在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法和系统及设备与流程

[0001]
本发明涉及油田加热炉技术领域，具体涉及一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法和系统及设备。


背景技术：

[0002]
油田加热炉是石油化工企业中广泛应用的重要生产设备，是一种通过燃料燃烧所产生的高温火焰与烟气作为热源对炉管中流动介质加热的装置。由于加热炉炉管外部使用火焰直接进行加热，炉管工况通常比较恶劣，如高温高压、易腐蚀、易结垢的工作环境，这些都可能导致炉管泄漏，炉管一旦泄露，极易造成着火爆炸等严重事故，将直接威胁生产和人身安全，给石油化工企业带来巨大损失。因此合理预测油田加热炉炉管剩余使用寿命，预防炉管损坏，保证其安全稳定运行，对石油化工企业正常生产有着重要意义。
[0003]
现有的一些油田，加热炉控制系统大多数不具备炉管剩余寿命检测功能，仅有少部分加热炉通过试验建立短时持久强度的关系，利用外推法确定加热炉炉管在实际温度和应力下的剩余寿命，该方法的缺点非常明显，例如：预测时需要加热炉停工停产，持久试验耗时长、检测繁琐、推广困难等。另外还有少部分加热炉采用一些无损检测方法，如超声波检测裂纹长度、涡流检测渗碳层厚度等，来预估炉管的剩余使用寿命，但是只能做粗略的离线评估，计算结果可参考性较低。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法和系统及设备。
[0005]
为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法，包括：获取加热炉炉管运行的相关数据，所述相关数据包括炉管的温度、设计寿命和应力以及对应关系；根据获取的相关数据，构建在不同的设计寿命下表示炉管的温度与应力关系的第一拟合函数，记为σ＝f(t)，其中，σ为应力，t为炉管温度；根据获取的相关数据，构建在不同的温度下表示炉管的应力与设计寿命关系的第二拟合函数，记为p
i
(σ)，p
i
(σ)为设计寿命，i取值不同对应不同的温度；采集加热炉已使用时长，根据已使用时长选择相应的第一拟合函数，计算得到相应的应力σ；采集加热炉炉管温度t1，根据炉管温度t1选择相应的第二拟合函数；建立larson-miller外推法关系式t1(c+log t
r
)＝p
i
(σ)；式中c为材料常数，t
r
为炉管剩余寿命；根据所述外推法关系式，求解得到炉管剩余寿命
[0006]
进一步的，所述第一拟合函数具体为：σ＝a0×
t2+a1×
t+a2；其中，a0,a1,a2为函数的回归系数。
[0007]
进一步的，所述构建在不同的设计寿命下表示炉管的温度与应力关系的第一拟合函数，包括：按照设计寿命分别为10万小时、6万小时、4万小时和2万小时，分别计算得到四
组回归系数，对应得到四种第一拟合函数；其中，当设计寿命为10万小时，a0＝0.003214，a1＝-3.583，a2＝1016；当设计寿命为6万小时，a0＝0.003282，a1＝-3.68，a2＝1051；当设计寿命为4万小时，a0＝0.003334，a1＝-3.756，a2＝1078；当设计寿命为2万小时，a0＝0.003459，a1＝-3.918，a2＝1134。
[0008]
进一步的，所述第二拟合函数具体为：p
i
(σ)＝b0+b1logσ+b2(logσ)2，公式中b0,b1,b2为回归系数。
[0009]
进一步的，按照步长10℃，从400℃到470℃，得到8组p
i
(σ)函数：
[0010][0011]
进一步的，所述采集加热炉已使用时长，根据已使用时长选择相应的第一拟合函数，包括：将加热炉炉管已使用时长用年限year表示，根据year的范围选择第一拟合函数中的回归系数a0,a1,a2，规则如下：当0<year≤2时，a0＝0.003214，a1＝-3.583，a2＝1016；当2<year≤4时，a0＝0.003282，a1＝-3.68，a2＝1051；当4<year≤6时，a0＝0.003334，a1＝-3.756，a2＝1078；当6<year≤10时，a0＝0.003459，a1＝-3.918，a2＝1134。
[0012]
进一步的，所述采集加热炉炉管温度t1，根据炉管温度t1选择相应的第二拟合函数，包括：采集加热炉炉管温度t1，根据t1从8组p
i
(σ)函数选择一组。
[0013]
本发明第二方面，提供一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的系统，包括：数据获取模块，用于获取加热炉炉管运行的相关数据，所述相关数据包括炉管的温度、设计寿命和应力以及对应关系；数据拟合模块，用于根据获取的相关数据，构建在不同的设计寿命下表示炉管的温度与应力关系的第一拟合函数，记为σ＝f(t)，其中，σ为应力，t为炉管温度；以及，构建在不同的温度下表示炉管的应力与设计寿命关系的第二拟合函数，记为p
i
(σ)，p
i
(σ)为炉管设计寿命，i取值不同对应不同的温度；计算模块，用于采集加热炉已使用时长，根据已使用时长选择相应的第一拟合函数，计算得到相应的应力σ；采集加热炉炉管温度t1，根据炉管温度t1选择相应的第二拟合函数；预测模块，用于建立larson-miller外推法关系式t1(c+log t
r
)＝p
i
(σ)；式中c为材料常数，t
r
为炉管剩余寿命；根据所述外推法关系式，求解得到炉管剩余寿命
[0014]
