基于统一强度理论的腐蚀管道爆破压力预测理论-数据混合模型

《Process Safety and Environmental Protection》：A Unified Strength Theory-Based Theory-Data Hybrid Model for Burst Pressure Prediction of Corroded Pipelines

　　

研究人员提出了一种在统一强度理论（Unified Strength Theory, UST）框架内，用于腐蚀管道爆破压力预测的理论-数据混合模型。该方法并非采用黑箱数据驱动模型直接预测爆破压力，而是利用数据驱动模型估计统一强度理论-双圆弧（Unified Strength Theory–Double Circular Arc, UST–DCA）公式中针对具体工况的有效系数b。随后，将预测得到的系数嵌入基于统一强度理论的爆破压力方程，从而在保留解析模型力学基础的同时，通过数据驱动估计的有效工况系数b提高爆破压力预测精度。研究人员首先针对完整管道和腐蚀管道考察了b对爆破压力预测的影响，结果表明固定系数假设会导致系统性预测偏差。随后，利用可获得的爆破试验结果构建数据库，并采用材料性能与腐蚀缺陷几何参数建立针对具体工况的b预测模型。结果表明，与传统评估方法以及采用固定参数值的统一强度理论模型相比，该模型与试验爆破压力吻合更好，且具有更低的预测误差和更小的离散性。所提出的理论-数据混合模型为腐蚀管道爆破压力评估提供了一种准确且具有力学可解释性的框架。

统一强度理论-数据混合模型用于腐蚀管道爆破压力预测的论文解读

## 1 研究背景与问题

油气管道的结构完整性评估对运输系统安全至关重要，腐蚀会引起管壁局部或大面积减薄，降低管道承载能力，并在内压作用下加剧局部应力集中，增加爆破风险。现有爆破压力预测方法大致分为三类：以ASME B31G、API 579为代表的工业标准评估方法；基于有限元等数值模拟的方法；以及基于强度准则的理论模型。其中，基于强度准则的理论模型具有明确的力学基础，但预测效果高度依赖强度准则的选择。Tresca准则形式简单但忽略中间主应力影响，von Mises准则精度较高却常导致复杂的闭式解，不同准则还难以在所有材料、几何和缺陷条件下保持一致精度。统一强度理论（Unified Strength Theory, UST）通过引入中间主应力系数b统一了多种经典强度准则，并显式考虑中间主应力效应，在管道爆破压力分析中具有潜力。然而，现有UST类模型通常把b设为固定常数，而敏感性分析表明，使预测与试验最吻合的b值随钢级、管径、壁厚、材料强度和腐蚀缺陷条件而变化。固定b会造成系统性高估或低估。数据驱动方法虽能捕捉非线性关系，但直接预测爆破压力时缺乏力学可解释性，且对训练数据范围依赖较强。因此，研究人员提出在保留UST-DCA解析模型力学框架的同时，用数据驱动方法估计针对具体工况的有效系数b。

## 2 研究内容与总体结论

研究人员提出了理论-数据混合方法（Theory-Data Hybrid Approach, TDHA）。该方法从爆破试验数据中利用UST-DCA公式反演得到有效系数b，进而以材料性能和腐蚀缺陷几何参数为输入，用机器学习模型预测b，再将预测b代入UST-DCA方程计算爆破压力。与直接机器学习模型、固定b的UST-DCA模型以及RAM PIPE、ASME B31G、DNV-RP-F101和Modified B31G等传统评估方法相比，TDHA在独立测试集上取得了更低的误差和更集中的误差分布，同时保持轻微保守倾向，实现了准确性与力学可解释性的结合。

## 3 主要技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：在UST-DCA框架下，通过爆破试验数据反演每个工况的有效中间主应力系数b；利用Pearson相关分析、方差膨胀因子（Variance Inflation Factor, VIF）分析和物理意义筛选输入特征，最终保留腐蚀深度d、极限抗拉强度σ_u、无量纲参数2d/D、t/D、剩余壁厚t?d及屈强比σ_y/σ_u六项特征；以XGBoost和支持向量回归（Support Vector Regression, SVR）建立b预测与爆破压力直接预测模型，采用钢级分组嵌套交叉验证优化超参数并评估泛化性能；将预测b代入UST-DCA方程计算爆破压力。数据库包含来自已发表研究的183例爆破试验，涵盖X42至X120及AISI 1020钢，包括完整管和单一纵向长腐蚀缺陷管。

## 4 研究结果

### 4.1 TDHA与直接机器学习方法的比较

#### 4.1.1 分组交叉验证性能
通过钢级分组五折交叉验证比较，TDHA-SVR取得最低的均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）5.76 MPa和平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）15.67%，且±10%误差内比例为49.26%。TDHA-XGBoost的平均相对误差（Mean Relative Error, MRE）虽接近零，但折间波动更大。直接XGBoost和直接SVR的误差及波动均明显更大，说明直接预测爆破压力对未参与训练的钢级组更敏感。

