CN115099151A - 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法 - Google Patents

基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115099151A
CN115099151A CN202210773699.XA CN202210773699A CN115099151A CN 115099151 A CN115099151 A CN 115099151A CN 202210773699 A CN202210773699 A CN 202210773699A CN 115099151 A CN115099151 A CN 115099151A
Authority
CN
China
Prior art keywords
model
gwo
corrosion rate
neural network
corrosion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210773699.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115099151B (zh
Inventor
彭星煜
葛枫
易建国
夏炜
任阳
陈桂芳
廖一鸿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Petroleum University
Original Assignee
Southwest Petroleum University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Petroleum University filed Critical Southwest Petroleum University
Priority to CN202210773699.XA priority Critical patent/CN115099151B/zh
Publication of CN115099151A publication Critical patent/CN115099151A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115099151B publication Critical patent/CN115099151B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/02Electrochemical measuring systems for weathering, corrosion or corrosion-protection measurement
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/004Artificial life, i.e. computing arrangements simulating life
    • G06N3/006Artificial life, i.e. computing arrangements simulating life based on simulated virtual individual or collective life forms, e.g. social simulations or particle swarm optimisation [PSO]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00Details relating to the application field
    • G06F2113/14Pipes
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04Ageing analysis or optimisation against ageing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于GWO‑BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,包括如下步骤:建立腐蚀机理模型,通过阳极和阴极反应的电荷平衡及Faraday第二定律求得腐蚀速率的粗算值;采集多组现场实测数据为训练样本,根据建立的腐蚀机理模型计算出各训练样本的腐蚀速率的粗算值,将粗算值与腐蚀速率的实测值之间的相对误差记作机理误差;建立GWO‑BP误差模型,进行GWO‑BP误差模型的训练;基于机理模型计算待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值,基于训练好的GWO‑BP误差模型输出机理误差,通过机理误差修正待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值得到最终的待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的预测值。本发明对腐蚀速率预测结果更加科学、准确、合理。

Description

基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法
技术领域
本发明涉及管道腐蚀预测技术领域,特别是一种基于GWO-BP模型页岩气集输管道腐蚀速率预测方法。
背景技术
页岩气的集输流程中面临着十分严重的腐蚀安全问题,除了常规天然气面临的腐蚀问题,页岩气集输设备还会因压裂返排液而发生腐蚀,从而影响集输生产***的安全运行。以川南地区的页岩气区块为例,截至2020年4月,长宁及威远页岩气田均发生了多次管道失效事故,腐蚀带来了严重的现场作业安全隐患。常规的页岩气腐蚀速率模型预测的精度较低,预测效率也较低,不能很好的满足现场应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的常规的页岩气腐蚀速率模型预测的精度较低,预测效率也较低,不能很好的满足现场应用的问题,本发明提供了一种基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法。
