本發(fā)明涉及管道壽命預測，尤其涉及一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、氫氣被確定為最有前景的能源載體，氫能運輸是氫能利用過程中的重要環(huán)節(jié)，借助已有的天然氣管網進行天然氣和氫氣摻混輸送是當前經濟高效的輸氫方式。

2、然而，氫氣可以分解成氫原子并進入管道。氫原子可以在管道的體心立方(bcc)結構的四面體間隙中擴散并導致氫脆(he)。此外，作為天然氣管道中使用最多的鋼材，x80鋼的氫脆敏感性較高，氫脆可能導致管道在運行過程中產生微觀裂紋，最終導致系統(tǒng)和設備失效。由于壓縮機的啟停、市場需求引起的輸量調節(jié)以及外部環(huán)境的變化，輸氫管道時刻承受交變載荷的影響，高壓氫氣與交變載荷的相互作用會加速管線鋼的疲勞裂紋擴展，大大降低輸氫管道的使用壽命。

3、目前，許多學者研究了氫的聚集對管線鋼疲勞裂紋擴展的影響，然而研究中多采用電化學充氫這一實驗方法，與實際摻氫管道中的氫原子來源、濃度以及吸附吸收過程都大不相同。此外，管道中的交變載荷使氫的擴散和聚集更加復雜，在氫氣存在的情況下，氫壓大小、管道承受的循環(huán)載荷的應力比以及頻率都會對疲勞裂紋擴展產生影響。另外，對管線鋼的壽命預測需要建立起疲勞裂紋擴展速率的量化模型，但目前氫氣環(huán)境中的量化模型無法綜合考慮循環(huán)載荷的應力比以及頻率的影響，且沒有將氫氣壓力作為一個影響因素納入考慮范圍，因此其預測結果無法準確反映氫氣環(huán)境下材料的實際疲勞裂紋擴展行為。

技術實現思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法及系統(tǒng)，通過整合walker公式與聯合因子模型，考慮氫壓交變載荷，并考慮氫壓變化，構建了更貼近實際的管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型，提高了管線鋼在含氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展預測的適應性和準確性。

2、為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法，包括：

4、根據walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型；

5、引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型；

6、給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型。

7、優(yōu)選地，所述根據walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型，具體為：

8、

9、其中，為裂紋擴展速率，δk為應力強度因子幅值，kmax為最大應力強度因子,a'、b'、r為常數，f為頻率，r為應力比。

10、優(yōu)選地，所述引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型，具體為：

11、

12、其中，為低氫壓域裂紋擴展預測項，為高氫壓域裂紋擴展加速預測項，ph和pth分別為氫氣分壓和氫壓閾值；z表示載荷相關因子；b1、b2、b3為常數。

13、優(yōu)選地，所述給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型；

14、獲取初始裂紋擴展速率預測模型，基于給定氫氣壓力，采用多元線性回歸算法得到r值；

15、采用氮氣環(huán)境中的擬合結果作為低氫壓域裂紋擴展預測項常數的取值；

16、將r值和低氫壓域裂紋擴展預測項常數取值代入氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型，利用最小二乘法進行非線性曲面擬合，并采用改變初始值迭代算法，求解高氫壓域裂紋擴展加速預測項常數值，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型。

17、第二方面，本發(fā)明提供一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建系統(tǒng)，包括：

18、初始模型構建模塊，用于根據walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型；

19、模型優(yōu)化模塊，用于引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型；

20、最終模型構建模塊，用于給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型。

21、第三方面，本發(fā)明提供一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現第一方面所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法中的步驟。

22、第四方面，本發(fā)明提供一種計算機設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現第一方面所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法中的步驟。

23、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

24、首先，通過融合walker公式與聯合因子模型，對傳統(tǒng)裂紋擴展理論模型創(chuàng)新性地納入氫氣壓力交變載荷因素，從而綜合考慮循環(huán)載荷的應力比以及頻率的影響，構建了更為全面和精確的初始預測模型。同時，通過引入氫壓變化的概念，對模型進行深度優(yōu)化，使其能夠靈活適應不同氫壓環(huán)境下的裂紋擴展特性，形成了氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型。此外，在給定氫壓下通過精確求解模型中的常數項，得到了一個高度可靠且適用性強的最終預測模型，提高了管線鋼在含氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴展預測的適應性和準確性，為管線鋼的安全評估、設計優(yōu)化及長期維護提供了強有力的技術支持和決策依據。

25、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

技術特征：

1.一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法，其特征在于，包括：

2.如權利要求1所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法，其特征在于，所述根據walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型，具體為：

3.如權利要求1所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法，其特征在于，所述引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型，具體為：

4.如權利要求3所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法，其特征在于，所述給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型；

5.一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建系統(tǒng)，其特征在于，包括：

6.如權利要求5所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建系統(tǒng)，其特征在于，所述根據walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型，具體為：

7.如權利要求5所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建系統(tǒng)，其特征在于，所述引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型，具體為：

8.如權利要求7所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建系統(tǒng)，其特征在于，所述給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模型；

9.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述程序被處理器執(zhí)行時實現如權利要求1-4中任一項所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法中的步驟。

10.一種計算機設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現如權利要求1-4中任一項所述的一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法中的步驟。

技術總結
本發(fā)明提出了一種管線鋼疲勞裂紋擴展速率預測模型構建方法及系統(tǒng)，方法包括：根據Walker公式和聯合因子模型，構建考慮氫氣壓力交變載荷影響的初始裂紋擴展速率預測模型；引入氫壓變化，將初始裂紋擴展速率預測模型優(yōu)化為氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型；給定氫氣壓力，求解氫壓適應性裂紋擴展速率預測模型中的常數項，得到最終疲勞裂紋擴展速率預測模。根據管道的實際壓力波動設計循環(huán)載荷，建立氫壓和疲勞載荷共同作用下管線鋼的疲勞裂紋擴展速率模型，對摻氫管道的安全運行和壽命預測提供了指導意義。

技術研發(fā)人員：邢瀟,王葆剛,姜瑞景,崔淦,劉建國,王帥,張毅
受保護的技術使用者：中國石油大學（華東）
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17