油氣管道完整性評價

油氣管道完整性評價、八 、合前言目前我國油氣管道多數(shù)進入“老齡期”，各類事故呈上升趨勢。由于管子本身的老化、侵蝕及各類人為因素的破壞，管道事故頻繁發(fā)生，嚴峻影響了管道的正常運行和周圍的自然環(huán)境。近幾年，美國、俄羅斯、加拿大、英國、阿根廷、委內瑞拉等歐美國家發(fā)生過量起油氣管道爆裂、泄漏事故，損失慘重，給社會造成極大影響。因此現(xiàn)役老管道存在著許多未知問題和不安全隱患，需要對整個管道系統(tǒng)進行完整性評價，以通過評價來了解管道現(xiàn)狀，找到缺點所在，提出提高系統(tǒng)靠得住性的途徑和保護辦法。對老管道進行剩余壽命的評估與預測，能夠保證管道在現(xiàn)有條件或升級情形下安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟地運行。目錄第一章概述管道完整性管理及其相關概念管道完整性評價技術的研究現(xiàn)狀管道完整性評價技術的內容和目的第二章管道適用性評價技術管道剩余強度評價方式管道剩余壽命預測方式第三章管道風險評估技術管道失效概率計算模型管道失效后果計算模型風險計算第四章管道完整性評價經(jīng)濟效益分析管道完整性管理模式及其經(jīng)濟效益評價方式評價方式的應用參考文獻第一章概述管道完整性管理及其相關概念管道完整性是指管道始終處于安全靠得住的服役狀態(tài)。管道完整性管理是指對有影響管道完整性的因素進行綜合的一體化的管理。管道完整性管理是國外油氣管道工業(yè)中一個迅速進展的重要領域。管道完整性PI(PipelineIntegrity)是指管道始終處于安全靠得住的服役狀態(tài)。包括以下內涵：管道在物理上和功能上是完整的；管道處于受控狀態(tài)；管道運行商已經(jīng)并仍將不斷采取行動避免管道事故的發(fā)生。管道完整性與管道的設計、施工、運行、保護、檢修和管理的各個進程緊密相關。管道完整性管理PIM(PipelineIntegrityManagement)是指對所有影響管道完整性的因素進行綜合的、一體化的管理。大體上包括以下內容：擬定工作計劃、工作流程和工作程序文件；進行風險分析，了解事故發(fā)生的可能性和將致使的后果,制定預防和應急辦法；按期進行管道完整性檢測和評價，了解管道可能發(fā)生事故的原因和部位；采取修復或減輕失效要挾的辦法；培訓人員,不斷提高人員素質。管道完整性管理是一個與時俱進的持續(xù)的進程。這是因為管道的失效模式是一種時刻依賴的模式。侵蝕、老化、疲勞、自然災害、機械損傷等能夠引發(fā)管道失效,隨著歲月的流逝在不斷地侵害著管道。因此，必需持續(xù)不斷地對管道進行風險分析、檢測、完整性評價、維修、人員培訓等完整性管理工作。管道完整性評價PIA(PipelineIntegrityAssessment)是指對可能使管道失效的主要要挾因素進行檢測，據(jù)此對管道的適應性進行評估的進程⑶。當前全世界在用管道總量約有250104km,其中舊管道數(shù)量驚人。如何評價這些舊管道的狀況，保證安全、經(jīng)濟地運行,是管道完整性評價要解決的主要問題。圖ASME標準中規(guī)定的管道完整性管理流程框圖管道完整性評價技術的研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀20世紀80年代前后，發(fā)達國家在二次世界大戰(zhàn)以后興修的大量油氣輸送管道開始慢慢進入事故多發(fā)階段，同時經(jīng)濟進展對能源需求的增加又需要建設新的管道，繼續(xù)合理利用存在問題和帶有缺點的管道，避免和減少管道破壞給公眾和環(huán)境帶來的危害，改善管道與環(huán)境的兼容性，成為政府和管道公司關注的問題。為此，各相關部門進行了大量的基礎研究和應用技術研究，伴隨著基礎科學、材料科學、信息技術、運算機技術、監(jiān)控技術、檢測技術等科學技術的進展，在保證管道安全與經(jīng)濟的原則下，研究功效的作用和價值、實際效果已為政府、管道公司和社會所認可［1。國外油氣管道完整性評價技術是近幾年進展起來的一項新技術，倍受管道運營公司的重視，研究進展較快?？墒?，在查閱有關管道技術文獻資料和調查一些國際管道公司的具體做法時發(fā)覺，目前國外評價管道完整性的方式大體上都是從不同角度、采用不同方式對造成管道完整性下降的某些因素如機械損傷、侵蝕、應力開裂等進行評價，沒有形成一套全面、系統(tǒng)、科學的管道完整性評價技術和方式。國內研究現(xiàn)狀目前，國內油氣管道完整性評價技術方才起步，許多研究領域尚屬空白。對于現(xiàn)役老管道的評價主要采用無損檢測技術(NDT)，在定量測量的基礎上結合定性分析，肯定各類缺點的形狀、尺寸及位置，并在此基礎上進行管道的剩余壽命預測(即管道安全性評價)。但這種基于檢測的管道安全評價技術缺乏對整個管道系統(tǒng)、各組成單元及設備的靠得住性分析，沒有給出如何提高管道系統(tǒng)或單元靠得住性、降低各單體設備維修本錢的具體辦法。最近幾年還興起了油氣管道的風險評估技術，它是利用管道運行的現(xiàn)場及歷史統(tǒng)計資料，采取專家系統(tǒng)分解評分的方式，肯定整個管道系統(tǒng)或某段管道的相對風險系數(shù)，風險系數(shù)越大，風險越小。管道的風險分析能夠對管道風險做出評估，找到為減少風險需要投入資金和改良運行管理的方向，把管道的風險限定在一個能夠同意的水平上。但風險分析對實際運行管道的各類缺點無法做出定量的描述，評分的人為主觀性較大，存在必然的計算誤差，實際應用有必然的局限性。因此，應該將管道的靠得住性分析、檢測評價和風險分析幾項技術有機地結合起來，形成一整套管道完整性評價技術與方式，為管道的運行管理、檢測、維修和改換提供全面、可行的科學依據(jù)和辦法，提高現(xiàn)役管道運行的安全性和經(jīng)濟性⑵。管道完整性評價技術的內容和目的對管道工業(yè)而言，管道的完整性評價技術無論是此刻仍是未來都具有十分重要的工程意義，它是保證現(xiàn)役管道安全靠得住運行必不可少和亟待開展的一項工作，其中現(xiàn)役管道運行靠得住性分析、管道檢測與評價和管道風險分析（要修改的是三個主要的領域，在許多方面國內是方才起步，有些方面乃至是空白。但目前國外的研究進展專門快，正朝著工程化、智能化、概率化和模糊化方向進展，有許多成熟的、精準的理論和方式可供借鑒利用。應增強這方面的技術跟蹤，研究適合我國管道的評價技術，盡快開發(fā)適用于運行管理的軟件系統(tǒng)，提高我國管道運行的靠得住性和經(jīng)濟性⑵。為知足對現(xiàn)役管道在運行條件下整個輸油氣系統(tǒng)及各部份單元完整性進行評價的要求，能夠將完整性評價技術分為管道剩余強度評價技術、管道剩余壽命預測技術與管道風險評估技術等3個方面，這三方面內容一路組成管道完整性評價技術，其各自的邏輯關系見圖:管道完整性評價技術管道風險評估技術管道剩余強度評價技術風險計算管道失效后果計算模型管道失效概率計算模型含腐蝕缺陷型海底管道抗壓潰評價彌散型腐蝕損傷管的剩余強度評價鋼管焊縫嘛嘴應力計算與評價方法含裂紋型缺陷管道的剩余強度評價含體積型缺陷管道的剩余強度評價管道風險評估技術管道剩余強度評價技術風險計算管道失效后果計算模型管道失效概率計算模型含腐蝕缺陷型海底管道抗壓潰評價彌散型腐蝕損傷管的剩余強度評價鋼管焊縫嘛嘴應力計算與評價方法含裂紋型缺陷管道的剩余強度評價含體積型缺陷管道的剩余強度評價圖管道完整性評價技術內容及邏輯關系圖其中管道剩余強度評價技術，管道剩余壽命預測技術統(tǒng)稱為管道適用性評價技術。以下分為兩章來別離研究管道的適用性評價技術和風險評估技術。第二章管道適用性評價技術管道剩余強度評價方式含缺點管道剩余強度評價是在管道缺點檢測基礎上，通過嚴格的理論分析，實驗測試和力學計算，肯定管道的最大允許工作壓力和當前工作壓力下的臨界缺點尺寸，為管道的維修和改換，和起落壓操作提供依據(jù)，剩余強度評價的缺點類型包括五大類：1）體積型缺點，