本发明采用的技术方案是:
一种基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
建立腐蚀机理模型,通过阳极和阴极反应的电荷平衡计算得到阳极腐蚀电位,利用阳极腐蚀电位通过Faraday第二定律求得腐蚀速率的粗算值;
采集多组现场实测数据为训练样本,根据建立的腐蚀机理模型计算出各训练样本的腐蚀速率的粗算值,将各训练样本的腐蚀速率的粗算值与各训练样本的现场实测数据中的腐蚀速率的实测值之间的相对误差记作机理误差;
建立GWO-BP误差模型,以温度、pH值、CO2分压、SRB数量、SO24-浓度作为输入,以机理误差作为输出进行GWO-BP误差模型的训练;
基于腐蚀机理模型计算待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值,基于训练好的GWO-BP误差模型输出待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的机理误差,通过待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的机理误差修正待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值得到最终的待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的预测值。
优选的,建立GWO-BP误差模型包括如下步骤:
构建BP神经网络模型,通过选取经验公式和实际训练相结合的方法来确定隐含层节点数,经验公式见式(34)所示:
Figure BDA0003725551820000021
其中,c为隐含层节点数、m为输出层节点数、n为输入层节点数,a为1~10之间的常数;该BP神经网络模型为3层神经网络模型,输入层为5个节点,输出层为1个节点,将输入层节点数和输出层节点数代入式(34),得隐含层节点数c为3~12之间的常数;将不同隐含层节点代入BP神经网络模型进行实验,采用L-M算法训练BP神经网络模型,迭代次数为100,学习速率为0.5,精度设置为0.0001;
以GWO算法优化BP神经网络模型。
优选的,以GWO算法优化BP神经网络模型包括如下步骤:
S1、确定BP神经网络模型的输入和输出样本,并将所有样本归一化;
S2、GWO算法种群初始化,随机初始化灰狼种群位置Xz,其中,z=1,2,…,Z,Z为灰狼种群数,每个灰狼个体包含一组权重αi12+…αm=m),初始化参数acf、A、C,其中,acf为收敛因子,A为搜索范围,C为随机因子;
S3、构建适应度函数,归一化后的每个输入变量乘上对应的权重作为新的输入参数,并对BP神经网络模型进行训练,利用BP神经网络模型预测输出数据与期望输出数据计算所得的R2构建适应度函数,R2的计算如式(35)所示:
Figure BDA0003725551820000031
其中,
Figure BDA0003725551820000032
为实际值的平均值;
S4、对灰狼种群中的每个灰狼个体执行BP神经网络模型训练,并计算每个灰狼个体的适应度,从中选出适应度最高的3个灰狼,作为当前的最优解Xα、次优解Xβ和第三优解Xδ
S5、更新ω狼个体的位置和参数acf、A、C,根据步骤S3重新构建新的适应度函数,重新计算每个灰狼个体的适应度,更新Xα、Xβ和Xδ
S6、判断GWO算法是否达到最大迭代次数,若达到,则停止迭代,并输出最优解Xα;若未达到,则重复执行步骤S3~步骤S5,直至达到最大迭代次数;
S7、利用GWO算法得到的最优输入变量的权重再次训练BP神经网络模型,可得到训练精度最高的BP神经网络模型,并将其作为最终的GWO-BP误差模型。
本发明的有益效果是:
建立了基于GWO-BP误差模型修正的SRB/CO2共存环境下的页岩气集输管道内腐蚀机理模型,由于在获得页岩气集输管道腐蚀速率的过程中考虑了SRB和CO2耦合作用,以及考虑了GWO-BP算法对模型进行修正,基于GWO灰狼的位置信息来对BP神经网络的权值和阈值进行优化,可以使评价结果更加科学、准确、合理。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图;
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示,为本实施例的流程示意图,本实施例提供了基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,结合机理模型和机器学习建模的优点,提出以机器学习模型建立机理模型的误差模型,再反馈误差补偿至机理模型,从而修正机理模型的并联建模方法。
1、常规的SRB/CO2共存环境的页岩气集输管道内腐蚀机理模型建立:
(a)、首先确定SRB/CO2溶液体系腐蚀过程中主要的电化学反应。
SRB和CO2共存时诱发的管道腐蚀机理比较复杂。首先分析CO2的腐蚀机理,传统上认为CO2腐蚀的阴极反应涉及析氢反应、H2CO3的直接还原反应以及H2O还原反应,根据现场水质分析发现不涉及析氢反应。
CO2腐蚀的反应方程分别见式(1)和式(2):
Figure BDA0003725551820000051
2H2O+2e-→H2+2OH- (2)
SRB腐蚀的阴极反应,目前国内外最先进的SRB腐蚀机理是顾停月等人发现的BCSR机理,由于铁氧化发生在SRB外部,而硫酸盐还原发生在SRB内部,因此需要EET的方法使电子穿过SRB的细胞壁,考虑以EET机制中的细胞色素传递作为电子载体的方式,对SO4 2-还原的阴极电流密度进行建模,由此量化SO4 2-还原中因EET产生的腐蚀电流密度。
SRB腐蚀的反应方程如下:
氧化反应方程分别见式(3)和(4):
CH3CHOHCOO-+H2O→CH3COO-+CO2+4H++4e- (3)
4Fe→4Fe2++8e- (4)
还原反应方程见式(5):
SO4 2-+9H++8e-→HS-+4H2O (5)
因此,SRB与CO2腐蚀的总反应方程分别见式(6)、(7)和(8):
Fe2++HS-→FeS+H+ (6)
Figure BDA0003725551820000064
Fe+CO2+H2O→FeCO3+H2 (8)
(b)、通过Tafel方程计算阳极铁氧化的电化学反应的腐蚀电流密度;阳极表面的电流密度可由Tafel方程计算:见式(9):
