基于有限元和PSO-BP的多点腐蚀缺陷管道剩余强度研究
发布时间：2020-12-31 11:20
石油和天然气是世界燃料的主要构成成分,管道是长距离输送油气的重要结构。虽然管道是一种非常安全的能源运输方式,但也面临着许多威胁,尤其是腐蚀。如果管道发生故障,会带来巨大的环境危害与经济损失。由于在工程实际中,腐蚀形状多以不规则的群腐蚀形式出现,而现有的绝大部分计算剩余强度的方法,其对象都是单一腐蚀缺陷管道,从而使评价结果往往过于保守。为确定管道是否能正常服役,避免事故发生,有必要对多点腐蚀缺陷管道的失效压力及缺陷间相互作用机理进行研究分析,为管道的安全性评价提供参考依据。本文的主要研究内容如下:（1）依据有限元分析的一般流程,根据实际研究问题,设定有限元分析的具体参数,建立有限元分析模型,对多点腐蚀缺陷管道失效压力进行分析预测。将本文通过建立有限元模型得到的预测结果与爆破实验和文献计算结果分别对比,并进行误差分析,表明有限元计算与真实结果基本吻合,验证了用有限元模型进行多点腐蚀缺陷管道预测的准确性。（2）建立基于PSO-BP的多点腐蚀缺陷管道失效压力的预测模型。首先,结合收集的多点腐蚀管道爆破实验数据,利用Lasso回归筛选出失效压力影响因素,确定BP神经网络的输入变量;然后,用PSO...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同形状腐蚀缺陷模型
西安建筑科技大学硕士学位论文28Hollomon[74]方程来简化材料的应力应变关系。管道力学分析时常用的简化模型有:Ramberg-Osgood方程:()nKEE（3-3）式中为应变；为应力；E为弹性模量；K为强度系数；n为应变硬化指数；K和n依材料属性而定，与材料硬化有关。Hollomon方程:nk（3-4）式中k为材料常数;n为幂硬化指数;为真实应力;为真塑性应变。理论上，当无法进行实验需要使用简化真实材料的应力应变关系时，Ramberg-Osgood方程与Hollomom方程都可以被使用。不过使用Ramberg-Osgood模型，能够省去逐步判断材料是否屈服的繁琐步骤[75]，常常被用来修正实验曲线，其模拟材料的非线性特征的准确性较高，是经典的本构模型，因此本文采用Ramberg-Osgood模型。（4）网格划分根据所研究的问题，一般会将网划分为四面体和六面体网格，两种形式的管道网格划分如图3.5所示。六面体单元有8个节点，计算规模小，但是不适用于复杂的结构。带中间节点的四面体单元适用于复杂的结构，但是不同于六面体结构，四面体每个单元有10个节点，使用四面体网络会使总节点数增多从而增加计算量。所以六面体单元适用于简单的实体结构，而四面体单元适用于复杂的实体结构。图3.5四面体和六面体网格划分原则上，在两种方式划分网格对精度不产生很大的影响，考虑到计算成本节约的基础上，选择较少的网格作为实体结构，可以减少计算量[2]。所以本文采用四面体网格划分实体结构。在选择模型的长度上，通常选取直径D的2倍、3倍和5倍。通过实验可知，管长为2D的模型计算结果与管长为3D和5D的模型计算结果相差不
西安建筑科技大学硕士学位论文31VonMises屈服准则认为，当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与应力应变状态无关的定值时，材料屈服。在腐蚀管道的研究中，当Mises应力达到管材的拉伸极限时，管道失效。该屈服准则的表达式为:2221223311()()()2VonMisess（3-6）在式（3-6）中，VonMises为Mises等效应力。s为屈服应力。1、2、3为在主应力空间，三个方向上的主应力。VonMises屈服准则区别于Tresca屈服准则在于，VonMises屈服准则考虑了第二屈服应力对屈服产生影响，使用更方便。（2）腐蚀缺陷管道的失效判定对腐蚀管道模型施加内压，设置增量荷载步长，按照步长逐渐加压。随着应力不断发生变化，通过观察缺陷处应力是否达到临界值判断管道是否发生失效。在缺陷区域沿管道环向方向的剖面处选定三个点：外壁点、中间点、内壁点，对管道模型加压，观察这三个点VonMises等效应力的变化，如图3.6所示。图3.6腐蚀区载荷-应力曲线图3.6中，b为管材的屈服强度，s为管材的极限拉伸强度。由图可知，在这三个点中，内壁点首先到达屈服强度b，中间点相较于外壁点更先达到b，表明缺陷处应力的不均匀，且内壁点应力集中更明显。内壁点在达到时，继续施加压力而应力保持不变，显示出材料的硬化效应。而当3个点全部达到极限拉伸强度b时，此时继续对管道施压，3个点的应力都迅速上升，直到相等。此时管道已经处于不稳定的状态，虽然由于缺陷部分与周围管材约束，暂时并未失效。但只要继续施加内压，三点处的应力显现出急速上升趋势，管道已经处于危险状态，随时可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于广义回归神经网络的海底腐蚀管道极限承载力预测[J]. 靳文博,肖荣鸽,田震,李凯. 热加工工艺. 2020(08)
