陳典斌　韓東霏　張二?！№n岳洋　劉詩文　張建春

摘要：腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測與結(jié)構(gòu)可靠性計算問題不僅是管道完整性及安全性評價的重要組成部分還是材料界研究重點。該文以灰色理論GM（1，1）模型和傳統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)可靠度的JC法為基礎(chǔ)，使用VB和MATLAB開發(fā)腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)可靠性分析計算程序，解決了兩個計算程序的接口問題。使MATLAB在數(shù)值運算上的強大功能和VB在界面設(shè)計上的優(yōu)勢得以綜合發(fā)揮。程序界面簡單、操作方便快捷，且通過實例驗證，計算結(jié)果較快，數(shù)據(jù)合理，程序編制準(zhǔn)確無誤，為腐蝕管道剩余壽命預(yù)測、復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析和腐蝕檢測周期確定提供依據(jù)，具有可行性和實用性。

關(guān)鍵詞：VB MATLAB 腐蝕管道 剩余壽命預(yù)測 結(jié)構(gòu)可靠度 GM（1，1）模型 JC法

中圖分類號：TG174.4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：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。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，用軟件編程進行快速準(zhǔn)確預(yù)測直接關(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。本文將對原始數(shù)據(jù)要求低但預(yù)測精度高的灰色理論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)測中原始數(shù)據(jù)輸入、復(fù)雜計算及顯示工作，得到腐蝕管道剩余壽命預(yù)測值、預(yù)測精度等級、可靠度指標(biāo)及失效概率等數(shù)據(jù)，可顯著提高計算效率。

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、決策、優(yōu)化等問題的理論，目前應(yīng)用最為泛的預(yù)測模型為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)測方程為

（5）

1.3 GM（1，1）模型精度檢驗

為驗證灰色預(yù)測模型的可靠性，采用后驗差檢驗[5]。先計算原始序列x（0）（i）的均方差：

（6）

其中

，

（7）

然后計算殘差序列的均方差：

（8）

其中

，

（9）

最后計算方差比c=S1/S0，最后計算小誤差概率

（10）

根據(jù)文獻[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)

評價腐蝕管道的基本方法為ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)[7]。管道失效壓力表達式為：

（11）

式中σs為材料的屈服強度，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)，與腐蝕缺陷長度L和管道外徑D相關(guān)，當(dāng)L2/（Dt）<50時，

（12）

當(dāng)L2/（Dt）≧50時，

（13）

2.2 可靠性模型

進行可靠性分析[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為由多個相互獨立且服從正態(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法來進行變量為非正態(tài)分布的可靠性分析。在Z=0的表面上找一點P*（d*，D*，L*，mf*，POP*，σS*，t*），將極限狀態(tài)方程在這點上展開為線性平面，使各個變量均值確定的點（μd，μD，μL，μmf，μPOP， μσS，μt）到線性平面距離最短，點P*被稱為設(shè)計驗算點[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)隨機變量轉(zhuǎn)化為當(dāng)量正態(tài)隨機變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，腐蝕管道的可靠性指標(biāo)可由β=μZ/σZ計算。腐蝕管道失效概率可由Pf=ΦN（-β）計算，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語句和循環(huán)、選擇等語句編寫結(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軟件進行結(jié)構(gòu)可靠性分析程序編制，計算流程如圖3所示。

3.3 VB與MATLAB混合編程

3.3.1 接口問題

預(yù)測軟件采用ActiveX自動化協(xié)議（即OLE自動化協(xié)議）實現(xiàn)VB與MATLAB的連接。ActiveX是VB工具箱的擴充部分，允許控制端程序控制服務(wù)器端程序，可打開和關(guān)閉MATLAB[9]。

3.3.2 混合編程實現(xiàn)

VB與MATLAB混合編程流程如圖4所示[10-11]。endprint

3.4 工程實例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為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)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護保養(yǎng)周期如何進行確定的問題，用VB和MATLAB進行混合編程設(shè)計了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實例應(yīng)用驗證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實用性。

參考文獻

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[10] 吳雁，蕭風(fēng).Visual Basic 6入門·提高·實戰(zhàn)[M].北京：中國建材工業(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 工程實例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為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)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護保養(yǎng)周期如何進行確定的問題，用VB和MATLAB進行混合編程設(shè)計了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實例應(yīng)用驗證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實用性。

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3.4 工程實例

某輸氣管道有6次檢測數(shù)據(jù)，檢測時間間隔為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)測及結(jié)構(gòu)可靠度分析軟件，運算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

針對技術(shù)人員對在役腐蝕管道維護保養(yǎng)周期如何進行確定的問題，用VB和MATLAB進行混合編程設(shè)計了腐蝕管道剩余壽命預(yù)測及可靠性分析軟件。程序具有界面簡單、代碼少、計算參數(shù)的交互輸入與數(shù)據(jù)存儲靈活、直觀顯示預(yù)測結(jié)果等優(yōu)點，減輕了技術(shù)人員在腐蝕管道壽命預(yù)測及可靠性分析工作上的工作量，大大降低了工作難度，并通過實例應(yīng)用驗證了模型精度，取得了較好的預(yù)測效果，軟件具有良好的實用性。

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