Figure BDA0003725551820000061
其中,iFe为阳极腐蚀电流密度,单位为A/m2;io,Fe为阳极交换电流密度,单位为A/m2;bc为Tafel斜率,无量纲;E为阳极腐蚀电位,单位为V;
Figure BDA0003725551820000062
为阳极平衡电位,单位为V。
通过式(10)计算bc
Figure BDA0003725551820000063
其中,αc为电子转移系数,取0.5,无量纲;F为Faraday常数,取96485.34C/mol;R为通用气体常数,取8.31J/(mol·K);T为实际工况下的绝对温度,单位为K。
如果实验条件偏离标准电极电位定义的条件,可使用Nerst方程计算平衡电位,见式(11):
Figure BDA0003725551820000071
对于交换电流密度,Pour-Ghaz等提出了一种简单的方法揭示温度对交换电流密度的影响,见式(12):
Figure BDA0003725551820000072
其中,
Figure BDA0003725551820000073
为25℃下Fe的参考交换电流密度,取0.33A/m2;ΔH(Fe)为Fe的活化焓,取37.5KJ/mol;Tref为参考温度,代表的是不同实验研究下所取得不同参考温度值,本实施例中Tref统一取同一值为298K。
根据Faraday第二定律将阳极腐蚀电流密度转换为腐蚀速率Vcorr,见式(13)所示,此处的腐蚀速率Vcorr相当于一维点蚀模型中的点蚀速率。
Figure BDA0003725551820000074
其中,腐蚀速率Vcorr的单位为mm/a;ne为参与反应的电子数,取2;ρFe为铁的密度,取7870kg/cm3;MFe为铁的原子量,取0.056kg/mol。
(c)、结合胞外电子传递机制中的细胞色素传递方法,通过Tafel方程建立
Figure BDA0003725551820000075
还原的电荷转移电流密度,利用Monod方程修正Fick第二定律建立
Figure BDA0003725551820000076
的传质模型,再根据Nernst-Planck方程计算
Figure BDA0003725551820000077
还原的极限扩散电流密度。
硫酸盐还原产生的总电流密度
Figure BDA0003725551820000078
根据式(14)总电阻方程计算:
Figure BDA0003725551820000081
其中,
Figure BDA0003725551820000082
Figure BDA0003725551820000083
还原的总电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000084
Figure BDA0003725551820000085
还原的极限扩散电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000086
Figure BDA0003725551820000087
还原的电荷转移电流密度,单位为A/m2
电子从金属到生物膜的转移速率是跨生物膜的活性电荷转移层的电流密度和金属表面电势的函数。
则通过Tafel方程建立的
Figure BDA0003725551820000088
还原的电荷转移电流密度的表达式即为式(15):
Figure BDA0003725551820000089
其中,rc为电子从金属到生物膜的跨电位降的传输速率,单位为s-1
Figure BDA00037255518200000810
Figure BDA00037255518200000811
还原的交换电流密度;α为电子转移系数,取0.5;
Figure BDA00037255518200000812
Figure BDA00037255518200000813
还原平衡电位,单位为V。
使用Nerst方程计算
Figure BDA00037255518200000814
见式(16):
Figure BDA00037255518200000815
其中,本实施例中pH代表SRB细胞质中的酸碱度,
Figure BDA00037255518200000816
的还原发生在细胞质中,SRB细胞质中的酸碱度不同于溶液环境的酸碱度,因为受细菌代谢活动的影响,细胞质内部会保持最适宜细菌生存的酸碱度。本实施例中假设细胞质中的pH=7。
最终,
Figure BDA00037255518200000817
如下式(17):
Figure BDA0003725551820000091
其中,
Figure BDA0003725551820000092
为细胞色素与生物膜之间电子转移的速率,取0.08s-1;LB为主动传输层长度,取10-3m;CZ为细胞色素浓度,取3.6×10-3mol/L。
由Nernst-Planck方程计算
Figure BDA0003725551820000093
见式(18):
Figure BDA0003725551820000094
其中,
Figure BDA0003725551820000095
为生物膜中
Figure BDA0003725551820000096
的扩散率,单位为m2/s;
Figure BDA0003725551820000097
为生物膜内的
Figure BDA0003725551820000098
浓度,单位为mol/m3
Fick第二定律是描述离子在扩散机理作用下离子浓度随时间的变化,能很好地反映生物膜中离子侵入的过程。通过修正后的Fick第二定律可模拟
Figure BDA0003725551820000099
在生物膜内部的分布,见式(19):
Figure BDA00037255518200000910
其中,
Figure BDA00037255518200000911
为生物膜中SRB对
Figure BDA00037255518200000912
消耗的速率,单位为mol/(m3·s)。
Fick第二定律初始与边界条件见表所示。
表1 Fick第二定律初始与边界条件
Figure BDA00037255518200000913
对于腐蚀深坑,坑底和坑壁可能存在SRB生物膜,而坑的大部分空间填充有主体溶液。
Figure BDA0003725551820000101
从溶液进入生物膜,到达坑底接受电子,导致MIC发生。在扩散过程中,生物膜中大量固着细胞消耗了硫酸盐,
