基于計(jì)算智能方法的給水排水管道壽命預(yù)測(cè)研究

馬智明

摘 要 為改善現(xiàn)有給水排水管道壽命預(yù)測(cè)能力不足的問題，提出一種基于計(jì)算智能的給水排水管道壽命預(yù)測(cè)模型。首先，分析積水排水管道管壁腐蝕和應(yīng)力計(jì)算等失效因素。其次，基于概率物理模型的鑄鐵給水排水管道的腐蝕概率失效預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)管道使用壽命預(yù)測(cè)及分析。試驗(yàn)環(huán)節(jié)，以收集的鑄鐵給水排水管道數(shù)據(jù)為例，對(duì)所提模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：模型分析與失效壽命概率結(jié)果顯示出相似的風(fēng)險(xiǎn)率預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了所提模型的有效性。

關(guān)鍵詞 壽命預(yù)測(cè) 給水排水管道 鑄鐵 概率物理模型 應(yīng)力分析

中圖分類號(hào) TP393? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000-3932（2023）04-0557-07

鑄鐵［1，2］是給水排水管道常用的材料之一。目前，許多老化的給水排水鑄鐵管道［3］給人們的健康生活帶來了隱患。因此，對(duì)這些管道的壽命或失效預(yù)測(cè)的需求日益增加。此外，預(yù)測(cè)鑄鐵水管的剩余使用壽命將有助于水利公司更有效高效便捷地管理水利設(shè)備［4］。

為了預(yù)測(cè)水管的剩余使用壽命，需要充分了解給水排水管道的當(dāng)前狀態(tài)和導(dǎo)致管道故障的關(guān)鍵物理特性。為此，許多學(xué)者對(duì)管道壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，并提出了許多方法。文獻(xiàn)［5］提出一種加速應(yīng)力退化試驗(yàn)下基于Gamma過程剩余壽命預(yù)測(cè)的維修策略建模方法，從而有效預(yù)測(cè)了海底管道剩余壽命并實(shí)現(xiàn)了維修費(fèi)用的最優(yōu)化。文獻(xiàn)［6］提出一種基于ANSYS有限元法的油氣長輸管道剩余壽命評(píng)價(jià)方法，可獲取管道腐蝕速率，并結(jié)合可靠性和概率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行輔助分析。雖然ANSYS有限元法實(shí)現(xiàn)簡單，然而模型不易推廣，應(yīng)用新場(chǎng)景時(shí)需重新建模。文獻(xiàn)［7］提出一種基于KPCA-FA-ELM組合模型的油氣集輸管道剩余壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法以及預(yù)測(cè)模型的性能驗(yàn)證方法進(jìn)行研究。該模型在油氣管道預(yù)測(cè)領(lǐng)域取得了一定成果，然而考慮到給水排水管道與油氣管使用環(huán)境存在一定區(qū)別，且腐蝕因素有一定差異，因此無法直接將模型應(yīng)用到給水排水管道壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域。

概率物理模型［8］（Probabilistic Physical Modelling，PPM）是確定性模型的擴(kuò)展，許多學(xué)者將其引入可靠性評(píng)估領(lǐng)域。然而考慮到鑄鐵和土壤的物理性質(zhì)以及腐蝕參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化，用來分析鑄鐵給水排水管道壽命預(yù)測(cè)時(shí)能力有限。為提高鑄鐵給水排水管道壽命預(yù)測(cè)性能，筆者提出一種基于計(jì)算智能的給水排水管道壽命預(yù)測(cè)模型，該模型結(jié)合管道腐蝕概率物理模型、貝葉斯、最大似然估計(jì)等模型，可實(shí)現(xiàn)鑄鐵管道腐蝕失效概率的預(yù)測(cè)。

1 問題描述

目前，我國許多城市中的給水排水管大都為金屬水管，材料中約48%為鑄鐵、19%為球墨鑄鐵。

為了有效分析給水排水管的老化壽命失效機(jī)理，必須了解導(dǎo)致管道失效的關(guān)鍵物理特性。通常情況下，與管道失效相關(guān)的關(guān)鍵物理特性主要包括：管道結(jié)構(gòu)特性、材料類型、管道-土壤相互作用、內(nèi)部和外部荷載以及電化學(xué)或微生物腐蝕導(dǎo)致的材料劣化。

鑄鐵給水排水管道外部的主要劣化機(jī)制為電化學(xué)腐蝕，其損壞以腐蝕坑的形式出現(xiàn)；而縱向故障通常是由內(nèi)部水產(chǎn)生壓力和腐蝕造成。灰鑄鐵的損壞通常與“石墨化”的存在相關(guān)。同時(shí)，管道的物理環(huán)境也對(duì)劣化率有顯著影響。土壤特性（如含水量、化學(xué)性質(zhì)和微生物含量以及通氣量）是加速金屬管道腐蝕的主要因素。簡而言之，當(dāng)管道的結(jié)構(gòu)完整性受到操作應(yīng)力或環(huán)境因素（如腐蝕、退化或安裝不當(dāng)）的影響時(shí)，可能會(huì)發(fā)生管道故障。由于缺乏數(shù)據(jù)可用性，本研究的重點(diǎn)主要為檢查鑄鐵給水排水管道腐蝕失效。圖1所示為鑄鐵給水排水管道典型腐蝕圖。

