硫化氢环境下老旧管道失效概率评价方法研究

老旧管道在服役过程中存在着失效风险,而影响老旧管道失效的因素有很多,在众多影响因素中硫化氢对管道产生的腐蚀损伤较严重。为解决受腐蚀损伤的老旧管道安全评估问题,文章建立了一种在硫化氢环境下老旧管道失效概率评价方法。以在硫化氢环境中使用了约20年的老旧集气管道为研究对象,采用蒙特卡洛法模拟管道服役过程中的动态压力和腐蚀损伤引起的剩余强度的变化,计算了单一腐蚀因素引起管道失效的概率,并通过正态分布概率给出管道使用的安全范围。研究结果表明:投运20年以上的含硫老旧管道在氢致开裂实验与应力腐蚀开裂实验中,均未发生开裂。根据模型计算得出,老旧管道依旧可以安全服役,但服役6年后失效概率超过0.5,需要进行整修工作,服役27年后,管道内腐蚀严重,剩余强度降到3.82 MPa,需要更换管道。通过模拟得到了失效概率与腐蚀缺陷和服役时间的关系,为老旧集气管道再服役提供理论依据和参考价值。

考虑两层相关性的腐蚀油气管道失效概率计算方法

在腐蚀油气管道失效概率计算中,存在随机变量相关和腐蚀缺陷相关的两层相关性。针对当前腐蚀管道可靠性评价中对相关性影响的研究不足,本文提出了考虑两层相关性影响的腐蚀油气管道失效概率计算方法。该方法首先基于Copula函数对具有相关性的随机变量进行抽样,结合管道失效极限状态方程,计算单个腐蚀缺陷的失效概率。进一步采用系统可靠性理论,考虑缺陷间相关性,对含多个腐蚀缺陷的腐蚀油气管道失效概率进行计算。并以我国某条天然气管道的实际数据为例,采用拉丁超立方抽样方法研究了两层相关性以及缺陷数量对管道失效概率的影响,并基于敏感性分析,量化了随机变量相关系数和腐蚀缺陷相关系数对腐蚀油气管道失效概率的影响。结果表明,缺陷相关性对管道失效概率计算影响明显高于随机变量相关性。小孔泄漏和爆裂失效概率随着缺陷之间相关系数的增大而减小,随着缺陷数量的增加而增大。随机变量相关性对管道小孔泄漏失效概率没有影响,管道爆裂失效概率随着壁厚与管径相关系数的增大而减小,随着初始缺陷长度与深度的相关系数增大而增大。缺陷轴向与径向增长速率相关系数的增大对管道爆裂失效概率的影响具有双向性,预测周期内大约前16年随着相关系数的增大,管道爆裂失效概率增加,大约25年后随着相关系数的增大,随相关系数增大而降低。研究成果适用于分析含多个腐蚀缺陷的油气管道可靠性评价,对管道安全运行、油气资源平稳供应具有参考意义。

基于失效概率的雨水管网高风险管道识别与改造

识别高风险管道并降低其失效概率是缓解城市内涝积水的重要手段。为此,提出了一种基于排水能力-失效概率相关关系的高风险管道判别方法:首先以充满度等于1为管道失效的临界判别条件,并基于蒙特卡洛抽样计算管道在设计降雨情景下的失效概率;其次采用SWMM评估管道的排水能力;然后利用K-means聚类算法和分段回归分析法构建管道排水能力与失效概率的相关关系,并借助该相关关系推求出高风险管道的判别阈值,以北京市丰台区排涝片区为例,在3 a一遇降雨情景下,推求出失效概率等于3.64%为高风险管道的判别阈值;并结合高风险管道的纵断面图进行内涝成因分析,制定改造方案。模拟结果表明:改造后高风险管道数量占雨水管道总数的比例由91.39%降低至2.32%;高风险管道总长度占雨水管网总长度的比例由88.74%降低至1.11%。