Figure BDA0003725551820000102
应表现为负值,该项通过Monod方程计算,见式(20):
Figure BDA0003725551820000103
其中,Km为生物膜中SRB的Monod半速度系数,取10.69×10-5mg/m3;qmax为最大硫酸盐利用率,取1.08mmol/(mg·s-1);Xs为点蚀坑内的SRB浓度,假设点蚀坑中的SRB浓度为溶液中SRB浓度的1%,单位为个/mL;Lf为生物膜厚度,取239μm。
(d)、考虑H2CO3还原反应同时受活化反应和扩散传质控制,通过Tafel方程和Vetter方程对H2CO3的极限扩散电流密度和电荷转移电流密度进行计算。H2CO3还原的总阴极电流密度见式(21):
Figure BDA0003725551820000104
其中,
Figure BDA0003725551820000105
为H2CO3还原的总电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000106
为H2CO3还原的电荷转移电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000107
为H2CO3还原的极限扩散电流密度,单位为A/m2
通过Tafel方程建立
Figure BDA0003725551820000108
计算方程见式(22):
Figure BDA0003725551820000109
其中,
Figure BDA0003725551820000111
为H2CO3还原的交换电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000112
为H2CO3还原的平衡电位,单位为V。
根据研究,H2CO3还原与H+还原具有相同的热力学条件。通过式(23)计算
Figure BDA0003725551820000113
Figure BDA0003725551820000114
其中,
Figure BDA0003725551820000115
为氢气的分压,在本实施例中为简化研究过程,
Figure BDA0003725551820000116
取值为0。
通过式(24)计算
Figure BDA0003725551820000117
Figure BDA0003725551820000118
其中,
Figure BDA0003725551820000119
为H2CO3还原的参考交换电流密度,根据
Figure BDA00037255518200001116
的研究,在本实施例中,H2CO3浓度为1×10-4mol/L的参考条件下,
Figure BDA00037255518200001110
为0.018A/m2
Figure BDA00037255518200001111
为H2CO3还原的活化焓,取50KJ/mol。
通过Vetter方程建立
Figure BDA00037255518200001112
的计算方式见式(25):
Figure BDA00037255518200001113
其中,[CO2]b为溶解的CO2体积浓度,单位为mol/m3
Figure BDA00037255518200001114
为CO2在水中的扩散率,单位为m2/s;Khyd为CO2水合反应的平衡常数,取2.58×10-3,无量纲;
Figure BDA00037255518200001115
为CO2水合反应的正向反应速率,无量纲。
通过式(26)计算[CO2]b
Figure BDA0003725551820000121
其中,
Figure BDA0003725551820000122
为CO2的亨利常数,取0.1MPa·m3/mol;
Figure BDA0003725551820000123
为CO2分压,单位为MPa。
(e)、考虑H2O还原受活化反应控制,通过Tafel方程对H2O的电荷转移电流密度进行计算;由于水分子向金属表面传输不存在扩散限制,因此可以认为H2O的还原速率仅由Tafel方程建立的电荷转移过程控制:
Figure BDA0003725551820000124
其中,
Figure BDA0003725551820000125
为H2O还原的总电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000126
为H2O还原的交换电流密度,单位为A/m2
Figure BDA0003725551820000127
为H2O还原的平衡电位,单位为V。
H2O还原的Tafel斜率与H2CO3还原的Tafel斜率相同,bc=120mV。H2O还原与H+还原具有相同的热力学条件。通过Nernst方程计算:
Figure BDA0003725551820000128
通过Arrhenius方程计算
Figure BDA0003725551820000129
计算式见式(29):
Figure BDA00037255518200001210
其中,在
Figure BDA00037255518200001211
为H2O还原的参考交换电流密度,在Tref环境下的实验中确定
Figure BDA00037255518200001212
Figure BDA00037255518200001213
为H2O还原的活化焓,
Figure BDA00037255518200001214
(f)、根据步骤(b)~步骤(e)计算可得到各电化学反应总的腐蚀电流密度,利用阳极和阴极反应的电荷平衡计算得到腐蚀电位,进一步通过利用Faraday第二定律求得腐蚀速率。
在阴极和阳极反应建模完成之后,通过电荷平衡方程计算腐蚀电位,见式(30):
Figure BDA0003725551820000131
其中,na和nc分别为阳极和阴极反应的总数;ia和ic分别为阳极电荷和阴极电荷;展开后即为式(31):
Figure BDA0003725551820000132
通过有限差分法对式(19)求解,得到不同时间下生物膜上
Figure BDA0003725551820000133
浓度,再将T、
Figure BDA0003725551820000134
pH、SRB数量分别代入包含该参数的各公式中,将式(15)和(18)代入式(14)得到式(32),将式(22)和(25)代入式(21)得到式(33),式(32)和式(33)如下所示:
