專利名稱：埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法
技術領域：
本發明涉及一種測試方法，特別是涉及一種埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測 試方法。
背景技術：
給水管道是城鎮供水系統的重要組成部分，保證供水系統的安全運行，直接影響 到供水企業的經濟效益和社會效益。目前，我國90%以上的供水管道是鑄鐵管、鋼管、球 墨鑄鐵管等金屬管材(統稱金屬給水管道)，近幾年新建的給水管道仍有85%采用金屬管 道。隨著給水管道內部水質成份、流態以及受到土壤多樣性、不流動性、不均勻性、時間季節 性和地域性的影響，給水管道內部不可避免的會產生內腐蝕與外腐蝕現象。據有關統計資 料顯示，我國地下給水管道2003年泄漏事故中，由管道腐蝕引起的泄漏占67. 23%，由此可 見，給水管道的漏失主要是由腐蝕問題引起的。除此之外，由于管網內腐蝕使得水質達標的 城鎮供水在管網輸送過程中發生“二次污染”，水質出現不同程度的下降，嚴重時出現用戶 水質指標超標以及管網“紅水”、“有色水”、“黑水”等現象，對人民生活及工業用水的安全和 正常使用造成嚴重影響。因此，在飲用水工業中，管道腐蝕長期以來都是影響改善和提高用 戶水質的一個重大瓶頸問題，受到各國的重視。對給水管道進行剩余壽命預測研究，有利于 進行預知性維修，排除故障隱患，最大限度的減少爆管事故發生，可減少給水管道漏失量， 實現居民給水系統的安全供水，保障供水水質的安全可靠。我國供水企業關于供水管道腐蝕的研究工作起步較晚，絕大多數城鎮的給水管道 仍沒有建立起相對完整有效的腐蝕防護體系，供水管道腐蝕狀況普遍十分嚴重。管道內腐 蝕主要受溶解氧、PH、余氯、流速條件等影響，管道外腐蝕主要受含鹽量、含水量、pH、管地電 位、氧化還原電位、碳酸根離子濃度、氯離子濃度、硫酸根離子濃度影響，目前我國僅對管道 腐蝕的單因數影響展開研究。本發明是首次將給水管道內腐蝕與外腐蝕相結合，綜合考慮 埋地金屬給水管道內外腐蝕影響因素，建立給水管道腐蝕剩余壽命預測模型，將灰色理論 算法引入到給水管道剩余壽命預測中，解決了我國城鎮供水企業在實際生產中積累管道腐 蝕統計資料少，腐蝕影響因素測量中帶有一定的不確定性和模糊性等問題。通過編制的埋 地金屬給水管道剩余壽命預測計算程序，計算埋地金屬給水管道腐蝕剩余壽命，有利于檢 修人員進行檢測、維修和更換，為維持城鎮供水系統的正常運行提供決策依據，確保了供水 的安全性和可靠性，對控制和提高管網水質具有極其重要的意義。

發明內容
本發明的目的在于提供一種通過對影響埋地金屬給水管道內腐蝕及外腐蝕因素 的測量值，應用灰色理論，通過關聯分析措施提取建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模 型所需的影響因數變量，建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型；通過編制的埋地金屬 給水管道剩余壽命預測程序，有效預測、測試出埋地金屬給水管道的剩余壽命。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
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埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，該測試方法包括以下步驟(1)使用支持Visual Basic 6. 0和MATLAB的計算機，將收集的影響埋地金屬給水 管道腐蝕的因素數據資料以數據庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中保存；(2)調用硬盤中收集的因素數據到計算機內存RAM中，在中央處理器CPU中進行數 據整理；(3)對經過初步處理后的數據在MATLAB中進行一元非線性函數計算，并進行誤差 分析，保證計算結果的準確性；(4)應用灰色理論算法在計算機中通過程序分別計算影響腐蝕因素的相關度和權
重值；(5)根據各因素權重值確定多因素影響下埋地金屬給水管道內腐蝕平均速率和外 腐蝕平均速率，保證腐蝕速率預測的準確性；(6)根據埋地金屬給水管道內腐蝕速率和外腐蝕速率計算腐蝕管道缺陷的臨界尺 寸，并確定埋地金屬給水管道最大腐蝕深度；(7)根據土壤腐蝕速率的電化學模型和最大腐蝕深度值，分別對均勻腐蝕、局部腐 蝕、點腐蝕建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，并應用近似解析法計算埋地金屬給 水管道剩余壽命；(8)應用Visual Basic 6. 