腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠度分析的VB/MATLAB程序实现

陈典斌　韩东霏　张二保　韩岳洋　刘诗文　张建春

摘要：腐蚀缺陷管道剩余寿命预测与结构可靠性计算问题不仅是管道完整性及安全性评价的重要组成部分还是材料界研究重点。该文以灰色理论GM（1，1）模型和传统计算结构可靠度的JC法为基础，使用VB和MATLAB开发腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠性分析计算程序，解决了两个计算程序的接口问题。使MATLAB在数值运算上的强大功能和VB在界面设计上的优势得以综合发挥。程序界面简单、操作方便快捷，且通过实例验证，计算结果较快，数据合理，程序编制准确无误，为腐蚀管道剩余寿命预测、复杂结构可靠性分析和腐蚀检测周期确定提供依据，具有可行性和实用性。

关键词：VB MATLAB 腐蚀管道 剩余寿命预测 结构可靠度 GM（1，1）模型 JC法

中图分类号：TG174.4 文献标识码： A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0083-04

为解决环境影响、力学性能变化、材质状况和实际工作条件下腐蚀管道内、外部出现大量缺陷，腐蚀程度加剧导致管壁变薄甚至损坏的情况，腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠性分析已成为是输送特殊介质管道工业的重要工作之一。随着计算机技术的快速发展，用软件编程进行快速准确预测直接关系到腐蚀管道是否继续服役、修复或更换[1]的周期确定，已成为工业现代化的重要内容。本文将对原始数据要求低但预测精度高的灰色理论GM（1，1）模型与传统结构可靠度分析方法JC法相结合，根据腐蚀管道特性，建立适用于工业的腐蚀管道剩余寿命预测及可靠度分析模型。采用VB与MATLAB软件混合编程完成剩余寿命预测中原始数据输入、复杂计算及显示工作，得到腐蚀管道剩余寿命预测值、预测精度等级、可靠度指标及失效概率等数据，可显著提高计算效率。

1 灰色理论GM（1，1）模型

1.1 灰色理论概念

灰色理论是研究部分信息已知，部分信息未知的灰色系统[2]有关建模、控模、预测、决策、优化等问题的理论，目前应用最为泛的预测模型为GM（1，1）模型[3]。

1.2 GM（1，1）模型建立

定义GM（1，1）的灰微分方程模型[4]为：

（1）

其解为

（2）

若取

（3）

则还原值为

（4）

预测方程为

（5）

1.3 GM（1，1）模型精度检验

为验证灰色预测模型的可靠性，采用后验差检验[5]。先计算原始序列x（0）（i）的均方差：

（6）

其中

，

（7）

然后计算残差序列的均方差：

（8）

其中

，

（9）

最后计算方差比c=S1/S0，最后计算小误差概率

（10）

根据文献[6]确定模型精度。

2 腐蚀管道可靠性模型

2.1 ASME B31G标准

评价腐蚀管道的基本方法为ASME B31G标准[7]。管道失效压力表达式为：

（11）

式中σs为材料的屈服强度，mf为乘积系数，t为管道壁厚；d为腐蚀缺陷深度；MT为Folias系数，与腐蚀缺陷长度L和管道外径D相关，当L2/（Dt）<50时，

（12）

当L2/（Dt）≧50时，

（13）

2.2 可靠性模型

进行可靠性分析[8]，需确定失效函数，即描述系统失效准则的功能函数。若管道实际作用压力（管道内压）为Pop，且失效压力为Pp，腐蚀管道的剩余强度可靠性功能函数为

（14）

将结构苟能函数变量Z为由多个相互独立且服从正态分布与非正态分布的参数变量Xi（i=1，2...n）组成的函数，记为

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

选用JC法来进行变量为非正态分布的可靠性分析。在Z=0的表面上找一点P*（d*，D*，L*，mf*，POP*，σS*，t*），将极限状态方程在这点上展开为线性平面，使各个变量均值确定的点（μd，μD，μL，μmf，μPOP， μσS，μt）到线性平面距离最短，点P*被称为设计验算点[5]，它是最可能使结构失效的一组取值，此距离为可靠性指标β。Z的均值μZ和标准差σZ分别为非正态随机变量转化为当量正态随机变量的平均值和标准差，腐蚀管道的可靠性指标可由β=μZ/σZ计算。腐蚀管道失效概率可由Pf=ΦN（-β）计算，ΦN（...）是标准正态分布函数。

3 程序实现

3.1 剩余寿命分析

用VB编写腐蚀管道剩余寿命分析程序，包括定义常量和变量、使用IF语句和循环、选择等语句编写结构，程序模块代码流程可如图1所示。

将Grey（）函数为腐蚀管道剩余寿命分析程序的中心函数，其编制流程如图2所示。

3.2 结构可靠性分析

根据JC法基本原理，使用MATLAB软件进行结构可靠性分析程序编制，计算流程如图3所示。

3.3 VB与MATLAB混合编程

3.3.1 接口问题

预测软件采用ActiveX自动化协议（即OLE自动化协议）实现VB与MATLAB的连接。ActiveX是VB工具箱的扩充部分，允许控制端程序控制服务器端程序，可打开和关闭MATLAB[9]。