Figure BDA0003725551820000135
Figure BDA0003725551820000136
此时式(9)、式(27)、式(32)和式(33)中的未知数仅为阳极腐蚀电位E;将式(9)、式(27)、式(32)和式(33)通过电荷平衡方程式(31)联立,求解出阳极腐蚀电位E,再以阳极腐蚀电位E作为式(9)的输入,即可求出不同时间的阳极腐蚀电流密度iFe,最后将阳极腐蚀电流密度iFe代入式(13)即可求解腐蚀速率Vcorr
2、采集变量,并以56组现场实测数据为总样本,最后8组样本作为验证集,其余样本作为训练集;获取大量的待修正腐蚀机理模型的腐蚀参数,根据上述腐蚀机理模型预测腐蚀速率,并获取相应的实测腐蚀速率,见表1。
表1管道腐蚀数据及机理模型预测结果
Figure BDA0003725551820000141
Figure BDA0003725551820000151
3、基于机理模型求出训练样本的点蚀速率,并计算与现场实测点蚀速率的相对误差,将腐蚀机理模型预测点蚀速率与现场实测点蚀速率的相对误差记作机理误差,见表1。
4、以温度、pH值、CO2分压、SRB数量、SO4 2-浓度作为输入,以机理误差为输出进行GWO-BP误差模型的训练。GWO-BP误差模型的构建过程如下:
在建立GWO-BP模型之前,需要先搭建BP神经网络模型,确定BP神经网络模型的结构和重要参数,再以GWO算法优化BP神经网络模型。
(a)、BP神经网络模型构建:
通过选取经验公式和实际训练相结合的方法来确定隐含层节点数,经验公式见式(34)所示:
Figure BDA0003725551820000152
其中,c为隐含层节点数、m为输出层节点数、n为输入层节点数,a为1~10之间的常数;该BP神经网络模型为3层神经网络模型,输入层为5个节点,输出层为1个节点,将输入层节点数和输出层节点数代入式(34),得隐含层节点数c为3~12之间的常数;将不同隐含层节点代入BP神经网络模型进行实验,采用L-M算法训练BP神经网络模型,迭代次数为100,学习速率为0.5,精度设置为0.0001。
(b)GWO优化BP神经网络的模型构建:
GWO算法是基于灰狼的位置信息来对BP神经网络模型的权值和阈值进行优化。当灰狼位置不断地发生变化时,BP神经网络模型算法的权值和阈值也不断更新,灰狼的最优位置即为BP神经网络模型寻求的最优解,具体算法步骤如下所示:
①确定BP神经网络模型的输入和输出样本,并将所有样本归一化。
②GWO算法种群初始化,随机初始化灰狼种群位置Xz(z=1,2,…,Z,Z为灰狼种群数),每个灰狼个体包含一组权重αi12+…+αm)=m,初始化参数acf、A、C,其中,acf为收敛因子,A为搜索范围,C为随机因子。
③构建适应度函数,归一化后的每个输入变量乘上对应的权重作为新的输入参数,并对BP神经网络模型进行训练,利用BP神经网络模型预测输出数据与期望输出数据计算所得的R2构建适应度函数,R2的计算公式为:
Figure BDA0003725551820000161
其中,
Figure BDA0003725551820000162
为实际值的平均值,式(35)中的n与式(34)中的n含义不同,式(35)中的n表示函数yk的个数。
④对灰狼种群中的每个灰狼个体执行BP神经网络模型训练,并计算每个灰狼个体的适应度,从中选出适应度最高的3个灰狼,作为当前的最优解Xα、次优解Xβ和第三优解Xδ
⑤更新ω狼个体的位置和参数acf、A、C,根据步骤③所述重新构建新的适应度函数,并对BP神经网络模型进行训练,重新计算每个灰狼个体的适应度,更新Xα、Xβ和Xδ
⑥判断GWO算法是否达到最大迭代次数。若是,则停止迭代,并输出最优结果Xα;反之,则重复执行步骤③~步骤⑤,直至达到最大迭代次数。
⑦利用GWO算法得到的最优输入变量的权重再次训练BP神经网络,可得到训练精度最高的BP神经网络模型,并将其作为最终的GWO-BP误差模型。
通过BP神经网络模型的构建,可知GWO-BP误差模型的输入层为5个变量,输出层为1个变量,输入层数为3,隐含层数为7。
5、基于机理模型求出测试样本的点蚀速率结果;将训练好的GWO-BP误差模型用于预测测试样本的机理误差。用GWO-BP误差模型输出的机理误差修正测试样本的腐蚀机理模型预测的点蚀速率,得到最终输出yfinal。为了验证GWO-BP算法修正机理模型方法的有效性,分别采用腐蚀机理模型以及腐蚀机理模型结合GWO-BP误差模型(即GWO-BP算法修正后的机理模型),对8组验证集中的样本进行点蚀速率预测,具体计算结果见表2。
表2两种模型预测测试样本的结果对比
Figure BDA0003725551820000171
Figure BDA0003725551820000181
6、基于现场开挖数据进行验证,GWO-BP模型修正后的机理模型预测腐蚀速率的精确度可达95%,精确度较机理模型可提升将近30%,具体计算结果见表3。
表3现场开挖验证下两种模型预测测试样本的结果对比
Figure BDA0003725551820000182
本发明与现有技术相比最大的优势是建立了基于GWO-BP误差模型修正的SRB/CO2共存环境下的页岩气集输管道内腐蚀机理模型,使得预测SRB/CO2共存环境下的管道内腐蚀速率更加准确。为达到这个优势,采用GWO算法,基于灰狼的位置信息来对BP神经网络模型的权值和阈值进行优化。当灰狼位置不断地发生变化时,BP神经网络模型算法的权值和阈值也不断更新,灰狼的最优位置即为BP神经网络模型寻求的最优解。同时将GWO-BP误差模型预测到的机理误差作为误差补偿反馈至机理模型后,将GWO-BP修正后的腐蚀机理模型与未修正的腐蚀机理模型的点蚀速率预测结果对比发现,经过修正后,腐蚀机理模型预测值与实测值的最大相对误差减小,该建模手段为预测腐蚀速率提供了一种新方法。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
建立腐蚀机理模型,通过阳极和阴极反应的电荷平衡计算得到阳极腐蚀电位,利用阳极腐蚀电位通过Faraday第二定律求得腐蚀速率的粗算值;
采集多组现场实测数据为训练样本,根据建立的腐蚀机理模型计算出各训练样本的腐蚀速率的粗算值,将各训练样本的腐蚀速率的粗算值与各训练样本的现场实测数据中的腐蚀速率的实测值之间的相对误差记作机理误差;
