油气管道完整性评价

1、油气管道完整性评价前 言目前我国油气管道大都进入“老龄期”，各种事故呈上升趋势。由于管子本身的老化、腐蚀及各种人为因素的破坏，管道事故频繁发生，严重影响了管道的正常运行和周围的自然环境。近几年，美国、俄罗斯、加拿大、英国、阿根廷、委内瑞拉等欧美国家发生过多起油气管道爆裂、泄漏事故，损失惨重，给社会造成极大影响。因此现役老管道存在着许多未知问题和不安全隐患，需要对整个管道系统进行完整性评价，以通过评价来了解管道现状，找到缺陷所在，提出提高系统可靠性的途径和维护措施。对老管道进行剩余寿命的评估与预测，能够保证管道在现有条件或升级情况下安全、平稳、经济地运行。目录第一章 概述1.1管道完整性管理及其

2、相关概念1.2管道完整性评价技术的研究现状1.3管道完整性评价技术的内容和目的第二章 管道适用性评价技术2.1 管道剩余强度评价方法2.2 管道剩余寿命预测方法第三章 管道风险评估技术3.1 管道失效概率计算模型3.2 管道失效后果计算模型3.3 风险计算第四章 管道完整性评价经济效益分析4.1 管道完整性管理模式及其经济效益评价方法4.2 评价方法的应用参考文献第一章 概述1.1管道完整性管理及其相关概念管道完整性是指管道始终处于安全可靠的服役状态。管道完整性管理是指对有影响管道完整性的因素进行综合的一体化的管理。管道完整性管理是国外油气管道工业中一个迅速发展的重要领域。1.1.1管道完整性

3、PI(Pipeline Integrity) 是指管道始终处于安全可靠的服役状态。包括以下内涵：管道在物理上和功能上是完整的；管道处于受控状态；管道运行商已经并仍将不断采取行动防止管道事故的发生。管道完整性与管道的设计、施工、运行、维护、检修和管理的各个过程密切相关。1.1.2 管道完整性管理PIM(PipelineIntegrity Management) 是指对所有影响管道完整性的因素进行综合的、一体化的管理。大体上包括以下内容：拟定工作计划、工作流程和工作程序文件；进行风险分析，了解事故发生的可能性和将导致的后果,制定预防和应急措施；定期进行管道完整性检测和评价,了解管道可能发生事故的原

4、因和部位；采取修复或减轻失效威胁的措施；培训人员,不断提高人员素质。管道完整性管理是一个与时俱进的连续的过程。这是因为管道的失效模式是一种时间依赖的模式。腐蚀、老化、疲劳、自然灾害、机械损伤等能够引起管道失效,随着岁月的流逝在不断地侵害着管道。因此,必须持续不断地对管道进行风险分析、检测、完整性评价、维修、人员培训等完整性管理工作。1.1.3 管道完整性评价PIA(PipelineIntegrity Assessment) 是指对可能使管道失效的主要威胁因素进行检测,据此对管道的适应性进行评估的过程3。当前全世界在用管道总量约有250104km,其中旧管道数量惊人。如何评价这些旧管道的状况,保

5、证安全、经济地运行,是管道完整性评价要解决的主要问题。确定管道完整性评价间隔期数据采集与分析风险分析与评估制定计划进行检测和完整性评价检修或采取其它措施获取完整的新资料考虑其它风险评价准则满足准则不满足准则无需采取措施图1标准中规定的管道完整性管理流程框图1.2 管道完整性评价技术的研究现状1.2.1国外研究现状 20世纪80年代前后，发达国家在二次世界大战之后兴建的大量油气输送管道开始逐步进入事故多发阶段，同时经济发展对能源需求的增长又需要建设新的管道，继续合理利用存在问题和带有缺陷的管道，避免和减少管道破坏给公众和环境带来的危害，改善管道与环境的兼容性，成为政府和管道公司关注的问题。为此，

6、各相关部门进行了大量的基础研究和应用技术研究，伴随着基础科学、材料科学、信息技术、计算机技术、监控技术、检测技术等科学技术的发展，在保证管道安全与经济的原则下，研究成果的作用和价值、实际效果已为政府、管道公司和社会所认可1。国外油气管道完整性评价技术是近几年发展起来的一项新技术，倍受管道运营公司的重视，研究进展较快。但是，在查阅有关管道技术文献资料和调查一些国际管道公司的具体做法时发现，目前国外评价管道完整性的方法基本上都是从不同角度、采用不同方法对造成管道完整性下降的某些因素如机械损伤、腐蚀、应力开裂等进行评价，没有形成一套全面、系统、科学的管道完整性评价技术和方法。1.2.2 国内研究现状