#### 4.1.2 选定TDHA与直接ML模型在训练集和测试集上的比较
直接模型在训练集上拟合误差很小，但独立测试集上误差大幅上升。TDHA在独立测试集上的RMSE为0.978 MPa，MAPE为4.604%，92.857%的预测落在±10%误差以内，MRE为-2.241%，呈轻微保守倾向。直接XGBoost的MRE高达42.735%，直接SVR误差分布分散，说明TDHA通过保留UST-DCA力学结构，显著提高了未见钢级组上的预测稳定性。

#### 4.1.3 有效系数b的预测性能
SVR模型预测b在训练集中范围为-0.036至3.235，独立测试集范围为0.082至0.528，所有测试集预测值均落在0≤b≤1区间。测试集上b预测的MAE为0.262，RMSE为0.311。预测b随后被用于UST-DCA方程计算爆破压力。

### 4.2 与固定b的UST-DCA模型比较

将TDHA与b=0和b=1两种固定边界值模型比较。b=0对应Tresca准则，整体低估爆破压力，MRE为-8.918%；b=1对应双剪强度准则，整体高估，MRE为7.643%。TDHA的MAPE为4.604%，RMSE为0.978 MPa，较b=0和b=1分别降低MAPE约49.4%和39.9%，且误差分布更集中。这表明固定b无法适应不同管道条件，而估算工况相关有效b可减少系统偏差。

### 4.3 与传统工程评估方法比较

在独立测试集上，TDHA的MAPE和RMSE分别为4.604%和0.978 MPa，低于RAM PIPE、ASME B31G、DNV-RP-F101和Modified B31G。RAM PIPE明显低估，MRE为-16.514%；Modified B31G明显高估，MRE为14.853%；ASME B31G和DNV-RP-F101表现较好，但误差和离散性仍高于TDHA。TDHA在准确性和轻微保守倾向之间取得了最佳平衡。

### 4.4 额外验证

将全部46例X60钢级样本完全排除在模型开发之外，重新训练TDHA后，其RMSE为2.026 MPa，MAPE为14.490%，MRE为-14.276%，整体呈保守预测倾向。该结果说明TDHA对完全未参与训练的钢级组仍具有预测能力，但精度受数据库覆盖范围影响。

### 4.5 工程意义与讨论

TDHA是一种力学引导、参数自适应的爆破压力评估方法。它从可测量的几何和材料参数中估计工况相关有效b，再代入UST-DCA方程，使解析模型能反映不同管道条件的差异。传统方法虽形式简单且有工程经验支持，但预测偏差和离散性随缺陷条件变化较大。TDHA对X100独立测试集表现最佳，可作为需要更个案化爆破压力估计时的补充评估工具。X60额外验证表明，数据库代表性对TDHA十分重要；当前数据库仅涵盖完整管和单一纵向长腐蚀缺陷管，且局限于特定材料、几何和缺陷范围，对短缺陷、相互作用缺陷、倾斜缺陷、环向缺陷和复杂三维腐蚀缺陷仍需进一步验证。

## 5 研究结论翻译

本研究提出了用于含长腐蚀缺陷管道爆破压力预测的理论-数据混合方法TDHA。与固定中间主应力系数的传统UST-DCA方法不同，TDHA将b视为针对具体工况的有效系数，从试验数据中反演b，用基于几何和材料参数的机器学习模型预测b，再将b代入UST-DCA方程计算爆破压力。该方法保留了解析模型的物理基础，同时通过有效系数b考虑工况相关变化。主要结论如下：

（1）b=0和b=1两个边界值分别造成系统性低估和高估，说明对不同的管道条件使用固定边界值存在局限。

（2）嵌套分组交叉验证选择TDHA-SVR作为最终模型，因为其爆破压力误差更低，且折间波动小于TDHA-XGBoost和直接机器学习模型。

（3）在X100独立测试集上，TDHA的MRE为-2.241%，RMSE为0.978 MPa，MAPE为4.604%，92.857%的预测落在±10%误差范围内，其RMSE和MAPE均低于RAM PIPE、ASME B31G、DNV-RP-F101和Modified B31G，同时保持轻微保守倾向。

（4）额外的X60钢级完全留出验证表明，TDHA在另一种钢级划分下仍保持预测能力，但预测精度随开发数据库的覆盖范围而变化。

TDHA是在当前数据库所代表的材料、几何和缺陷范围内开发和验证的。X100与X60钢级留出组的不同预测表现表明，模型精度受到开发数据覆盖范围的影响。目前研究仅适用于完整管和含单一纵向长腐蚀缺陷且承受内压的管道，短缺陷、相互作用缺陷、倾斜缺陷、环向缺陷和复杂三维缺陷仍不在当前验证范围内。将框架扩展到更广泛的材料范围和更复杂的缺陷形式将是未来工作方向。