建立GWO-BP误差模型,以温度、pH值、CO2分压、SRB数量、
Figure FDA0003725551810000011
浓度作为输入,以机理误差作为输出进行GWO-BP误差模型的训练;
基于腐蚀机理模型计算待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值,基于训练好的GWO-BP误差模型输出待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的机理误差,通过待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的机理误差修正待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的粗算值得到最终的待预测的页岩气集输管道的腐蚀速率的预测值。
2.根据权利要求1所述的基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,其特征在于,建立GWO-BP误差模型包括如下步骤:
构建BP神经网络模型,通过选取经验公式和实际训练相结合的方法来确定隐含层节点数,经验公式见式(34)所示:
Figure FDA0003725551810000012
其中,c为隐含层节点数、m为输出层节点数、n为输入层节点数,a为1~10之间的常数;该BP神经网络模型为3层神经网络模型,输入层为5个节点,输出层为1个节点,将输入层节点数和输出层节点数代入式(34),得隐含层节点数c为3~12之间的常数;将不同隐含层节点代入BP神经网络模型进行实验,采用L-M算法训练BP神经网络模型,迭代次数为100,学习速率为0.5,精度设置为0.0001;
以GWO算法优化BP神经网络模型。
3.根据权利要求2所述的基于GWO-BP修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法,其特征在于,以GWO算法优化BP神经网络模型包括如下步骤:
S1、确定BP神经网络模型的输入和输出样本,并将所有样本归一化;
S2、GWO算法种群初始化,随机初始化灰狼种群位置Xz,其中,z=1,2,…,Z,Z为灰狼种群数,每个灰狼个体包含一组权重αi12+…αm=m),初始化参数acf、A、C,其中,acf为收敛因子,A为搜索范围,C为随机因子;
S3、构建适应度函数,归一化后的每个输入变量乘上对应的权重作为新的输入参数,并对BP神经网络模型进行训练,利用BP神经网络模型预测输出数据与期望输出数据计算所得的R2构建适应度函数,R2的计算如式(35)所示:
Figure FDA0003725551810000021
其中,
Figure FDA0003725551810000022
为实际值的平均值;
S4、对灰狼种群中的每个灰狼个体执行BP神经网络模型训练,并计算每个灰狼个体的适应度,从中选出适应度最高的3个灰狼,作为当前的最优解Xα、次优解Xβ和第三优解Xδ
S5、更新ω狼个体的位置和参数acf、A、C,根据步骤S3重新构建新的适应度函数,重新计算每个灰狼个体的适应度,更新Xα、Xβ和Xδ
S6、判断GWO算法是否达到最大迭代次数,若达到,则停止迭代,并输出最优解Xα;若未达到,则重复执行步骤S3~步骤S5,直至达到最大迭代次数;
S7、利用GWO算法得到的最优输入变量的权重再次训练BP神经网络模型,可得到训练精度最高的BP神经网络模型,并将其作为最终的GWO-BP误差模型。
CN202210773699.XA 2022-07-01 2022-07-01 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法 Active CN115099151B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210773699.XA CN115099151B (zh) 2022-07-01 2022-07-01 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210773699.XA CN115099151B (zh) 2022-07-01 2022-07-01 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115099151A true CN115099151A (zh) 2022-09-23
CN115099151B CN115099151B (zh) 2024-06-11

Family

ID=83295181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210773699.XA Active CN115099151B (zh) 2022-07-01 2022-07-01 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115099151B (zh)

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102313696A (zh) * 2010-06-29 2012-01-11 中国石油天然气股份有限公司 一种杂散干扰腐蚀风险评价的室内模拟方法及装置
CN104063588A (zh) * 2014-06-12 2014-09-24 东北大学 基于多源数据融合的管道腐蚀缺陷尺寸的预测***及方法
CN106355320A (zh) * 2016-08-29 2017-01-25 西安建筑科技大学 一种灰色***海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法
CN108204944A (zh) * 2018-01-13 2018-06-26 福州大学 基于apso优化的lssvm的埋地管道腐蚀速率预测方法
CN109255490A (zh) * 2018-09-28 2019-01-22 西安建筑科技大学 一种基于kpca-bas-grnn的埋地管道外腐蚀速率预测方法
CN109284877A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 福州大学 基于aiga-wlssvm埋地管道腐蚀速率预测方法
