Сучасні підходи до математичного моделювання ресурсу трубопровідних систем із урахуванням корозійно-ерозійного зносу: огляд

Abstract

У статті представлено огляд сучасних математичних моделей, що застосовуються для прогнозування ресурсу трубопровідних систем із урахуванням корозійно-ерозійного зносу. Проаналізовано основні підходи до моделювання процесів деградації трубопроводів, включаючи аналітичні, чисельні методи, які базуються на детермінованих та статистичних підходах. Особливу увагу приділено впливу гідродинамічних і хімічних чинників на швидкість зносу та формування дефектів. Розглянуто моделі локалізованої (точкової) корозії, рівномірного зносу та ерозійного впливу потоку. Аналітичні моделі дозволяють швидко оцінити залишкову товщину стінки або критичний тиск, проте мають обмежену точність при складних умовах експлуатації. Чисельне моделювання, зокрема методи скінченних елементів (FEM) та обчислювальної гідродинаміки (CFD), забезпечує точнішу оцінку напружено-деформованого стану труб і процесів зносу. Імовірнісні методи, включаючи ті, що базуються на різних розподілах (Вейбулла, нормальний, логнормальний), а також метод Монте-Карло, дозволяють врахувати варіабельність параметрів, таких як глибина, довжина дефектів та швидкість їх зростання, що критично важливо для оцінки ризику відмови. У статті також проаналізовано сучасні підходи до оцінки часу до відмови та залишкового ресурсу трубопроводів. Окрема увага приділяється моделюванню випадкових полів дефектів, параметризації розподілу Вейбулла та його адаптації до даних інспекцій. Зазначено потенціал використання гібридних моделей, що поєднують дані чисельного аналізу з результатами машинного навчання. За результатами огляду визначено перспективні напрями досліджень, зокрема інтеграцію даних моніторингу з математичними моделями, побудову цифрових двійників трубопровідних систем, а також використання стохастичних підходів нового покоління для підвищення точності прогнозів. The article presents a review of modern mathematical models used for predicting the lifespan of pipeline systems, taking into account corrosion-erosion wear. The main approaches to modeling pipeline degradation processes are analyzed, including analytical and numerical methods based on deterministic and statistical techniques. Special attention is given to the influence of hydrodynamic and chemical factors on the wear rate and defect formation. Models of localized (pitting) corrosion, uniform thinning, and flow-induced erosion are considered. Analytical models allow for a rapid estimation of the remaining wall thickness or critical pressure but have limited accuracy under complex operating conditions. Numerical modeling, particularly using the finite element method (FEM) and computational fluid dynamics (CFD), provides a more accurate assessment of the stress-strain state of pipelines and wear processes. Probabilistic methods, including those based on various distributions (Weibull, normal, log-normal), as well as the Monte Carlo method, account for the variability of parameters such as defect depth, length, and growth rate, which is critical for failure risk assessment. The article also explores current approaches to estimating time to failure and residual life of pipeline systems. Particular attention is given to the modeling of random defect fields, parameterization of the Weibull distribution, and its adaptation to inspection data. The potential of using hybrid models that combine numerical analysis with machine learning results is noted. Based on the review, promising research directions are identified, including the integration of monitoring data with mathematical models, the development of digital twins of pipeline systems, and the use of next-generation stochastic approaches to improve prediction accuracy.