如局部溝槽狀侵蝕缺點，片狀侵蝕缺點，局部打磨缺點等；2）平面缺點型，即裂紋型缺點，包括焊縫未熔合缺點，未焊透缺點，焊接裂紋，疲勞裂紋，應力侵蝕裂紋等；3）彌散損傷缺點，包括點侵蝕缺點，表面氫鼓泡裂紋等；4）幾何缺點，包括焊縫錯邊，焊縫噘嘴，管體不圓，壁厚不均等缺點；5）機械損傷缺點，主要由管道建造時的意外損傷及建筑施工，農(nóng)人耕地，人為破壞等原因造成的損傷，缺點類型包括表面凹坑，溝槽和凹坑+溝槽。剩余強度評價方式大體歸結為以下三種：1）基于大量含缺點管段水壓爆破實驗取得的半經(jīng)驗公式；2）基于彈塑性力學和斷裂力學理論的解析分析方式；3）有限元數(shù)值計算方式；4）基于含缺點管道的失效判據(jù)，結合概率和靠得住性理論，成立含缺點管道的概率剩余強度評價方式。含體積型缺點管道的剩余強度評價（概率剩余強度評價方式）概率剩余強度評價方式以能夠反映管道的真實情形為原則，考慮評價參數(shù)的不肯定性，將評價參數(shù)看做服從必然統(tǒng)計散布的隨機變量，以概率性數(shù)值輸入評價進程，然后通過計算含缺點結構的失效概率和靠得住性水平來評價結構的安全性。通過概率剩余強度評價，不僅能反映評價中參數(shù)的不肯定性，而且能夠給出含缺點管道失效概率的定量計算結果更能夠真實地反映含缺點結構的安全狀態(tài)。（1）局部侵蝕管道的極限承壓能力計算公式如下:計算結果更能夠真實地反映含缺點結構的安全狀態(tài)。（1）局部侵蝕管道的極限承壓能力計算公式如下:(2-1)p=2m「s[1t](2-1)LDL1-d」式中1(tMt)式中0--管道材料屈服強度，MPa；

