輸氣干線系統(tǒng)失效模式研究

謝青青

摘 要：管道輸氣已經(jīng)成為世界上天然氣輸送的最主要方式，也是一種高效和安全的輸送方式，其運(yùn)行可靠性對(duì)于世界的能源供應(yīng)起著重要的作用。輸氣干線系統(tǒng)中各個(gè)基本單元的失效模式研究作為可靠性分析的基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)分析整體系統(tǒng)可靠性有重要意義。管道單元、壓氣站單元以及自控系統(tǒng)是輸氣干線系統(tǒng)中的基本單元，而輸氣干線系統(tǒng)中不同基本單元的失效模式各不相同，所以需要在系統(tǒng)基本組成單元失效模式的定義與基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，對(duì)單元的失效模式分別進(jìn)行研究。今后在進(jìn)行輸氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)時(shí)，需要明確各個(gè)單元的失效模式，以對(duì)系統(tǒng)可靠性作出最為準(zhǔn)確的判斷

關(guān) 鍵 詞：輸氣干線系統(tǒng)；失效模式；管道單元；壓氣站單元

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1711-04

Research on the Failure Mode of Transmission System

XIE Qing-qing

（China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 100249，China）

Abstract： Using pipeline to transport gas has become the main way of gas transportation in the world， and it also is a kind of efficient and safe way of transportation. At the same time， the operation reliability of transmission system plays an important role for the world's energy supply. Failure mode research on each basic unit of the transmission system as the basis of reliability analysis is important for analysis of the overall system reliability. Transmission system consists of pipeline unit， compression station unit and control system， and the failure modes of each unit are not the same. As a result， it is necessary to define the failure modes of each unit before analyzing. For further research on the reliability assessment of transmission system， it is necessary to make the failure mode of each unit clear and definite in order to judge the reliability of the system.

Key words： transmission system；failure mode；pipeline unit；compression station unit

目前，運(yùn)用管道輸氣已經(jīng)成為世界上輸送天然氣的最主要方式，也是一種高效安全的輸送方式。天然氣管網(wǎng)對(duì)天然氣生產(chǎn)和供應(yīng)非常重要，因?yàn)橐坏┕芫W(wǎng)發(fā)生故障，就會(huì)直接影響天然氣氣田生產(chǎn)以及供氣質(zhì)量。隨著我國(guó)天然氣管道的迅速發(fā)展，到目前為止已經(jīng)建成并運(yùn)營(yíng)的天然氣輸送管線總長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了4萬(wàn)km，天然氣管道運(yùn)行可靠性已得到高度重視[1]。天然氣管輸工藝流程雖然不復(fù)雜，但由于使用各種控制儀表和自動(dòng)化裝置，以及天然氣為易燃易爆介質(zhì)等原因，使得管道系統(tǒng)從工藝以及設(shè)備來(lái)看，需要較高的可靠性水平。如果發(fā)生事故，很可能是災(zāi)難性的，不僅污染環(huán)境，最主要的是會(huì)影響到天然氣的供給。因此，對(duì)天然氣管道系統(tǒng)中各個(gè)單元的失效模式研究十分必要。

輸氣干線系統(tǒng)的失效模式研究是指將輸氣干線系統(tǒng)分為獨(dú)立的單元——管道單元、壓氣站單元、自控系統(tǒng)單元進(jìn)行分析研究。輸氣干線系統(tǒng)的失效模式研究可以為設(shè)計(jì)人員、管理人員提供改進(jìn)和管理管道的依據(jù)，使他們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和系統(tǒng)行為有更加深入的了解。

1 管道單元失效模式

管道單元“失效”一般是指管道發(fā)生故障而不能發(fā)揮原有功能的現(xiàn)象，也就是說(shuō)失效是指管道單元部分或完全失去輸氣能力的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以分為異常失效和自然失效兩種情況。其中自然失效就是在管道使用周期達(dá)到使用壽命時(shí)，而發(fā)生失效的現(xiàn)象；異常失效是指由于管道在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題而導(dǎo)致的失效，例如人為誤操作、自然災(zāi)害、腐蝕等導(dǎo)致的失效。管道單元失效具體表現(xiàn)形式就是管道單元的失效模式。一般來(lái)說(shuō)，輸氣管道單元的失效模式主要包括：腐蝕、斷裂和變形。管道單元主要的失效因素已在表1中列出。

表1 管道單元主要失效模式[2]分類

Table 1 Main failure modes classification of pipeline unit

失效因素 具體因素

斷裂 韌性斷裂

脆性斷裂

變形 膨脹、伸長(zhǎng)、凹坑

外力引起的壓扁

焊接引起的過(guò)度變形

泄漏 機(jī)械損傷、腐蝕損傷

管道單元的失效主要取決于管道本身和外界這兩類因素。其中，管道單元本身主要是指管道自身質(zhì)量，包括鋼管自身質(zhì)量、防腐層的質(zhì)量以及施工好壞等。外界因素主要指使用條件如輸送氣體成分、氣體溫度以及氣體壓力等，還包括管道外界環(huán)境，如管道所經(jīng)地區(qū)等級(jí)、土壤性質(zhì)等。失效模式隨著管道所處的內(nèi)外部條件的不同而不同，需依據(jù)實(shí)際情況加以分析。

1.1 斷裂

（1）韌性斷裂。在制造管道過(guò)程中，金屬材料中很有可能會(huì)存在裂紋等常見(jiàn)缺陷，隨著管道的運(yùn)行，管道整體或局部在進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較為明顯的塑性變形，使得管道裂紋擴(kuò)展。管道裂紋的擴(kuò)展會(huì)使得管道的宏觀形狀發(fā)生變化，如果這種變形沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，塑性變形將會(huì)繼續(xù)積累。當(dāng)管道的塑形變形的能力達(dá)到極限值，管道就會(huì)發(fā)生通常意義上的韌性斷裂。

（2）脆性斷裂。脆性斷裂通常是指管道在沒(méi)有經(jīng)過(guò)明顯的變形的情況下，直接發(fā)生斷裂。斷裂時(shí)在管道上幾乎看不到管道的塑性變形，塑形變形是指：直徑增大、壁厚減薄等現(xiàn)象。管道在脆性斷裂時(shí)常常會(huì)形成碎片，這是脆性斷裂的特定，通常發(fā)生在溫度較低的情況下。管材本身具有的脆性是引起管道脆性斷裂的最重要原因。目前在我國(guó)這樣的氣候條件下，隨著國(guó)內(nèi)冶金水平的提高，一般都不具備發(fā)生脆性斷裂的條件。輸氣管道的斷裂模式會(huì)直接地影響管道的質(zhì)量，還會(huì)影響其安全可靠性、使用壽命。關(guān)于這方面的研究國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)做了很多，而且還在深入。

1.2 變形

輸氣管道變形包括：（1）由于管道過(guò)熱或者負(fù)荷過(guò)載而引起的管道管體的膨脹、伸長(zhǎng)、凹坑等現(xiàn)象；（2）外力引起的壓扁；（3）焊接引起的變形。本文所指變形是由于管道的變形影響正常輸氣時(shí)的變形，不包括管道的破裂，僅僅指管道形狀的改變。

地下管道的變形特征會(huì)受很多因素的影響，周圍的土質(zhì)以及上部載荷等都會(huì)影響管道變形特征。管道上部載荷大小、管道之間相對(duì)位置關(guān)系以及管道的埋深等因素，都在一定程度上影響著管道位移分布、管道受力狀態(tài)[3]。為此，應(yīng)加強(qiáng)管道地下部分的監(jiān)控，防止管道因過(guò)度變形而導(dǎo)致故障。

1.3 泄漏

泄漏主要包括兩種情況：即管道機(jī)械損傷引起的泄漏；管道腐蝕損傷引起的泄漏。泄露這種故障模式是輸氣管道中最為常見(jiàn)的故障模式。目前調(diào)查研究表明，導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏的原因主要有管道腐蝕、管道機(jī)械損傷以及第三方損害管道。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)腐蝕管道泄漏的研究較為深入，已經(jīng)形成管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性理論，建立了結(jié)構(gòu)可靠性模型。對(duì)于機(jī)械損傷等其他因素導(dǎo)致的管道泄漏目前只停留在事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)階段，具體的研究還不是太深入。

1.4 復(fù)合失效因素

在實(shí)際情況中，以上三種管道失效模式存在轉(zhuǎn)換，例如管道失效開(kāi)始時(shí)可能是孔洞泄漏，隨后由于某種原因逐漸發(fā)展成管道斷裂。由于不同的失效模式之間相互關(guān)聯(lián)，所以要及時(shí)找出管道中存在缺陷的部位，及時(shí)進(jìn)行維修，防止發(fā)生重大事故。

具體的管道單元失效形式通常是復(fù)雜的，往往是上述幾種管道失效模式的組合[4]導(dǎo)致的復(fù)合失效。以下較為全面地總結(jié)了管道發(fā)生故障的原因，通常輸氣管道失效因素可劃分為六種：外部干擾因素、腐蝕因素、材料缺陷因素、設(shè)備因素和操作因素以及其他原因，如表2所示。

表2 管道失效因素分類[3]

Table 2 Classification of pipeline failure factors

輸氣管道失效因素 具體因素

外部干擾 第三方造成的機(jī)械損傷，通常是人為的

地面壓力造成的疲勞失效

地震等自然災(zāi)害造成的管道損壞

腐蝕 內(nèi)腐蝕：由輸送介質(zhì)引起

外腐蝕：由外部環(huán)境引起

焊接和材料缺陷 焊接缺陷

材料缺陷

設(shè)備和操作 設(shè)備故障

違章操作

其他原因 未知原因

管道失效后其氣體損失量的大小以及后果由管道的失效模式及失效原因共同決定，劃分為四種氣體損失情況：微孔泄漏、孔洞泄漏、管道斷裂、漏氣爆炸。微孔泄漏和孔洞泄漏是管道失效后果較輕的情況，但微孔和孔洞泄漏總會(huì)演變?yōu)楣艿赖拈_(kāi)裂，產(chǎn)生嚴(yán)重后果，在可靠性分析中應(yīng)注重分析其經(jīng)濟(jì)損失。

2 壓氣站單元失效模式

壓氣站單元是輸氣干線管道系統(tǒng)中輸氣站場(chǎng)最重要的組成部分。本文對(duì)管道輸氣站場(chǎng)失效模式的分析重點(diǎn)放在對(duì)壓氣站單元失效模式的評(píng)定上。壓氣站單元失效是指壓氣站不能在規(guī)定的條件下完成規(guī)定的任務(wù)，即壓氣站單元部分或者完全失去輸氣能力的現(xiàn)象。壓氣站正常運(yùn)行與否會(huì)直接影響到天然氣的輸送，因此必須保障壓氣站的運(yùn)行安全[4]。對(duì)壓氣站中存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究，對(duì)提高壓氣站管理水平與維護(hù)水平具有重要的意義。

與管道單元相似，壓氣站的失效模式通常是指壓氣站失效的表現(xiàn)形式。一般認(rèn)為壓氣站可分為表3所示的四個(gè)子系統(tǒng)，表中還列出了其失效因素。

表3 壓氣站內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)失效模式[5]

Table 3 Failure modes of compressor station subsystem

壓氣站的內(nèi)部單元 失效模式

清管區(qū)失效 泄漏、破裂

壓氣區(qū)失效 流體振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、故障停機(jī)

閥門失效 泄漏

卡滯、閥體破裂、振動(dòng)

工藝管道失效 斷裂、變形、泄漏

下面分別對(duì)壓氣站內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的失效模式及其后果進(jìn)行分析。

2.1 清管區(qū)

收發(fā)清管球是清管器收發(fā)區(qū)的作用，因此對(duì)清管區(qū)進(jìn)行分析即是對(duì)收發(fā)裝置進(jìn)行分析。

清管區(qū)包含清管球、閥門、收發(fā)球筒等部件，其中收發(fā)球筒的故障模式主要是泄漏和破裂，其主要故障原因總結(jié)如下：（1）清管器材質(zhì)不是耐腐蝕性材質(zhì)；（2）材料的熱處理效果差；（3）閥門或者法蘭泄漏；（4）儀表、安全泄壓等裝置使用時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致的失靈；（5）清管區(qū)的操作規(guī)程不正確，沒(méi)有日常維護(hù)程序。清管區(qū)失效會(huì)影響清管器的收發(fā)，一般情況下不會(huì)對(duì)輸氣系統(tǒng)造成太大的影響，但是如果清管區(qū)發(fā)生爆炸，就會(huì)造成嚴(yán)重后果。

2.2 壓氣區(qū)

壓氣區(qū)主要組成部分有：壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中帶動(dòng)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要有兩種：電動(dòng)輸氣機(jī)組和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)組。壓氣區(qū)失效因素主要包括機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)和故障停機(jī)這三種情況。

機(jī)械振動(dòng)是指設(shè)備內(nèi)轉(zhuǎn)子、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器等零件的機(jī)械振動(dòng)；流體振動(dòng)則是指由于某種原因?qū)е铝髁肯陆刀鴮?dǎo)致的壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振的現(xiàn)象。

這兩種故障模式會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)出口流體流動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化，從而影響干線輸氣系統(tǒng)的輸氣能力。故障停機(jī)是最嚴(yán)重的故障事故，是指直接導(dǎo)致整個(gè)壓氣站的停運(yùn)的故障，如供電系統(tǒng)崩潰、壓縮機(jī)組故障停機(jī)。下面對(duì)離心式壓縮機(jī)組的壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)兩個(gè)組成部分的失效因素做詳細(xì)描述：（1）壓縮機(jī)失效：壓縮機(jī)安裝不平衡；潤(rùn)滑油管堵塞；軸承間隙不當(dāng)；葉片加工質(zhì)量差；齒面疲勞點(diǎn)蝕；氣道內(nèi)落入雜志或者異物；電機(jī)故障等。（2）燃?xì)廨啓C(jī)失效：點(diǎn)火不通；軸承等熱處理差；管路冰堵；過(guò)載；噴嘴霧化不良；電路故障。

壓氣區(qū)是壓氣站內(nèi)最重要的部分，它的失效有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)壓氣站的停運(yùn)，應(yīng)從日常檢修和維護(hù)中提高其可靠性水平，以預(yù)防性維護(hù)來(lái)防止較大事故的發(fā)生。

2.3 閥門

閥門的失效模式對(duì)于閥門的可靠性研究具有重要意義。Lchakrabot在文獻(xiàn)[6]中介紹了閥門可靠性的評(píng)估方法：統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和參數(shù)法。壓氣站單元中的閥門主要分為4大類：全站閥、機(jī)組閥、狀態(tài)閥、護(hù)站閥，閥門的故障模式主要是閥門振動(dòng)、閥門卡死和閥門泄漏。導(dǎo)致各種故障模式的原因如下：

（1）閥門卡死：主要是指閥桿活動(dòng)受阻，有物理原因和化學(xué)原因兩種：應(yīng)力蠕變?cè)斐傻拈y桿彎曲變形，這屬于物理原因；化學(xué)原因造成閥門導(dǎo)桿與導(dǎo)向件之間摩擦力過(guò)大，化學(xué)因素主要有腐蝕。閥門卡死會(huì)造成閥門前后的壓力變化，影響氣體流動(dòng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響整個(gè)站場(chǎng)的運(yùn)行。

（2）閥門泄漏：閥門泄漏主要包括內(nèi)部泄漏和外部泄漏兩種情況，原因是密封失效。失效因素有：閥門內(nèi)部密封接觸面磨損或腐蝕造成缺陷；內(nèi)部緊固件松動(dòng)；密封件未壓緊等。閥門的泄漏在情況較輕是會(huì)造成大量流體損失，同時(shí)會(huì)造成能源損耗、環(huán)境污染，在情況較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)釀成重大事故，造成不可收拾的場(chǎng)面。

（3）閥門振動(dòng)：介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)使得管道和閥門產(chǎn)生振動(dòng)，這是閥門振動(dòng)失效的主要原因，同時(shí)閥門的過(guò)度節(jié)流會(huì)導(dǎo)致其輸出信號(hào)不確定而產(chǎn)生振動(dòng)，如果閥門的頻率與系統(tǒng)頻率接近，就會(huì)產(chǎn)生共振，這也會(huì)造成閥門震動(dòng)失效。

（4）閥體破裂：閥體破裂失效的原因有：閥門材質(zhì)內(nèi)部存在砂眼、氣孔；鑄造局部強(qiáng)度未達(dá)到要求；閥門振動(dòng)使得其自身出現(xiàn)裂紋；在低溫下閥體被凍裂等。

總之，閥門的失效模式主要有卡滯、泄漏和振動(dòng)這三種，應(yīng)當(dāng)從理論角度對(duì)閥門的具體失效模式進(jìn)行分析研究，提出提高閥門自身可靠性的方法。與此同時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)和使用閥門過(guò)程中采集數(shù)據(jù)，對(duì)閥門失效機(jī)理展開(kāi)深入研究。

2.4 工藝管線

壓氣站工藝管道按照敷設(shè)方式分為地面管道和埋地管道兩種，這兩種管道的失效模式相似，區(qū)別在于埋地管道只會(huì)受到土壤腐蝕，而地面管道只會(huì)受到大氣腐蝕。站內(nèi)管線的失效模式同干線輸氣管道的失效模式相同，也分為斷裂、泄漏和變形，在這里不做贅述。引起站內(nèi)管線失效的因素有：管道材質(zhì)不耐腐；無(wú)泄壓裝置；內(nèi)涂層失效；陰極保護(hù)失效；管道焊口組對(duì)差或者沒(méi)有焊透；管道搬運(yùn)中受損；未考慮壓力波動(dòng)；設(shè)計(jì)不合理等。

3 自控系統(tǒng)單元失效模式

自控系統(tǒng)是干線輸氣系統(tǒng)中實(shí)行監(jiān)控以及管理的系統(tǒng)，能夠?yàn)榭煽啃苑治鎏峁?shù)據(jù)來(lái)源。自控系統(tǒng)的可靠性水平不僅僅取決于系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)，還取決于系統(tǒng)軟件的通信設(shè)備，這一點(diǎn)不同于管道單元以及壓氣站單元。以下是輸氣干線系統(tǒng)中自控系統(tǒng)單元主要的失效模式：

（1）誤操作，使SCADA系統(tǒng)無(wú)法操作管道主系統(tǒng)；

（2）不能同應(yīng)用軟件傳輸或交換正確數(shù)據(jù)；

（3）不能向硬、軟件存儲(chǔ)或調(diào)出數(shù)據(jù)；

（4）丟失數(shù)據(jù)故障。

4 結(jié) 論

本文是輸氣管道干線系統(tǒng)可靠性研究前的一篇探究性文章，可為今后深入研究輸氣系統(tǒng)可靠性提供參考與指導(dǎo)。建議在今后在對(duì)干線天然氣管道可靠性評(píng)價(jià)前，細(xì)致研究系統(tǒng)的失效模式，將每個(gè)單元的失效可能性進(jìn)行量化，并利用管道系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件來(lái)計(jì)算，提高計(jì)算速度與精度。

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（上接第1710頁(yè)）

采用大變形鋼管或增加壁厚的方法提高管道的許用應(yīng)變，保證其適應(yīng)土壤位移的能力。

5）加強(qiáng)凍土區(qū)管道沿線的溫度和位移檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行安全性校核。

3 結(jié)束語(yǔ)

凍土區(qū)管道的安裝與運(yùn)行面臨著諸多的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究，尤其針對(duì)典型的危害形式取得了一定的成果，給出了基于數(shù)值計(jì)算或解析推導(dǎo)的管道設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)了大量的工程防護(hù)措施，對(duì)工程實(shí)際有一定的指導(dǎo)作用。但同時(shí)需要意識(shí)到，凍土管道是具有重大戰(zhàn)略意義的復(fù)雜系統(tǒng)工程，還有許多問(wèn)題解決，這需要政府與大型石油企業(yè)重視并長(zhǎng)期資助相關(guān)科研單位、院所進(jìn)行攻關(guān)研究。

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