一种火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法与流程

本发明涉及电力设备状态监测与故障诊断，特别涉及一种火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法。

背景技术：

1、火电厂高温蒸汽管道是电力系统的核心承压设备，工作温度通常在540℃以上，工作压力可达17mpa以上。管道系统长期在高温、高压、复杂载荷条件下运行，材料会发生蠕变、疲劳、热应力松弛等不可逆损伤，导致管道强度逐渐降低，最终发生失效。

2、目前，国内外对高温蒸汽管道的监测主要采用以下技术：

3、传统无损检测技术，包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测等方法。这些方法需要停机检修、局部拆解才能实施，无法实现管道系统整体状态的实时评估；且只能检测已存在的缺陷，无法预测缺陷的发展趋势。

4、基于固定传感器的监测系统，在关键位置布置温度传感器、压力传感器、应变传感器等，监测管道运行参数的变化。但传统传感器的测点数量有限（通常每百米管道仅布置3-5个测点），难以全面覆盖复杂管系的空间分布特征。

5、现有管道健康评估方法，主要包括基于经验公式的寿命评估、基于有限元分析的应力评估、基于统计分析的可靠性评估等。这些方法通常采用静态模型，难以反映管道材料性能随时间的动态退化过程，也无法考虑管道系统内各部件之间的相互作用。

6、现有技术存在的主要问题：

7、（1）缺乏全局性的失效传播分析能力

8、现有技术主要关注单个管道部件的状态评估，没有建立管道系统整体拓扑结构与失效传播之间的关联模型。当某一管段发生失效时，无法预测失效向哪些相邻管段传播、传播速度和方式如何。

9、（2）多物理场耦合效应考虑不足

10、高温蒸汽管道的失效是热场、应力场、流场等多物理场耦合作用的结果。现有评估方法通常将各物理场分开考虑，忽略了温度场与应力场的相互作用（如热膨胀约束产生的热应力、温度梯度导致的材料性能不均匀分布等）。

11、（3）缺乏智能化、精准化的预测手段

12、现有方法依赖专家经验和人工判断，预测结果主观性较强；缺乏基于大数据和人工智能的失效传播模式识别与预测能力，无法实现对复杂管系失效传播路径的精准预测。

13、（4）预警响应时间不足

14、现有监测系统的预警机制较为被动，通常只在异常参数超过阈值时触发报警，无法提前预测失效的发生和发展趋势，给应急处置预留的时间不足。

15、本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多物理场耦合的火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法，实现对高温蒸汽管道系统失效传播路径、传播速度和影响范围的精准预测，为电站运维人员提供早期预警和辅助决策支持。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本公开提供了一种火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法，包括：

2、s1：构建高温蒸汽管道系统的数字孪生模型，所述数字孪生模型包含管道几何信息、管道拓扑信息、材料属性信息和运行工况信息；

3、s2：基于所述数字孪生模型进行热力耦合分析，计算管道系统的温度场分布和应力场分布，评估管道材料的蠕变损伤和疲劳损伤；

4、s3：将所述管道系统转换为图结构数据，将每个管段定义为图中的一个节点，将管段之间的连接关系定义为图的边，为每个节点赋予包含材料退化指数、应力集中系数和温度分布特征的特征向量；

5、s4构建基于图神经网络的失效传播预测模型，所述失效传播预测模型包括节点特征编码层、图卷积传播层、时序特征提取层和失效概率预测层；

6、s5利用历史失效案例数据、仿真数据和实时监测数据对所述失效传播预测模型进行训练和参数优化；

7、s6将实时传感器数据输入训练好的失效传播预测模型，输出各管段的失效概率、失效传播路径和传播时间预测结果。

8、结合第一方面，所述步骤s1中管道几何信息包括管径、壁厚、弯头角度、三通位置和阀门位置；

9、所述管道拓扑信息包括节点编号、连接关系、管段长度和支撑点位置；

10、所述材料属性信息包括管道材质及其在不同温度下的力学性能参数；

11、所述运行工况信息包括设计温度、设计压力和实际运行温度及压力波动范围。

12、结合第一方面，步骤s2中所述基于所述数字孪生模型进行热力耦合分析包括：

13、计算管道系统在设计工况下的温度场分布；

14、模拟启停过程和负荷变化时温度场的动态响应；

15、结合温度场计算热应力分布；

16、根据温度场和应力场评估材料蠕变损伤和疲劳损伤。

17、结合第一方面，步骤s3中的所述特征向量包含连接管段之间的温差、压力差和约束刚度。

18、结合第一方面，步骤s4中所述节点特征编码层采用多头注意力机制对管道节点的多维特征进行编码，提取每个管段的局部状态表征；

19、所述图卷积传播层采用图卷积神经网络或多跳图注意力网络进行信息传播；

20、所述时序特征提取层采用时间卷积网络或transformer编码器提取管道状态的时序演化特征，捕捉失效传播的时间动态特性；

21、所述失效概率预测层预测各管段的失效概率、失效在管系中的传播路径、失效传播到达各管段的时间以及不同传播路径的概率分布。

22、结合第一方面，还包括步骤s7：分级预警，根据预测结果设置多级预警，当失效概率超过预设阈值时触发对应级别的预警。

23、结合第一方面，所述分级预警包括：

24、蓝色预警：失效概率超过第一阈值，建议加强监测；

25、黄色预警：失效概率超过第二阈值，或预测48小时内可能发生传播，建议准备检修；

26、红色预警：失效概率超过第三阈值，或预测24小时内可能发生传播，立即启动应急响应。

27、结合第一方面，当管道系统存在不同材质焊接的异质区域时，在图结构中为异质材料焊接接头设置异质边类型，并赋予更高的失效传播权重。

28、本公开的第三方面，提供一种电子设备，包括：

29、一个或多个处理器；

30、存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现所述方法。

31、本公开的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法。

32、有益效果：本公开提供的一种火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法，通过构建管道系统的三维数字孪生模型并进行多物理场耦合分析，获取温度场、应力场及材料退化特征，同时将管道系统转换为图结构数据并利用图神经网络模型融合拓扑关系与时序动态信息，实现了对失效传播路径、传播速度和影响范围的时空联合预测；该方法能够显著提升预测精度，大幅延长预警时间窗口，并具备全局性管网脆弱性分析与分级预警能力，从而为火电厂高温蒸汽管道的预防性维护和应急决策提供智能化、精准化的技术支撑。

1.一种火电厂高温蒸汽管道失效传播预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中管道几何信息包括管径、壁厚、弯头角度、三通位置和阀门位置；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述基于所述数字孪生模型进行热力耦合分析包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中的所述特征向量包含连接管段之间的温差、压力差和约束刚度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中所述节点特征编码层采用多头注意力机制对管道节点的多维特征进行编码，提取每个管段的局部状态表征；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤s7：分级预警，根据预测结果设置多级预警，当失效概率超过预设阈值时触发对应级别的预警。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分级预警包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当管道系统存在不同材质焊接的异质区域时，在图结构中为异质材料焊接接头设置异质边类型，并赋予更高的失效传播权重。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1中所述方法。