mf一無量綱系數(shù)，取1.1；D--管道外徑，mm；t一管道名義壁厚，mm；d--缺點深度，mm；Mt-Folias因子（或稱鼓脹因子）。Mt用下式表達：M=(1+0.48九2)0..51.285L

九=—.DDt式中L一缺點長度，mm.（2）基于（2-1）式成立局部侵蝕管道狀態(tài)如下:z=^L1[1.t式中L一缺點長度，mm.（2）基于（2-1）式成立局部侵蝕管道狀態(tài)如下:z=^L1[1.t]-pDL1-d 」1叫)(2-2)式中P—管道設計壓力或工作壓力，MPa.（3）失效概率和靠得住度計算方式:局部侵蝕管道的失效概率計算模型為:Pf=JJf(d,L,t,D,m,,o,p)dddLdDdm,d。

式中f(d,L,t,D,m,,o,p)為變量d,L,t,D,mdp積分范圍：Z<0,o,p的聯(lián)合概率密度函數(shù)。在工程實際中，通過求解上述積分來取得管道的失效概率是超級困難的，采用蒙特卡洛模擬方式能夠有效的解決那個復雜的概率問題。蒙特卡洛模擬計算侵蝕管道失效概率和靠得住度的具體方式和步驟如下:G構造侵蝕管道的狀態(tài)函數(shù)，見公式(2-2)。?？隙╨,。,d,p等隨機變量的概率密度函數(shù)f(x)和概率散布函數(shù)F(x)。i0對每一個隨機變量，在［0,1］之間生成許多均勻散布的隨機數(shù)F(xj)：F(x)=Ixijf(x)dxij0ii式中i—變量個數(shù)，i=1，2,…八;j--模擬次數(shù)，j=1,2,3,…，N。對于給定的F(x「)，可由上式解出相應的x「。所以對于每一個變量x，每模擬一次能夠取得一組隨機數(shù)(x,x,x,,x)。i 1j2j3j nj0將每次模擬取得的隨機數(shù)代入公式(2-2)中，計算Z值。0若Z值小于0,計失效一次。0重復上述步驟，進行N次模擬，共計失效M次，則失效概率為：P=M/Nf靠得住度為：R=1-M/N將所求的失效概率匕與中，低，高風險性地域各自對應的可同意失效概率匕相對比，若Pf<PA，安全，若Pf>PA，則不安全。(4)評價參數(shù)的失效概率敏感性分析方式：采用敏感性系數(shù)方式來分析侵蝕管道各變量對失效概率的敏感性。隨機變量xi的敏感性系數(shù)概念如下：TOC\o"1-5"\h\za=C,C,C，…,C)

iQCx1x2x3 xnxi…P(Cx1,Cx2'…"JACx,,…,J)一PC1,Cx2,…，J，…,J)i ACxi式中ai一變量xi的敏感性系數(shù)；c.一隨機變量的變異系數(shù)。從物理意義上講，a反映了變量x的變異系數(shù)C的改變對失效概率轉i i xi變的相對奉獻。利用上述公式計算每一個變量的敏感性系數(shù)，就可以夠肯定出對侵蝕管道靠得住性影響的關鍵變量。含裂紋型缺點管道的剩余強度評價方式(基于FAD圖的管道失效概率和靠得住度計算方式)對含裂紋型缺點結構的管道的剩余強度評價，目前普遍采用失效評估圖(FAD)技術(見圖2-1)，該技術考慮了結構從塑性失穩(wěn)到脆性斷裂所有可能的破壞行為。為處置含裂紋管道評價參數(shù)的不肯定性，提出基于FAD圖的管道失效概率和靠得住度計算方式，其步驟如下：Q構造含缺點管道的極限狀態(tài)函數(shù)如下：(2-3)?？隙〝嗔秧g性，材料強度，缺點尺寸，載荷等隨機變量的概率密度函數(shù)f(xi)和概率散布函數(shù)F(xi)。0對每一個隨機變量，在［0,1］之間生成許多均勻散布的隨機數(shù)F(xj：F(x)=