2 腐蝕失效分析模型

2.1 管壁腐蝕變化模型

一般情況下，鑄鐵給水排水管的腐蝕活動(dòng)通常包括管壁變薄或點(diǎn)蝕，最終導(dǎo)致管壁厚度減薄。同時(shí)，腐蝕導(dǎo)致的厚度損失有兩種類型：均勻腐蝕和局部點(diǎn)蝕，當(dāng)管壁厚度全面減薄時(shí)，則產(chǎn)生均勻腐蝕；僅在局部存在腐蝕斑或凹坑時(shí)，則產(chǎn)生局部點(diǎn)蝕。一般來說，局部點(diǎn)蝕會(huì)首先出現(xiàn)，并且隨著時(shí)間的推移，其中一些區(qū)域可能會(huì)擴(kuò)展為均勻腐蝕。

2.2 均勻腐蝕管道的應(yīng)力計(jì)算模型

2.3 局部點(diǎn)蝕管道應(yīng)力計(jì)算

3 壽命預(yù)測(cè)模型

根據(jù)第2節(jié)分析內(nèi)容，鑄鐵給水排水管道壽命預(yù)測(cè)問題可轉(zhuǎn)換為腐蝕概率失效預(yù)測(cè)問題，即腐蝕導(dǎo)致的失效概率越高，則壽命越短。為此，本節(jié)提出一種基于概率物理模型的鑄鐵給水排水管道的腐蝕概率失效預(yù)測(cè)模型。

3.1 管道故障數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)分析

3.2 故障數(shù)據(jù)最大似然估計(jì)

3.3 腐蝕管道的概率物理模型

3.4 腐蝕參數(shù)分析

通常情況下，腐蝕參數(shù)是通過研究管道周圍的土壤濕度和土壤環(huán)境得出的重要因素。本研究假定腐蝕參數(shù)cs描述的是腐蝕過程初始階段的腐蝕深度。令T0為一個(gè)過渡時(shí)間點(diǎn)，在該時(shí)間點(diǎn)，腐蝕速率在初始高速率之后接近與周圍環(huán)境平衡的穩(wěn)定狀態(tài)值。rs為T0之后穩(wěn)定增長的腐蝕速率。腐蝕參數(shù)本質(zhì)上是未知的，并且受大量不確定性因素的影響。除腐蝕機(jī)理外，腐蝕過程還涉及其他物理參數(shù)，如失效時(shí)的內(nèi)部水壓、鑄鐵的抗拉強(qiáng)度及局部點(diǎn)蝕幾何形狀等。上述物理參數(shù)共同構(gòu)成了控制管道失效機(jī)制的未知隨機(jī)變量。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 統(tǒng)計(jì)分析

4.2 對(duì)比分析

5 結(jié)束語

對(duì)鑄鐵給水排水管道進(jìn)行了研究與分析，建立了一種基于計(jì)算智能方法的給水排水管道壽命預(yù)測(cè)模型。該模型結(jié)合管道腐蝕概率物理模型、貝葉斯、最大似然估計(jì)等模型，實(shí)現(xiàn)了鑄鐵管道腐蝕失效概率的預(yù)測(cè)，進(jìn)而根據(jù)腐蝕情況預(yù)測(cè)管道壽命，對(duì)給水排水管道健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與管理具有較好的應(yīng)用和理論價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 馬金榮，馬劍飛，王峰，等.鉬對(duì)高鉻鑄鐵組織和高溫性能的影響［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2022，45（5）：115-119.

［2］ 吳德海，王懷林，張伯明.硅對(duì)鑄鐵基體組織和常溫力學(xué)性能的影響［J］.鑄造工程，2022，46（4）：25-30.

［3］ 史曉峰.給水排水管道結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)況與發(fā)展［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（7）：123-124.

［4］ 陳曉冬.基于PSO-SAE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市燃?xì)夤艿朗Ｓ鄩勖A(yù)測(cè)［J］.中國特種設(shè)備安全，2022，38（10）：13-17.

［5］ 張新生，王旭業(yè)，張瑩瑩，等.海底腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)與維修策略研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2022，32（3）：41-47.

［6］ 陸瀟，郭文鑫，牛志勇，等.油氣長輸管道剩余壽命評(píng)價(jià)方法綜述［J］.石油和化工設(shè)備，2022，25（2）：135-137.

［7］ 張剛.基于KPCA-FA-ELM模型的管道剩余壽命預(yù)測(cè)［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2021，40（10）：1479-1484.

［8］ 胡雨晴，吳俊嫻，張生鵬，等.基于概率物理模型的貯存可靠性評(píng)估方法［J］.裝備環(huán)境工程，2022，19（4）：60-65.

［9］ ZHANG C S，JI J，KODIKARA J，et al.Hyperbolic constitutive model to study cast iron pipes in 3-D nonlinear finite element analyses［J］.Engineering Failure Analysis，2017，75：26-36.

（收稿日期：2023-02-02，修回日期：2023-03-07）

Research on Life Prediction of Water Supply and Drainage Pipelines Based on Computational Intelligence

MA Zhi-ming

（1. Tiandi Science & Technology Co.， Ltd.; 2. CCTEG Coal Mining Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract? ?For purpose of improving the life prediction of existing water supply and drainage pipelines， a computational intelligence-based life prediction model for it was proposed. Firstly， having the failure factors such as wall corrosion and stress calculation of waterlogged drainage pipeline analyzed； then， having the probabilistic physical model based to establish a corrosion probability failure prediction model for the water supply and drainage pipeline made of cast irons so as to realize both the prediction and analysis of pipeline service life. Verifying the model based on collected data of cast iron pipes shows that， both model analysis and failure life probability contributes similar risk rate prediction. The test results verify the validity of the model proposed.

Key words? ? life prediction， water supply and drainage pipeline， cast iron， probability physical model， stress analysis