腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)可靠度分析的VB/MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)

陳典斌　韓東霏　張二保　韓岳洋　劉詩(shī)文　張建春

摘要：腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算問(wèn)題不僅是管道完整性及安全性評(píng)價(jià)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(kāi)發(fā)腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)可靠性分析計(jì)算程序，解決了兩個(gè)計(jì)算程序的接口問(wèn)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(shì)得以綜合發(fā)揮。程序界面簡(jiǎn)單、操作方便快捷，且通過(guò)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(wú)誤，為腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析和腐蝕檢測(cè)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(cè) 結(jié)構(gòu)可靠度 GM（1，1）模型 JC法

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：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(cè)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(cè)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(duì)原始數(shù)據(jù)要求低但預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)值、預(yù)測(cè)精度等級(jí)、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(cè)、決策、優(yōu)化等問(wèn)題的理論，目前應(yīng)用最為泛的預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(píng)價(jià)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(zhǎng)度L和管道外徑D相關(guān)，當(dāng)L2/（Dt）<50時(shí)，

（12）

當(dāng)L2/（Dt）≧50時(shí)，

（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(gè)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(lái)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(kāi)為線(xiàn)性平面，使各個(gè)變量均值確定的點(diǎn)（μd，μD，μL，μmf，μPOP， μσS，μt）到線(xiàn)性平面距離最短，點(diǎn)P*被稱(chēng)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(xiě)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(yǔ)句和循環(huán)、選擇等語(yǔ)句編寫(xiě)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(wèn)題

預(yù)測(cè)軟件采用ActiveX自動(dòng)化協(xié)議（即OLE自動(dòng)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(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)時(shí)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(cè)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(yǔ)

針對(duì)技術(shù)人員對(duì)在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問(wèn)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(cè)及可靠性分析軟件。程序具有界面簡(jiǎn)單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、直觀(guān)顯示預(yù)測(cè)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(cè)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(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)模型在經(jīng)濟(jì)序列預(yù)測(cè)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(cè)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.

[6] 陳志波，簡(jiǎn)文彬.基樁沉降量的灰色預(yù)測(cè)[J].巖土工程技術(shù)，2004，18（2）：75.

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[8] 劉永壽，王文，馮震宙，等.腐蝕管道的剩余強(qiáng)度與可靠性分析[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2008，35（3）：52-57.

[9] 杜欣慧，張麗芳，李青，等.電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)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(mén)·提高·實(shí)戰(zhàn)[M].北京：中國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)時(shí)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(cè)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(yǔ)

針對(duì)技術(shù)人員對(duì)在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問(wèn)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(cè)及可靠性分析軟件。程序具有界面簡(jiǎn)單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、直觀(guān)顯示預(yù)測(cè)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(cè)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(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測(cè)效果，軟件具有良好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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3.4 工程實(shí)例

某輸氣管道有6次檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)時(shí)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(cè)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(yǔ)

針對(duì)技術(shù)人員對(duì)在役腐蝕管道維護(hù)保養(yǎng)周期如何進(jìn)行確定的問(wèn)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(cè)及可靠性分析軟件。程序具有界面簡(jiǎn)單、代碼少、計(jì)算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、直觀(guān)顯示預(yù)測(cè)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(cè)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(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了模型精度，取得了較好的預(yù)測(cè)效果，軟件具有良好的實(shí)用性。

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