7、目前，国内油气管道完整性评价技术刚刚起步，许多研究领域尚属空白。对于现役老管道的评价主要采用无损检测技术(NDT)，在定量测量的基础上结合定性分析，确定各种缺陷的形状、尺寸及位置，并在此基础上进行管道的剩余寿命预测(即管道安全性评价)。但这种基于检测的管道安全评价技术缺乏对整个管道系统、各组成单元及设备的可靠性分析，没有给出如何提高管道系统或单元可靠性、降低各单体设备维修成本的具体措施。最近几年还兴起了油气管道的风险评估技术，它是利用管道运行的现场及历史统计资料，采取专家系统分解评分的方法，确定整个管道系统或某段管道的相对风险系数，风险系数越大，风险越小。管道的风险分析可以对管道风险做出评估，

8、找到为减少风险需要投入资金和改进运行管理的方向，把管道的风险限定在一个可以接受的水平上。但风险分析对实际运行管道的各种缺陷无法做出定量的描述，评分的人为主观性较大，存在一定的计算误差，实际应用有一定的局限性。因此，应该将管道的可靠性分析、检测评价和风险分析几项技术有机地结合起来，形成一整套管道完整性评价技术与方法，为管道的运行管理、检测、维修和更换提供全面、可行的科学依据和措施，提高现役管道运行的安全性和经济性2。1.3管道完整性评价技术的内容和目的 对管道工业而言，管道的完整性评价技术无论是现在还是将来都具有十分重要的工程意义，它是保证现役管道安全可靠运行必不可少和亟待开展的一项工作，其中现

9、役管道运行可靠性分析、管道检测与评价和管道风险分析（要修改的是三个主要的领域，在许多方面国内是刚刚起步，有些方面甚至是空白。但目前国外的研究进展很快，正朝着工程化、智能化、概率化和模糊化方向发展，有许多成熟的、精确的理论和方法可供借鉴利用。应加强这方面的技术跟踪，研究适合我国管道的评价技术，尽快开发适用于运行管理的软件系统，提高我国管道运行的可靠性和经济性2。为满足对现役管道在运行条件下整个输油气系统及各部分单元完整性进行评价的要求，可以将完整性评价技术分为管道剩余强度评价技术、管道剩余寿命预测技术与管道风险评估技术等3个方面，这三方面内容共同构成管道完整性评价技术，其各自的逻辑关系见图：管道

10、完整性评价技术 管道风险评估技术管道剩余寿命预测技术管道剩余强度评价技术钢管焊缝噘嘴应力计算与评价方法弥散型腐蚀损伤管的剩余强度评价含腐蚀缺陷型海底管道抗压溃评价含裂纹型缺陷管道的剩余强度评价含体积型缺陷管道的剩余强度评价管道失效概率计算模型管道失效后果计算模型风险计算机械损伤凹坑对管道疲劳寿命影响管道腐蚀可靠性寿命预测模型方法管道应力腐蚀开裂寿命的预测模型含缺陷管道疲劳寿命的预测模型点腐蚀弥散损伤管道损伤寿命预测管道土壤腐蚀速率的神经网络预测图1.2 管道完整性评价技术内容及逻辑关系图其中管道剩余强度评价技术，管道剩余寿命预测技术统称为管道适用性评价技术。以下分为两章来分别研究管道的适用性评

11、价技术和风险评估技术。第二章 管道适用性评价技术2.1 管道剩余强度评价方法含缺陷管道剩余强度评价是在管道缺陷检测基础上，通过严格的理论分析，试验测试和力学计算，确定管道的最大允许工作压力和当前工作压力下的临界缺陷尺寸，为管道的维修和更换，以及升降压操作提供依据，剩余强度评价的缺陷类型包括五大类：1）体积型缺陷，如局部沟槽状腐蚀缺陷，片状腐蚀缺陷，局部打磨缺陷等；2）平面缺陷型，即裂纹型缺陷，包括焊缝未熔合缺陷，未焊透缺陷，焊接裂纹，疲劳裂纹，应力腐蚀裂纹等；3）弥散损伤缺陷，包括点腐蚀缺陷，表面氢鼓泡裂纹等；4）几何缺陷，包括焊缝错边，焊缝噘嘴，管体不圆，壁厚不均等缺陷；5）机械损伤缺陷，主

