
[0069][0070]
其中，min{
·
}为取最小值的函数。
[0071]
从t＝0时开始计算，重复上述过程，直至其中j为 满足时累积腐蚀深度累加的次数，h
i
为预测时刻的管线当 前腐蚀深度，则m
×△
t为所预测的管线剩余寿命。