多失效模式与变量相关的管道失效概率预测

针对腐蚀管道多失效模式相互竞争、变量非独立的特点以及小失效概率预测效率低的问题,提出一种基于子集模拟法(SS)的腐蚀管道时变失效概率预测方法。基于泄漏与爆裂失效的极限状态函数,考虑泄漏与爆裂失效的竞争关系,构建管道竞争失效概率预测模型;使用Nataf转换方法描述模拟样本中缺陷深度与长度的相关性,提出考虑失效模式竞争性、变量相关性的腐蚀管道失效概率求解方法,并采用蒙特卡罗模拟(MCS)验证该方法;应用上述方法,探究缺陷深度和长度的弱相关性(相关系数0~0.3)对管道服役15年内失效概率的影响。结果表明:失效概率大于10-6时,使用该方法的计算结果与MCS计算结果基本相同,计算效率高于MCS,且可预测概率水平为10-12的极小概率事件;管道服役15年内,缺陷变量相关系数越大,管道爆裂失效概率越大,越早到达爆裂失效概率阈值年限;而随着相关系数的增大,泄漏失效概率越小,越晚达到泄漏失效概率阈值年限;在预测后期,相关系数增大对2种失效概率的影响均减弱。

岩溶典型区崩塌落石被动防护网失效概率模拟

贵州省位于我国西南地区,多山地丘陵,是典型的喀斯特地形地貌区,崩塌、滑坡等地质灾害频发。思南县小屯岩崩塌带上现存危岩体方量大,裂隙、凹岩腔、溶蚀孔洞等发育。为研究岩溶典型区崩塌落石被动防护网失效概率,通过高精度实景建模技术,构建崩塌带三维模型,进行崩塌落石运动过程模拟,根据现场调查、无人机航拍和数值模拟结果,选择合适的位置布设落石被动防护网。基于落石粒径大小识别,选取不同粒径大小的落石,进行落石被动防护网拦截效果模拟,计算落石被动防护网失效概率。结果表明:13种粒径落石突破概率各不相同,(0.25,2.25)m粒径落石拦截效果良好,但落石被动防护网拦截率不能达到百分之百;落石粒径大于2.25 m,被动防护网出现失效现象,故将2.25 m粒径的落石为小屯岩崩塌带下被动防护网的设计上限。根据计算,所有粒径落石经被动防护网拦截后的失效概率低于5%,属可接受范畴。研究成果为小屯岩崩塌带的落石防护措施提供了有力的参考依据,对保护岩溶地区山区人民的生命安全和财产安全具有重要意义。

一种基于AK-MCS-K的失效概率函数估计方法

针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题,提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型,进而通过该局部代理模型结合Monte Carlo模拟法计算在指定分布参数样本下结构的失效概率,然后基于Kriging方法拟合分布参数样本点与对应结构失效概率之间的函数关系,最终建立用Kriging模型表达的失效概率函数的隐式函数。为了检验所提方法的精度和效率,给出了两个算例,对比了所提方法与已有的求解失效概率函数方法的计算结果。算例结果表明,所提方法适用于求解复杂的功能函数问题,并在满足精度要求的基础上显著降低了计算量。

基于蒙特卡罗方法的混凝土屋面工程防水失效概率算法

工程防水适合采用失效概率作为量化指标,以科学选材,判断构造的合理性和适应性。结合工程防水中材料变形量计算的可行性,变形区间、协同作用的不确定性,引入蒙特卡罗方法建立的防水失效概率计算方法,可建立相对客观的算法,在此基础上对量化结果进行对比,可得出相对客观的结论。

基于防水失效概率的混凝土屋面工程适应性技术

我国混凝土屋面工程防水领域具备丰富的经验,目前在分类、量化领域不断拓展,已开始探索概率分析法。采用基于蒙特卡罗方法的混凝土屋面防水失效概率计算程式,可对应用场景、构成、构造进行组合,基于统一的计算基准,对量化结果进行对比、分析,可对屋面构造、防水层道数、材料的气候适应性、材料类型等进行定量分析,得出相对客观的结论。

基于马尔可夫链的城市埋地燃气管道泄漏失效概率计算

城市埋地燃气管道泄漏可能造成大量人员伤亡和财产损失,因此,开展燃气管道泄漏概率研究具有重要意义。基于马尔可夫链理论建立城市埋地燃气管道泄漏失效概率的计算模型,量化其失效概率,联合欧洲天然气管道事故统计数据证明其有效性。结果表明,管道泄漏失效概率计算不可忽略管道的可修复性;调整修复率可使模型适用于不同泄漏类型的失效概率计算;模型预测精度满足工程要求;为燃气管道风险评估和事故防控提供基础数据支撑。