0在計算機中對目標函數進行編碼和優化，向計算機中 輸入各影響因素測量值，可實現埋地金屬給水管道剩余壽命的計算，并打印機輸出計算結^ ο所述的埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，所述的埋地金屬給水管道剩 余壽命預測模型建立的步驟如下(1)建立埋地金屬給水管道腐蝕因素的腐蝕速率一元非線性回歸方程；(2)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，逐個計算每個腐蝕速率預測指 標序列與腐蝕速率參考序列對應元素的絕對差值；(3)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，分別計算每個腐蝕速率預測序 列與腐蝕速率參考序列對應元素的關聯系數及給水管道內外腐蝕因素與腐蝕速率參考序 列對應元素的相關度；(4)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，先確定埋地金屬給水管道中的 腐蝕形態；(5)根據土壤腐蝕速率的電化學模型和最大腐蝕深度值，建立剩余壽命預測模型 K2T2 + (2Fn2t - HmmVn -+ (Vn2 - Fw2 )t2 + H2max - 2HJJ = 0 ；
ρβ所述的埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，所述的運用灰色理論算法預 測埋地金屬給水管道剩余壽命的實現過程，包括下列步驟(1)使用能夠支持Visual Basic 6. 0和MATLAB的計算機，將所收集的影響埋地金 屬給水管道腐蝕的各因素數據資料以數據庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中 保存；(2)調用硬盤中收集的各因素數據到計算機內存RAM中，在中央處理器CPU中進行 數據整理；
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(3)對經過初步處理后的數據在MATLAB中進行一元非線性函數計算和誤差分析， 確定各影響因素的函數方程；(4)在計算機中編制下列計算過程的程序，實現埋地金屬給水管道腐蝕在多因素 影響下腐蝕速率的計算(5)根據相關公式確定埋地金屬給水管道軸向最小要求壁厚/Z1L和周向最小要求 壁厚孖L· ；(6)由步驟(5)的計算結果確定埋地金屬給水管道最小要求壁厚HminHmin = max(H^n，HLmm)；(7)結合埋地金屬給水管道最小要求壁厚Hmin，由下列公式確定埋地金屬給水管道 最大腐蝕深度HmaxHfflax = H0-Rt · Hfflin ；(8)由埋地金屬給水管道最大腐蝕深度Hmax和土壤腐蝕速率的電化學模型及最大 腐蝕深度值，結合外腐蝕電化學模型和內腐蝕模型，確定埋地金屬給水管道剩余壽命Ts;(9)應用Visual Basic 6. 0在計算機中對目標函數進行編碼和優化，向計算機中 輸入各影響因素測量值，實現埋地金屬給水管道剩余壽命的計算，并有打印機輸出計算結^ ο本發明的優點與效果是目前，我國城鎮供水企業對埋地金屬給水管道的剩余壽命研究很少，而某些服役 期內的埋地金屬給水管線由于受管內外腐蝕影響，使得供水管道過早老化，爆管問題日益 嚴重，降低了供水可靠性，增加了管網運行動力費用，直接影響供水企業和用戶的經濟效益 和社會效益。本發明通過建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，有效預測給水管道的 剩余壽命，為工作人員及時對給水管網進行維護與改建，提供可靠的技術依據，使城鎮供水 企業獲得最大的利益。


圖1為本發明測試方法的流程方框圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明進行詳細說明。本發明為了解決城鎮給水管道因缺乏腐蝕預測使得管道不能及時修復與更換，引 起管道滲漏和供水水質污染，嚴重影響居民與工業的供水安全與供水水質的問題，本發明 首次將給水管道內腐蝕與外腐蝕相結合，充分考慮給水管道的內、外腐蝕形態，建立了給水 管道剩余壽命預測模型。在給水管道剩余壽命預測中，采用最小二乘法的指數擬合和多項 式擬合計算單因素影響下的腐蝕速率，并應用MATLAB軟件進行計算，減少了腐蝕速率預測 偏差；引入灰色理論，建立給水管道內外腐蝕速率的灰關聯定權組合模型，該方法可以克服 統計樣本少，測量數據帶有一定的模糊性和不確定性問題，充分考慮管道內外腐蝕因素對 腐蝕速率的影響，保證了剩余壽命預測結果的準確性。本發明根據埋地金屬給水管道剩余壽命預測方法，編制埋地金屬給水管道剩余壽