本发明第三方面，提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有程序，所述程序包括计算机执行指令，当所述计算机设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的所述计算机执行指令，以使所述计算机设备执行如第一方面所述的在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法。
[0015]
本发明第四方面，提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一
个或多个程序包括计算机执行指令，所述计算机执行指令当被计算机设备执行时，使所述计算机设备执行如第一方面所述的在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法。
[0016]
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
[0017]
本发明提供的方法，运用现场数据和拟合方法建立数学模型，计算加热炉炉管剩余寿命，能够很好的克服目前技术方法中存在的需要停工停产、重复试验、检测繁琐、只能粗略离线评估等缺点，原理简单、易实现和推广。而且，本发明方法计算复杂度低，容易编程实现，对硬件性能的要求较低。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0019]
图1是本发明一个实施例提供的一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法的流程示意图；
[0020]
图2是本发明一个实施例中的四种第一拟合函数的函数曲线示意图；
[0021]
图3是本发明一个实施例提供的一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的系统的结构示意图；
[0022]
图4是本发明一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
[0023]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0024]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0025]
下面通过具体实施例，进行详细的说明。
[0026]
本发明实施例提供一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法，通过结合行业标准《中华人民共和国石油化工行业标准sh/t 3037-2016》以及大量统计数据，利用larson-miller外推法和数据拟合建模方法，建立不同固定设计寿命时长下的炉管温度与应力函数关系，同时建立不同固定炉管温度下的应力与设计寿命函数关系，从而实现油田加热炉炉管剩余寿命的预测。
[0027]
如图1所示，本发明实施例方法的具体实现流程主要包括以下步骤：
[0028]
步骤s1：数据的统计与准备。
[0029]
以某油田为例，参考《中华人民共和国石油化工行业标准sh/t 3037-2016》提供的
数据原型，对该油田近200台加热炉炉管2年运行的相关数据进行统计，所述相关数据包括炉管的温度、设计寿命和应力(允用应力)，以及不同温度、不同设计寿命与应力(允用应力)的对应关系，具体见表1。
[0030]
表1炉管温度、设计寿命、应力数据表
[0031][0032]
步骤s2：炉管温度与应力的拟合函数模型的构建。
[0033]
根据获取的相关数据，如表1所示，构建在不同的设计寿命下表示炉管的温度与应力关系的第一拟合函数。
[0034]
记第一拟合函数中应力与温度的函数关系为σ＝f(t)。一种实现方式中，该函数关系可具体表示为：
[0035]
σ＝a0×
t2+a1×
t+a2—公式(1)
[0036]
在不同的炉管设计寿命情况下根据公式(1)进行拟合，公式(1)中σ为应力，单位为mpa，t为炉管温度，单位为摄氏度，a0,a1,a2为函数的回归系数，可得到对应于不同设计寿命的若干组回归系数，从而得到若干种第一拟合函数。
[0037]
可选的，可以按照设计寿命(或称为设计工作寿命)分别为10万小时、6万小时、4万小时和2万小时，分别计算得到四组回归系数，对应得到四种第一拟合函数，对应的4条函数
曲线如图2所示。
[0038]
四条曲线的函数关系的回归系数具体如下：当设计工作寿命为10万小时，a0＝0.003214，a1＝-3.583，a2＝1016；当设计工作寿命为6万小时，a0＝0.003282，a1＝-3.68，a2＝1051；当设计工作寿命为4万小时，a0＝0.003334，a1＝-3.756，a2＝1078；当设计工作寿命为2万小时，a0＝0.003459，a1＝-3.918，a2＝1134。
[0039]
步骤s3：炉管设计寿命与应力的拟合函数模型的构建。
[0040]
根据获取的相关数据，如表1所示，构建在不同的温度下表示炉管的应力与设计寿命关系的第二拟合函数。
[0041]
设第二拟合函数为p(σ)，它是一个与应力有关的函数，一般用应力对数的多项式表示，如公式(2)所示，公式中b0,b1,b2为回归系数，σ为应力。
[0042]
p(σ)＝b0+b1logσ+b2(logσ)2—公式(2)
[0043]
不同温度下，第二拟合函数是不同的，可具体记为p
i
(σ)，i取值不同对应不同的温度，p
i
(σ)为炉管设计寿命。则公式(2)可改写为：
[0044]
p
i