CN109284876A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 福州大学 基于pca-rbf埋地管道腐蚀速率预测方法
CN110389209A (zh) * 2018-04-19 2019-10-29 中国石油化工股份有限公司 一种埋地管道土壤腐蚀特性的评价方法
CN110751339A (zh) * 2019-10-24 2020-02-04 北京化工大学 管道腐蚀速率预测的方法、装置和计算机设备
CN111104989A (zh) * 2019-12-31 2020-05-05 北京讯腾智慧科技股份有限公司 燃气管道腐蚀预测方法和装置
WO2020133639A1 (zh) * 2018-12-29 2020-07-02 东北大学 一种管道内检测漏磁数据智能分析***
WO2021128510A1 (zh) * 2019-12-27 2021-07-01 江苏科技大学 基于sdae和改进gwo-svm的轴承缺陷识别方法
WO2021133265A1 (en) * 2019-12-27 2021-07-01 Ptt Exploration And Production Public Company Limited A method and system for predicting pipeline corrosion
CN113807598A (zh) * 2021-09-26 2021-12-17 辽宁石油化工大学 基于pso-woa混合优化的svm稠油管道腐蚀速率预测方法
CN115099508A (zh) * 2022-07-01 2022-09-23 西南石油大学 Srb与co2耦合作用的页岩气集输管道腐蚀速率预测方法

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102313696A (zh) * 2010-06-29 2012-01-11 中国石油天然气股份有限公司 一种杂散干扰腐蚀风险评价的室内模拟方法及装置
CN104063588A (zh) * 2014-06-12 2014-09-24 东北大学 基于多源数据融合的管道腐蚀缺陷尺寸的预测***及方法
CN106355320A (zh) * 2016-08-29 2017-01-25 西安建筑科技大学 一种灰色***海底油气管道坠物腐蚀可靠性评估方法
CN108204944A (zh) * 2018-01-13 2018-06-26 福州大学 基于apso优化的lssvm的埋地管道腐蚀速率预测方法
CN110389209A (zh) * 2018-04-19 2019-10-29 中国石油化工股份有限公司 一种埋地管道土壤腐蚀特性的评价方法
CN109255490A (zh) * 2018-09-28 2019-01-22 西安建筑科技大学 一种基于kpca-bas-grnn的埋地管道外腐蚀速率预测方法
CN109284876A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 福州大学 基于pca-rbf埋地管道腐蚀速率预测方法
CN109284877A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 福州大学 基于aiga-wlssvm埋地管道腐蚀速率预测方法
WO2020133639A1 (zh) * 2018-12-29 2020-07-02 东北大学 一种管道内检测漏磁数据智能分析***
CN110751339A (zh) * 2019-10-24 2020-02-04 北京化工大学 管道腐蚀速率预测的方法、装置和计算机设备
WO2021128510A1 (zh) * 2019-12-27 2021-07-01 江苏科技大学 基于sdae和改进gwo-svm的轴承缺陷识别方法
WO2021133265A1 (en) * 2019-12-27 2021-07-01 Ptt Exploration And Production Public Company Limited A method and system for predicting pipeline corrosion
CN111104989A (zh) * 2019-12-31 2020-05-05 北京讯腾智慧科技股份有限公司 燃气管道腐蚀预测方法和装置
CN113807598A (zh) * 2021-09-26 2021-12-17 辽宁石油化工大学 基于pso-woa混合优化的svm稠油管道腐蚀速率预测方法
CN115099508A (zh) * 2022-07-01 2022-09-23 西南石油大学 Srb与co2耦合作用的页岩气集输管道腐蚀速率预测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PENG X: "Long-distanceoil & gas pipeline failure rate prediction using BP artificial neural network mode", TOTAL CORROSION CONTROL, vol. 23, no. 5, 30 December 2009 (2009-12-30) *
周逸轩: "基于LHS-Kriging-DW的页岩气集输管道内腐蚀预测模型研究", 热加工工艺, no. 16, 18 September 2023 (2023-09-18) *
李昊燃: "油气管道腐蚀速率预测方法研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑, no. 3, 15 March 2022 (2022-03-15) *
许宏良: "基于改进BP神经网络优化的管道腐蚀速率预测模型研究", 表面技术, vol. 47, no. 2, 18 February 2018 (2018-02-18) *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115099151B (zh) 2024-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Newman et al. Electrochemical systems