[2]油品输送管道剩余强度的模拟研究[J]. 刘宗虎,王富强. 能源化工. 2020(01)
[3]双腐蚀缺陷海底管道临界失效压力[J]. 冯欣鑫,余杨,徐立新,王谦,余建星,冯丽梅. 中国海洋平台. 2018(05)
[4]基于BP神经网络预测含腐蚀缺陷管道的极限压力[J]. 青树勇,代卿,郭鸿雁. 腐蚀与防护. 2018(08)
[5]含单腐蚀和群腐蚀缺陷高强钢管道失效压力[J]. 陈严飞,董绍华,敖川,娄方宇,张宏,李昕,周晶. 船舶力学. 2018(01)
[6]双腐蚀缺陷管道剩余强度计算方法[J]. 崔铭伟,魏登峰,高嘉喜,封子艳,易冬蕊,张书勤,张月明,曹学文. 表面技术. 2016(08)
[7]多缺陷相互作用及对油气管道强度影响研究[J]. 穆怀,曾祥国,李洋,肖雨果,耿清华. 四川理工学院学报(自然科学版). 2016(02)
[8]粒子群优化算法的性能分析和参数选择[J]. 王东风,孟丽. 自动化学报. 2016(10)
[9]兰成渝腐蚀管道失效压力的GA-BP神经网络组合预测方法[J]. 李琴,孙春梅,黄志强,肖祥,汤海平. 中国安全生产科学技术. 2015(11)
[10]相互影响双腐蚀缺陷管道的剩余强度[J]. 曹学文,赵联祁,崔铭伟,徐艳华,叶青. 油气储运. 2015(04)
博士论文
[1]腐蚀缺陷间相互作用对管道失效压力影响研究[D]. 苏晨亮.大连理工大学 2018
[2]海底腐蚀管道破坏机理和极限承载力研究[D]. 陈严飞.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]基于高维独立性检验的特征筛选及应用[D]. 曲媛媛.青岛大学 2019
[2]基于有限元分析的海底管道剩余强度预测方法研究[D]. 吴龙飞.浙江工业大学 2019
[3]基于Bayes分析及MCMC法的腐蚀管道可靠性研究[D]. 颜永玲.西南石油大学 2018
[4]基于混合模型EWT-PSO-SA-SVR的港口吞吐量区间预测[D]. 徐晓梅.兰州大学 2018
[5]受腐蚀管道可靠度分析[D]. 熊云.大连理工大学 2017
[6]复杂载荷作用管道腐蚀缺陷剩余强度非线性有限元研究[D]. 史雪婷.西安石油大学 2017
[7]基于破裂极限状态的X80腐蚀管道可靠性分析[D]. 李琪.西南石油大学 2016
[8]油气管道复杂腐蚀缺陷失效压力非线性有限元研究[D]. 武琳.西安石油大学 2015
[9]在役海底管道剩余强度评估方法研究[D]. 潘悦然.天津大学 2014
[10]压力管道腐蚀缺陷的非线性有限元分析[D]. 杨茜.西安石油大学 2014
本文编号：2949510
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同形状腐蚀缺陷模型
西安建筑科技大学硕士学位论文28Hollomon[74]方程来简化材料的应力应变关系。管道力学分析时常用的简化模型有:Ramberg-Osgood方程:()nKEE（3-3）式中为应变；为应力；E为弹性模量；K为强度系数；n为应变硬化指数；K和n依材料属性而定，与材料硬化有关。Hollomon方程:nk（3-4）式中k为材料常数;n为幂硬化指数;为真实应力;为真塑性应变。理论上，当无法进行实验需要使用简化真实材料的应力应变关系时，Ramberg-Osgood方程与Hollomom方程都可以被使用。不过使用Ramberg-Osgood模型，能够省去逐步判断材料是否屈服的繁琐步骤[75]，常常被用来修正实验曲线，其模拟材料的非线性特征的准确性较高，是经典的本构模型，因此本文采用Ramberg-Osgood模型。（4）网格划分根据所研究的问题，一般会将网划分为四面体和六面体网格，两种形式的管道网格划分如图3.5所示。六面体单元有8个节点，计算规模小，但是不适用于复杂的结构。带中间节点的四面体单元适用于复杂的结构，但是不同于六面体结构，四面体每个单元有10个节点，使用四面体网络会使总节点数增多从而增加计算量。所以六面体单元适用于简单的实体结构，而四面体单元适用于复杂的实体结构。图3.5四面体和六面体网格划分原则上，在两种方式划分网格对精度不产生很大的影响，考虑到计算成本节约的基础上，选择较少的网格作为实体结构，可以减少计算量[2]。所以本文采用四面体网格划分实体结构。在选择模型的长度上，通常选取直径D的2倍、3倍和5倍。通过实验可知，管长为2D的模型计算结果与管长为3D和5D的模型计算结果相差不