输电铁塔在冰风耦合作用下失效概率分析

覆冰灾害严重威胁输电线路的安全运行。在冰灾过程中,往往伴随着风荷载的作用,为提高输电塔抵御覆冰灾害的能力,提出了一种基于Jones覆冰模型的输电铁塔失效概率评估框架。首先以湖南郴州、永州、邵阳3市气象站数据为基础建立了超级站,在此基础上利用Copula函数建立了考虑冰厚-风速、风速-风向相关性的联合概率分布,最后以一条实际输电线路为算例,计算了该线路铁塔在冰风荷载耦合作用下倒塌状态的失效概率。结果表明,提出的方法可以有效地评估输电塔在冰风耦合作用下的失效概率,考虑冰厚-风速、风向-风速相关性后,输电塔失效概率的计算更加科学合理。受风向概率的影响,输电塔失效概率的最大值出现的角度并不固定,该文章可为输电线路抗冰灾设计提供参考。

动力荷载下结构非线性概率模型参数估计及失效概率预测

文章提出基于贝叶斯推理的结构非线性概率模型参数估计方法,结合非线性参数的后验概率分布估计结果,实现结构在动力荷载作用下的失效概率预测。利用结构实测加速度响应作为输入,构建贝叶斯推理的似然函数,采用过渡马尔可夫蒙特卡洛(transitional Markov chain Monte Carlo,TMCMC)算法估计非线性概率模型参数的后验概率分布。当模型参数的后验概率分布被计算之后,利用更新后的参数后验概率分布作为输入,通过随机抽样算法预测结构在动力荷载作用下的失效概率。为验证方法的可行性,对地震荷载作用下的5层钢框架结构进行数值模拟,通过钢框架结构的缩尺振动台试验进一步验证该方法的有效性。研究结果表明:该方法能够准确实现非线性模型参数的后验概率密度计算,能够对结构在地震荷载下的失效概率进行有效预测。

结构失效概率分析的球层抽样方法

传统Monte Carlo抽样方法应用于小失效概率等复杂可靠度问题时,存在效率低下、精度有限等不足,针对这一问题提出一种球层抽样分析方法.首先,通过分离距离与方向参量,对标准正态随机向量进行重构,并验证其标准正态性与相互独立性;然后,采用分层抽样策略,将半径大于一阶可靠度指标外的正态空间划分为多个球层,进而利用所重构的向量逐层进行抽样,并结合全概率公式,形成估计结构失效概率的球层抽样算法;最后,通过对3个典型算例进行对比分析,验证算法性能.分析表明:所提出算法具有较高的抽样效率与收敛性能,算例计算结果误差在3%以内;与其他算法相比,其估计方差更小,且可有效解决多设计验算点等复杂可靠度问题;算法在抽样效率、适用范围以及稳定性等方面具有优势,更适用于实际复杂结构可靠度的求解分析.

湿式报警阀组的要求时平均失效概率计算方法研究

受腐蚀、老化、堵塞等累加因素影响,火灾时自动喷水灭火系统的湿式报警阀组有概率无法按需运行。为科学评估湿式报警阀组在执行预定功能方面的能力,对阀组的安全失效模式和危险失效模式进行分析,通过引入功能安全评估方法,使用JMP数据分析软件对区间删失型失效数据的分布情况进行拟合。实例分析表明,湿式报警阀的失效概率函数符合威布尔分布,进而计算获得PFD_(avg),评估阀组的SIL等级。研究方法可为其他固定消防设施的功能安全评估提供借鉴,有助于提升消防系统安全管理水平。

基于改进一次二阶矩方法的油气管道失效概率研究

油气管道在运行过程中存在诸多不确定性因素,采用改进的一次二阶矩计算方法,依据最大剪应力强度理论和管道工程设计规范,建立了油气管道的失效功能函数,提出了管道可靠度和失效概率的计算方法。以西部某段原油输送管道为例,研究了随机变量管道直径、壁厚、运行压力、运行温差的平均值与标准差对失效概率的影响,为油气管道的可靠性设计及风险评估提供一定的借鉴。

协作机器人性能失效概率分析

协作机器人涉及生活、农业、军事以及交通等多领域,其作业环境具有随机性和不确定性等特点。由于协作机器人投入生产时间尚短,目前很难统计故障数据作为失效分析基础。一旦协作机器人作业过程中出现故障,可能导致系统破坏、任务延迟,会严重增加经济成本。因此,文章提出一种协作机器人性能失效概率分析算法,基于模糊综合评价和动态贝叶斯网络模型的失效概率分析模型,并以AUBO-i5协作机器人为例,分析高温、腐蚀及强振动等恶劣环境下,不同故障模式对协作机器人作业的影响。结果表明:协作机器人的控制系统可靠度最低,其中,电路板在工作1 000 h后的可靠度仅为43.9%,该计算结果得到了基于蒙特卡洛与故障树的工业机器人系统可靠性分析验证。本项研究成果能够为完善协作机器人设计、提高机器人的可靠性提供理论依据。