(σ)＝b0+b1logσ+b2(logσ)2[0045]
可选的，可以按照步长10℃，在400℃-470℃之间，拟合建立应力和设计寿命函数关系，得到8组p
i
(σ)函数，如公式(3)所示：
[0046][0047]
其中，i＝1-7分别表示对应温度为400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃。
[0048]
步骤s4：larson-miller外推法预测寿命模型的构建。
[0049]
首先，采集加热炉已使用时长(从首次安装运行至今)，根据已使用时长选择相应的第一拟合函数，计算得到相应的应力σ。
[0050]
其中，可以将采集到的单位为小时的加热炉炉管已使用时长h，换算成已使用年限year表示，根据已使用时长year的范围选择公式(1)表示的第一拟合函数中的回归系数a0,a1,a2，回归系数选择规则如下：当0<year≤2时，a0＝0.003214，a1＝-3.583，a2＝1016；当2<year≤4时，a0＝0.003282，a1＝-3.68，a2＝1051；当4<year≤6时，a0＝0.003334，a1＝-3.756，a2＝1078；当6<year≤10时，a0＝0.003459，a1＝-3.918，a2＝1134。
[0051]
以加热炉总寿命是12年为例，容易理解，当0<year≤2时，意味着设计寿命还有10年，因此选择当设计工作寿命为10万小时对应的回归系数，即：a0＝0.003214，a1＝-3.583，a2＝1016。其它各组回归系数的选择原理类似，不再一一赘述。
[0052]
然后，采集加热炉炉管温度t1，根据炉管温度t1选择相应的第二拟合函数p
i
(σ)。
[0053]
可选的，采集加热炉炉管温度t1，单位为摄氏度，根据t1和已选定的a0,a1,a2回归系数计算得到应力σ，根据t1的范围选择公式(3)表示的第二拟合函数，具体选择方法如表2所示，根据加热炉炉管温度t1从8组p
i
(σ)函数选择一组。
[0054]
表2炉管工作温度t1与函数p
i
(σ)对应关系
[0055][0056][0057]
最后，根据上述参数，建立larson-miller外推法关系式，如公式(4)所示。式中c为材料常数，根据不同材质c的取值不同，由于目前加热炉炉管大多数采用20r碳钢，故c可以取值20，t
r
为炉管剩余寿命，单位为小时。
[0058]
t1(c+log t
r
)＝p
i
(σ)—公式(4)
[0059]
步骤s5：炉管剩余寿命预测。
[0060]
根据所述外推法关系式，求解得到加热炉炉管剩余寿命t
r
，如公式(5)所示，将选定后的各个参数代入即可计算出加热炉炉管剩余寿命。
[0061][0062]
根据公式(2)，可将公式(5)进一步表示为：
[0063][0064]
将所得参数代入公式(5)，即可得到加热炉炉管剩余寿命。
[0065]
以上，本发明实施例公开了一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法。该方法通过建立不同设计寿命情况下的炉管温度与应力的函数关系，以及不同温度下的炉管应力与设计寿命的函数关系，进而结合上述两种函数关系构建larson-miller外推法关系式，
得到预测公式(5)，实现了对加热炉炉管剩余寿命的预测。利用该方法可方便有效的实现在线预测炉管剩余寿命。
[0066]
请参考图3，本发明实施例还提供一种在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的系统，该系统可包括：
[0067]
数据获取模块31，用于获取加热炉炉管运行的相关数据，所述相关数据包括炉管的温度、设计寿命和应力以及对应关系；
[0068]
数据拟合模块32，用于根据获取的相关数据，构建在不同的设计寿命下表示炉管的温度与应力关系的第一拟合函数，记为σ＝f(t)，其中，σ为应力，t为炉管温度；以及，构建在不同的温度下表示炉管的应力与设计寿命关系的第二拟合函数，记为p
i
(σ)，p
i
(σ)为炉管设计寿命，i取值不同对应不同的温度；
[0069]
计算模块33，用于采集加热炉已使用时长，根据已使用时长选择相应的第一拟合函数，计算得到相应的应力σ；采集加热炉炉管温度t1，根据炉管温度t1选择相应的第二拟合函数；
[0070]
预测模块34，用于建立larson-miller外推法关系式t1(c+log t
r
)＝p
i
(σ)；式中c为材料常数，t
r
为炉管剩余寿命；根据所述外推法关系式，求解得到炉管剩余寿命
[0071]
请参考图4，本发明实施例还提供一种计算机设备40，包括处理器41和存储器42，所述存储器42中存储有程序，所述程序包括计算机执行指令，当所述计算机设备40运行时，所述处理器41执行所述存储器42存储的所述计算机执行指令，以使所述计算机设备40执行如上文所述的在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法。
[0072]
本发明实施例还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括计算机执行指令，所述计算机执行指令当被计算机设备执行时，使所述计算机设备执行如上文所述的在线实时预测加热炉炉管剩余寿命的方法。
[0073]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0074]
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。