命預測的計算機應用程序。為城鎮供水企業對管道的維修更換提供決策依據，確保了供水的安全性和可靠性，對控制和提高管網水質具有極其重要的意義。下面針對本發明中關于埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型建立的具體步驟做 如下詳述(1)建立埋地金屬給水管道腐蝕因素的腐蝕速率一元非線性回歸方程，采用灰色 理論算法將腐蝕速率的計算結果作為預測指標序列組成m個數據序列形成的矩陣；(2)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，逐個計算每個腐蝕速率預測指 標序列與腐蝕速率參考序列對應元素的絕對差值；(3)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，分別計算每個腐蝕速率預測序 列與腐蝕速率參考序列對應元素的關聯系數及給水管道內外腐蝕因素與腐蝕速率參考序 列對應元素的相關度，由此計算影響埋地金屬給水管道腐蝕速率的權重值，并建立埋地金 屬給水管道腐蝕速率的組合預測模型Y {t + \) = ^kiYi ( + 1)
/=1(4)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，先確定埋地金屬給水管道中的 腐蝕形態，由各腐蝕形態建立相應的幾何模型，并計算埋地金屬給水管道腐蝕中的缺陷尺 寸，再有埋地金屬給水管道軸向最小要求壁厚和周向最小要求壁厚，確定埋地金屬給水管 道最小要求壁厚hmin，由最小要求壁厚及相關公式可計算出給水管道對應的最大腐蝕深度 hmax，并按照腐蝕標準進行評判，當超過腐蝕標準要求時，埋地金屬給水管道最大腐蝕深度 hmax，按照腐蝕標準進行取值；(5)根據土壤腐蝕速率的電化學模型和最大腐蝕深度值，建立剩余壽命預測模型 K2T2+(2Vnh-HmmVn -^f)T + (Vn2 -VDt2^H1mwi -2HmaxVnt = 0，并應用近似解析法計算
埋地金屬給水管道剩余壽命。其中對于均勻腐蝕、局部腐蝕、點腐蝕剩余壽命計算時，分別
對埋地金屬給水管道剩余壽命的預測結果乘以(1， )。 下面針對本發明中在運用灰色理論算法預測埋地金屬給水管道剩余壽命的實現 過程的步驟作如下詳述(1)使用能夠支持Visual Basic 6. 0和MATLAB的計算機，將所收集的影響埋地金 屬給水管道腐蝕的各因素數據資料以數據庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中 保存；(2)調用硬盤中收集的各因素數據到計算機內存RAM中，在中央處理器CPU中進行 數據整理；(3)對經過初步處理后的數據在MATLAB中進行一元非線性函數計算和誤差分析， 確定各影響因素的函數方程；(4)在計算機中編制下列計算過程的程序，實現埋地金屬給水管道腐蝕在多因素 影響下腐蝕速率的計算1)由一元非線性回歸方程，將計算結果作為預測指標序列組成m個數據序列形成的矩陣 其中，η為指標的個數，Xi = (Xi(I), Xi(2)，···, Xi(Ii))1, i = 1,2, ...，m.2)確定參考數據列X。X0 = (x0(l), X0(2),…，x。(m))T3)逐個計算每個預測指標序列與參考序列對應元素的絕對差值
式中，XtlOO為參考序列；XiGO為預測序列.
4)分別計算每個預測序列與參考序列對應元素的關聯系數 式中，ζΜ(10單個預測序列與參考序列對應元素的關聯系數；ζ為分辨系數，在 (0,1)內取值；ζ越小關聯系數間的差異越大，區分能力越強取，通常ζ取0.5。5)計算關聯度 ^ ==1,2, ...，η·式中，ri指第i個單項預測序列與參考序列的關聯度6)確定權重值 7)由各單一因素的一元非線性回歸方程和權重值，按下列公式確定埋地金屬給水 管道腐蝕速率的組合預測模型 式中，f + 指t+Ι時刻的組合預測模型下的預測值；+ 指t+Ι時刻第i個 預測模型下的預測值(i = 1,2,…，η)屯指第i個預測模型的權數(i = 1,2,…，n，且 (5)根據相關公式確定埋地金屬給水管道軸向最小要求壁厚Z^m和周向最小要求
壁厚(6)由步驟(5)的計算結果確定埋地金屬給水管道最小要求壁厚HminHmin =rn&x(Hcmm,H^a)(7)結合埋地金屬給水管道最小要求壁厚Hmin，由下列公式確定埋地金屬給水管道
8最大腐蝕深度HmaxHfflax = H0-Rt · Hfflin對最大腐蝕深度，按照腐蝕標準進行評判，當超過腐蝕標準要求時，其埋地金屬給 水管道最大腐蝕深度iiax，按照腐蝕標準進行取值。(8)由埋地金屬給水管道最大腐蝕深度Hmax和土壤腐蝕速率的電化學模型及最大 腐蝕深度值，結合外腐蝕電化學模型和內腐蝕模型，確定埋地金屬給水管道剩余壽命Ts (9)應用Visual Basic 6. 0在計算機中對目標函數進行編碼和優化，向計算機中 輸入各影響因素測量值，可實現埋地金屬給水管道剩余壽命的計算，并有打印機輸出計算結果。
權利要求
埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，其特征在于該測試方法包括以下步驟(1)使用支持Visual Basic 6.0和MATLAB的計算機，將收集的影響埋地金屬給水管道腐蝕的因素數據資料以數據庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中保存；(2)調用硬盤中收集的因素數據到計算機內存RAM中，在中央處理器CPU中進行數據整理；(3)對經過初步處理后的數據在MATLAB中進行一元非線性函數計算，并進行誤差分析，保證計算結果的準確性；(4)應用灰色理論算法在計算機中通過程序分別計算影響腐蝕因素的相關度和權重值；(5)根據各因素權重值確定多因素影響下埋地金屬給水管道內腐蝕平均速率和外腐蝕平均速率，保證腐蝕速率預測的準確性；(6)根據埋地金屬給水管道內腐蝕速率和外腐蝕速率計算腐蝕管道缺陷的臨界尺寸，并確定埋地金屬給水管道最大腐蝕深度；(7)根據土壤腐蝕速率的電化學模型和最大腐蝕深度值，分別對均勻腐蝕、局部腐蝕、點腐蝕建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，并應用近似解析法計算埋地金屬給水管道剩余壽命；(8)應用Visual Basic 6.0在計算機中對目標函數進行編碼和優化，向計算機中輸入各影響因素測量值，可實現埋地金屬給水管道剩余壽命的計算，并打印機輸出計算結果。
2.根據權利要求1所述的埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，其特征在于， 所述的埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型建立的步驟如下(1)建立埋地金屬給水管道腐蝕因素的腐蝕速率一元非線性回歸方程；(2)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，逐個計算每個腐蝕速率預測指標序 列與腐蝕速率參考序列對應元素的絕對差值；(3)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，分別計算每個腐蝕速率預測序列與 腐蝕速率參考序列對應元素的關聯系數及給水管道內外腐蝕因素與腐蝕速率參考序列對 應元素的相關度；(4)為建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，先確定埋地金屬給水管道中的腐蝕 形態；(5)根據土壤腐蝕速率的電化學模型和最大腐蝕深度值，建立剩余壽命預測模型 K2T2 + (2Vn2t - HmmVn -+ (Fn2 - Fvv2 >2 + H2· - IHmaxVj = 0 ；ρβ
3.根據權利要求1所述的埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，其特征在于， 所述的運用灰色理論算法預測埋地金屬給水管道剩余壽命的實現過程，包括下列步驟(1)使用能夠支持VisualBasic 6. 0和MATLAB的計算機，將所收集的影響埋地金屬 給水管道腐蝕的各因素數據資料以數據庫或文本的形式輸入到計算機中并在儲存器中保 存；(2)調用硬盤中收集的各因素數據到計算機內存RAM中，在中央處理器CPU中進行數據整理；(3)對經過初步處理后的數據在MATLAB中進行一元非線性函數計算和誤差分析，確定 各影響因素的函數方程；(4)在計算機中編制下列計算過程的程序，實現埋地金屬給水管道腐蝕在多因素影響 下腐蝕速率的計算(5)根據相關公式確定埋地金屬給水管道軸向最小要求壁厚/^in和周向最小要求壁厚HL·(6)由步驟(5)的計算結果確定埋地金屬給水管道最小要求壁厚Hmin 扎丨n=maxK)(7)結合埋地金屬給水管道最小要求壁厚Hmin，由下列公式確定埋地金屬給水管道最大 腐蝕深度HmaxH =H-R · H1Vax 11O lvt 11Iiiin(8)由埋地金屬給水管道最大腐蝕深度Hmax和土壤腐蝕速率的電化學模型及最大腐蝕 深度值，結合外腐蝕電化學模型和內腐蝕模型，確定埋地金屬給水管道剩余壽命Ts(9)應用VisualBasic 6. 0在計算機中對目標函數進行編碼和優化，向計算機中輸入 各影響因素測量值，實現埋地金屬給水管道剩余壽命的計算，并有打印機輸出計算結果。
全文摘要
埋地金屬給水管道剩余壽命預測的測試方法，涉及一種測試方法。包括下列步驟(1)對影響埋地金屬給水管道腐蝕的環境因素和管道內水質變化條件的不同時段檢測數據輸入到計算機中；(2)對收集數據應用數理統計的方法在計算機中分別計算，并建立一元非線性回歸方程；(3)應用灰色理論的計算方法計算影響管道腐蝕各因素的權重值；(4)建立埋地金屬給水管道腐蝕速率模型(內腐蝕模型、外腐蝕模型)；(5)根據土壤腐蝕速率的電化學模型，分別對均勻腐蝕、局部腐蝕、點腐蝕建立埋地金屬給水管道剩余壽命預測模型，并應用近似解析法計算埋地金屬給水管道剩余壽命。本發明為進行管道更新改造和提高供水系統安全性提供技術參考。
文檔編號G01N17/00GK101915728SQ20101023752
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者劉強, 葉友林, 李亞峰, 楊輝, 班福忱, 蔣白懿 申請人:沈陽建筑大學