基于失效数据统计的油气管道失效概率评估方法

油气管道失效概率评估作为管道风险评价的重要部分,其评估方法一直是研究的难点。针对已有油气管道失效概率评估方法的不足,基于PHMSA失效数据库综合从油气管道本体角度分析了油气管道发生失效的影响因素,建立了一套基于失效数据统计的油气管道失效概率评估方法,并且建立了包含十个定量指标的修正因子指标体系。定量指标根据失效数据库进行数据拟合,该方法可以结合管道特点进行具体分析,实现了对油气管道失效概率的评估。将该方法应用于具体管道可以获得各失效发生的概率,指导管道运营商针对该种失效采取风险消减措施。

基于冗余度的杆系结构失效概率计算

目前结构体系可靠度计算过程中,失效模式的识别及其系统失效概率计算量过大。本文结合结构冗余度提出一种新的失效概率求解计算方法。首先利用结构可靠度理论,推导出结构单元的安全余量函数并求出其对应的失效概率,根据结构冗余度识别失效路径,确定失效概率最大值的杆件,最终通过构件的失效概率来计算结构体系失效概率。

基于随机场模型的土石坝失效概率分析研究进展

土石坝内部岩土体物理力学参数具有较强的空间变异性,随机场模型能够通过科学的方法对其进行准确建模和失效概率分析,有助于更好地评估大坝渗流、稳定和抗震性能。回顾了随机场模型的相关理论,总结了以往研究中常用的协方差和自相关函数,介绍了7种随机场模型的生成方法及其优缺点,并对随机场统计特征的含义进行了说明。从渗流、稳定、静力和动力分析4个方面综述了随机场模型在土石坝失效概率分析中的国内外应用实例,包括获取更准确的渗流、稳定和静动力计算结果,分析土石坝材料参数的敏感性,以及对于参数反演问题和建立大坝监控模型等方面的重要作用。未来的研究包括考虑非达西渗流、三维精细化建模以及应用新的采样技术等。相关成果可为基于随机场模型的土石坝失效概率分析研究提供参考。

弯坡路段多模式失效概率与轿车单车事故的关系

为促进可靠性分析(概率几何设计)在公路安全设计及事故预测中的应用,通过建立事故预测模型将轿车多模式失效概率与轿车事故之间建立关系。首先,以多模式失效为切入点,基于单个轿车在弯坡路段可能的3种失效模式(侧滑、侧翻、视距不足)建立多模式失效系统;其次,以华盛顿州10241起弯坡路段的轿车单车事故为研究对象,通过蒙特卡罗法和宽界限法求解系统的多模式失效概率;最后,将多模式失效概率、公路因素作为解释变量建立负二项模型、随机效应负二项模型、随机参数负二项模型3种事故预测模型,挖掘多模式失效概率与轿车单车事故之间的关系。结果表明:3种事故预测模型中随机参数负二项模型的拟合最优;当考虑多模式失效概率时,公路几何因素对轿车单车事故的影响被削弱;除两个暴露变量外,多模式失效概率对轿车单车事故的影响最大;多模式失效概率与轿车单车事故的拟合曲线近似为线性,且拟合曲线的截距不为0。该研究成果可用于公路的可靠性设计中。

天然气管道不同孔径泄漏失效概率量化方法研究

为研究不同孔径泄漏下天然气管道失效概率,首先基于EGIG数据库和UKOPA数据库天然气管道历史失效数据,计算由不同失效原因导致3种孔径泄漏所占比例;然后将我国管道各原因基础失效概率按照对应比例分别进行修正,获得较适用于我国天然气管道特点的不同孔径泄漏基础失效概率;最后分别考虑第三方破坏、腐蚀、施工缺陷/材料失效、误操作、自然力破坏5种失效原因,完成对天然气管道不同孔径泄漏基础失效概率的修正计算。研究结果表明:小孔泄漏、中孔泄漏和破裂泄漏的基础失效概率分别为0.173,0.128,0.048次/(10^(3)km·a);修正因子包括管径、埋深、壁厚、管龄、防腐层类型、管道所处区域,上述因子能够满足不同场景下天然气管道失效概率的修正计算;概率量化方法综合考虑失效原因、泄漏孔径以及管道本体信息,能够定量化预测天然气管道失效概率,为天然气管道定量风险评价提供数据支撑。