西安建筑科技大学硕士学位论文31VonMises屈服准则认为，当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与应力应变状态无关的定值时，材料屈服。在腐蚀管道的研究中，当Mises应力达到管材的拉伸极限时，管道失效。该屈服准则的表达式为:2221223311()()()2VonMisess（3-6）在式（3-6）中，VonMises为Mises等效应力。s为屈服应力。1、2、3为在主应力空间，三个方向上的主应力。VonMises屈服准则区别于Tresca屈服准则在于，VonMises屈服准则考虑了第二屈服应力对屈服产生影响，使用更方便。（2）腐蚀缺陷管道的失效判定对腐蚀管道模型施加内压，设置增量荷载步长，按照步长逐渐加压。随着应力不断发生变化，通过观察缺陷处应力是否达到临界值判断管道是否发生失效。在缺陷区域沿管道环向方向的剖面处选定三个点：外壁点、中间点、内壁点，对管道模型加压，观察这三个点VonMises等效应力的变化，如图3.6所示。图3.6腐蚀区载荷-应力曲线图3.6中，b为管材的屈服强度，s为管材的极限拉伸强度。由图可知，在这三个点中，内壁点首先到达屈服强度b，中间点相较于外壁点更先达到b，表明缺陷处应力的不均匀，且内壁点应力集中更明显。内壁点在达到时，继续施加压力而应力保持不变，显示出材料的硬化效应。而当3个点全部达到极限拉伸强度b时，此时继续对管道施压，3个点的应力都迅速上升，直到相等。此时管道已经处于不稳定的状态，虽然由于缺陷部分与周围管材约束，暂时并未失效。但只要继续施加内压，三点处的应力显现出急速上升趋势，管道已经处于危险状态，随时可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于广义回归神经网络的海底腐蚀管道极限承载力预测[J]. 靳文博,肖荣鸽,田震,李凯. 热加工工艺. 2020(08)
[2]油品输送管道剩余强度的模拟研究[J]. 刘宗虎,王富强. 能源化工. 2020(01)
[3]双腐蚀缺陷海底管道临界失效压力[J]. 冯欣鑫,余杨,徐立新,王谦,余建星,冯丽梅. 中国海洋平台. 2018(05)
[4]基于BP神经网络预测含腐蚀缺陷管道的极限压力[J]. 青树勇,代卿,郭鸿雁. 腐蚀与防护. 2018(08)
[5]含单腐蚀和群腐蚀缺陷高强钢管道失效压力[J]. 陈严飞,董绍华,敖川,娄方宇,张宏,李昕,周晶. 船舶力学. 2018(01)
[6]双腐蚀缺陷管道剩余强度计算方法[J]. 崔铭伟,魏登峰,高嘉喜,封子艳,易冬蕊,张书勤,张月明,曹学文. 表面技术. 2016(08)
[7]多缺陷相互作用及对油气管道强度影响研究[J]. 穆怀,曾祥国,李洋,肖雨果,耿清华. 四川理工学院学报(自然科学版). 2016(02)
[8]粒子群优化算法的性能分析和参数选择[J]. 王东风,孟丽. 自动化学报. 2016(10)
[9]兰成渝腐蚀管道失效压力的GA-BP神经网络组合预测方法[J]. 李琴,孙春梅,黄志强,肖祥,汤海平. 中国安全生产科学技术. 2015(11)
[10]相互影响双腐蚀缺陷管道的剩余强度[J]. 曹学文,赵联祁,崔铭伟,徐艳华,叶青. 油气储运. 2015(04)
博士论文
[1]腐蚀缺陷间相互作用对管道失效压力影响研究[D]. 苏晨亮.大连理工大学 2018
[2]海底腐蚀管道破坏机理和极限承载力研究[D]. 陈严飞.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]基于高维独立性检验的特征筛选及应用[D]. 曲媛媛.青岛大学 2019
[2]基于有限元分析的海底管道剩余强度预测方法研究[D]. 吴龙飞.浙江工业大学 2019
[3]基于Bayes分析及MCMC法的腐蚀管道可靠性研究[D]. 颜永玲.西南石油大学 2018
[4]基于混合模型EWT-PSO-SA-SVR的港口吞吐量区间预测[D]. 徐晓梅.兰州大学 2018
[5]受腐蚀管道可靠度分析[D]. 熊云.大连理工大学 2017
[6]复杂载荷作用管道腐蚀缺陷剩余强度非线性有限元研究[D]. 史雪婷.西安石油大学 2017
[7]基于破裂极限状态的X80腐蚀管道可靠性分析[D]. 李琪.西南石油大学 2016
[8]油气管道复杂腐蚀缺陷失效压力非线性有限元研究[D]. 武琳.西安石油大学 2015
[9]在役海底管道剩余强度评估方法研究[D]. 潘悦然.天津大学 2014
[10]压力管道腐蚀缺陷的非线性有限元分析[D]. 杨茜.西安石油大学 2014
本文编号：2949510
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