12、要由管道建造时的意外损伤及建筑施工，农民耕地，人为破坏等原因造成的损伤，缺陷类型包括表面凹坑，沟槽以及凹坑+沟槽。剩余强度评价方法大体归结为以下三种：1）基于大量含缺陷管段水压爆破试验得到的半经验公式；2）基于弹塑性力学和断裂力学理论的解析分析方法；3）有限元数值计算方法；4）基于含缺陷管道的失效判据，结合概率和可靠性理论，建立含缺陷管道的概率剩余强度评价方法。2.1.1 含体积型缺陷管道的剩余强度评价（概率剩余强度评价方法）概率剩余强度评价方法以能够反映管道的真实情况为原则，考虑评价参数的不确定性，将评价参数看作服从一定统计分布的随机变量，以概率性数值输入评价过程，然后通过计算含缺陷结构的失

13、效概率和可靠性水平来评价结构的安全性。通过概率剩余强度评价，不仅能反映评价中参数的不确定性，而且能够给出含缺陷管道失效概率的定量计算结果，更能够真实地反映含缺陷结构的安全状态。（1）局部腐蚀管道的极限承压能力计算公式如下： PL= (2-1)式中 -管道材料屈服强度，MPa； -无量纲系数，取11； -管道外径，mm； 管道名义壁厚，mm； -缺陷深度，mm； -Folias因子（或称鼓胀因子）。用下式表达： 式中 -缺陷长度，mm.(2) 基于（2-1）式建立局部腐蚀管道状态如下： Z=-P （2-2）式中P管道设计压力或工作压力，MPa.（3）失效概率和可靠度计算方法：局部腐蚀管道的失效概

14、率计算模型为：Pf=dddddd积分范围：Z0式中 为变量的联合概率密度函数。在工程实际中，通过求解上述积分来获得管道的失效概率是非常困难的，采用蒙特卡洛模拟方法可以有效的解决这个复杂的概率问题。蒙特卡洛模拟计算腐蚀管道失效概率和可靠度的具体方法和步骤如下：构造腐蚀管道的状态函数，见公式（2-2）。确定,等随机变量的概率密度函数和概率分布函数。对每个随机变量，在0,1之间生成许多均匀分布的随机数： =d式中 -变量个数，=1，2，； -模拟次数，=1，2，3，。 对于给定的，可由上式解出相应的。所以对于每个变量，每模拟一次可以得到一组随机数。 将每次模拟得到的随机数代入公式（2-2）中，计算Z

15、值。 若Z值小于0，计失效一次。 重复上述步骤，进行N次模拟，共计失效M次，则失效概率为： Pf=M/N可靠度为： R=1- M/N将所求的失效概率Pf与中，低，高风险性地区各自对应的可接受失效概率PA相对比，若PfPA，安全，若PfPA，则不安全。（4）评价参数的失效概率敏感性分析方法：采用敏感性系数方法来分析腐蚀管道各变量对失效概率的敏感性。随机变量的敏感性系数定义如下： 式中 -变量的敏感性系数； -随机变量的变异系数。从物理意义上讲，反映了变量的变异系数的改变对失效概率变化的相对贡献。利用上述公式计算每个变量的敏感性系数，就可以确定出对腐蚀管道可靠性影响的关键变量。2.1.2 含裂纹型缺陷管道的剩余强度评价方法（基于FAD图的管道失效概率和可靠度计算方法）对含裂纹型缺陷结构的管道的剩余强度评价，目前普遍采用失效评估图（FAD）技术（见图2-1），该技术考虑了结构从塑性失稳到脆性断裂所有可能的破坏行为。为处理含裂纹管道评价参数的不确定性，提出基于FAD图的管道失效概率和可靠度计算方法，其步骤如下：构造含缺陷管道的极限状态函数如下： （2-3）确定断裂韧性，材料强度，缺陷尺寸，载荷等随机变量的概率密度函数和概率分布函数。对每个随机变量，在0,1之间生成许多均匀分布的随机数： =d式中