3.3.2 混合编程实现

VB与MATLAB混合编程流程如图4所示[10-11]。endprint

3.4 工程实例

某输气管道有6次检测数据，检测时间间隔为2年，选取典型腐蚀管道段，将其剩余壁厚原始数据（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）输入腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠度分析软件，运算结果如图5所示。

4 结语

针对技术人员对在役腐蚀管道维护保养周期如何进行确定的问题，用VB和MATLAB进行混合编程设计了腐蚀管道剩余寿命预测及可靠性分析软件。程序具有界面简单、代码少、计算参数的交互输入与数据存储灵活、直观显示预测结果等优点，减轻了技术人员在腐蚀管道寿命预测及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作难度，并通过实例应用验证了模型精度，取得了较好的预测效果，软件具有良好的实用性。

参考文献

[1] 魏化中，周小兵，舒安庆，等.含组合腐蚀缺陷压力管道剩余强度分析[J].化工设备与管道，2007，44（2）：42-43.

[2] 邓聚龙.灰预测与灰决策[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[3] 徐家湛.灰色预测模型在经济序列预测中的应用[J].北京统计，2004（6）.

[4] 汤东亚，姚安林，马洪亮，等.基于灰色理论的含腐蚀缺陷油气管道剩余寿命预测分析[J].成都大学学报（自然科学版）.2011，30（2）.

[5] 罗恕人.基于灰色理论GM（1，1）模型的Vb程序实现及其验证[J].科技资讯，2006（5）：115.

[6] 陈志波，简文彬.基桩沉降量的灰色预测[J].岩土工程技术，2004，18（2）：75.

[7] Hopkins，Jones D G.A study of the behaviour of long and complex-shaped corrosion in transmission pipelines[C]//In Proc.11th Int.Conf.on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Vol.V，Part A，ASME. 1992：211-217.

[8] 刘永寿，王文，冯震宙，等.腐蚀管道的剩余强度与可靠性分析[J].强度与环境，2008，35（3）：52-57.

[9] 杜欣慧，张丽芳，李青，等.电力系统负荷预测软件中VB与MATLAB的接口方法研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（19）.

[10] 吴雁，萧风.Visual Basic 6入门·提高·实战[M].北京：中国建材工业出版社，1999.

[11] 王世香.精通MATLAB接口与编程[M].北京：电子工业出版社，2007.endprint

3.4 工程实例

某输气管道有6次检测数据，检测时间间隔为2年，选取典型腐蚀管道段，将其剩余壁厚原始数据（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）输入腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠度分析软件，运算结果如图5所示。

4 结语

针对技术人员对在役腐蚀管道维护保养周期如何进行确定的问题，用VB和MATLAB进行混合编程设计了腐蚀管道剩余寿命预测及可靠性分析软件。程序具有界面简单、代码少、计算参数的交互输入与数据存储灵活、直观显示预测结果等优点，减轻了技术人员在腐蚀管道寿命预测及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作难度，并通过实例应用验证了模型精度，取得了较好的预测效果，软件具有良好的实用性。

参考文献

[1] 魏化中，周小兵，舒安庆，等.含组合腐蚀缺陷压力管道剩余强度分析[J].化工设备与管道，2007，44（2）：42-43.

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[9] 杜欣慧，张丽芳，李青，等.电力系统负荷预测软件中VB与MATLAB的接口方法研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（19）.

[10] 吴雁，萧风.Visual Basic 6入门·提高·实战[M].北京：中国建材工业出版社，1999.

[11] 王世香.精通MATLAB接口与编程[M].北京：电子工业出版社，2007.endprint

3.4 工程实例

某输气管道有6次检测数据，检测时间间隔为2年，选取典型腐蚀管道段，将其剩余壁厚原始数据（6.0，5.30，4.71， 4.12，3.81，3.63）输入腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠度分析软件，运算结果如图5所示。

4 结语

针对技术人员对在役腐蚀管道维护保养周期如何进行确定的问题，用VB和MATLAB进行混合编程设计了腐蚀管道剩余寿命预测及可靠性分析软件。程序具有界面简单、代码少、计算参数的交互输入与数据存储灵活、直观显示预测结果等优点，减轻了技术人员在腐蚀管道寿命预测及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作难度，并通过实例应用验证了模型精度，取得了较好的预测效果，软件具有良好的实用性。

参考文献

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[10] 吴雁，萧风.Visual Basic 6入门·提高·实战[M].北京：中国建材工业出版社，1999.

[11] 王世香.精通MATLAB接口与编程[M].北京：电子工业出版社，2007.endprint