Jeremiasse et al. Acetate enhances startup of a H2‐producing microbial biocathode
Xu et al. Mechanistic modeling of biocorrosion caused by biofilms of sulfate reducing bacteria and acid producing bacteria
Scheibe et al. Coupling a genome‐scale metabolic model with a reactive transport model to describe in situ uranium bioremediation
Spurr et al. Extending the dynamic range of biochemical oxygen demand sensing with multi-stage microbial fuel cells
Borole et al. Proton transfer in microbial electrolysis cells
CN101493392A (zh) 基于灰色预测理论的cfb炉管的寿命评估方法
Dawuda et al. A probabilistic model to estimate microbiologically influenced corrosion rate
Dick et al. Calculation of the relative chemical stabilities of proteins as a function of temperature and redox chemistry in a hot spring
Orcutt et al. Constraints on mechanisms and rates of anaerobic oxidation of methane by microbial consortia: process-based modeling of ANME-2 archaea and sulfate reducing bacteria interactions
Bosio et al. An effective semi-empiric model for MCFC kinetics: Theoretical development and experimental parameters identification
CN115099508B (zh) Srb与co2耦合作用的页岩气集输管道腐蚀速率预测方法
Kotsyurbenko et al. Systems approach to the study of microbial methanogenesis in West-Siberian wetlands
CN115099151A (zh) 基于gwo-bp修正机理模型的管道腐蚀速率预测方法
Abel et al. Systems-informed genome mining for electroautotrophic microbial production
Nachammai et al. Exploration of bioinformatics on microbial fuel cell technology: trends, challenges, and future prospects
Liu et al. Predicting the Hypoxic‐Volume in Chesapeake Bay with the Streeter–Phelps Model: A Bayesian Approach 1
VanderSteen et al. Mathematical modeling of the transport phenomena and the chemical/electrochemical reactions in solid oxide fuel cells: a review
Zhao et al. Unification of cell-scale metabolic activity with biofilm behavior by integration of advanced flow and reactive-transport modeling and microfluidic experiments
US20240212794A1 (en) Method for constructing a model simulating a chemical reaction
Miran et al. Multivariate landscapes constructed by Bayesian estimation over five hundred microbial electrochemical time profiles
Li et al. Practical Identifiability Analysis and Optimal Experimental Design for the Parameter Estimation of the ASM2d‐Based EBPR Anaerobic Submodel
Jadhav et al. Modelling of Bioelectrochemical Systems: Biophysicochemical Processes and Mathematical Methods
Aiken et al. The rational design of a financially viable microbial electrolysis cell for domestic wastewater treatment
Topalova et al. Analogous modeling of nutrient transformation in Iskar River sediments at different moisture content: Microbiological and enzymological indicators

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant