基于管道完整性管理的燃氣管道失效控制

羅 慶楊 岐

（1.四川華油集團有限責任公司，四川 成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

0 引言

在大力推進燃氣行業(yè)可持續(xù)跨越發(fā)展的環(huán)境下，燃氣管道里程不斷增長。同時，管道失效造成的各類事故也為各燃氣企業(yè)的安全管理敲響了警鐘，如何從被動搶險變?yōu)橹鲃涌刂迫細夤艿朗С蔀楦魅細夤镜牡墓芾碇攸c?；陲L險的管道完整性管理理念越來越被各大燃氣企業(yè)所接受，在現(xiàn)有燃氣管道完整性管理相關標準缺失的情況下，如何利用有限的資金、人力進行燃氣管道失效控制成為企業(yè)面臨的一大難題。

1 燃氣管道完整性管理

1.1 燃氣管道和輸氣管道的主要差異

現(xiàn)有的石油天然氣管道完整性管理流程不能完全照搬作為燃氣管道的完整性管理流程，因為通過調查和研究發(fā)現(xiàn)石油天然氣管道與燃氣管道存在許多不同之處，其主要區(qū)別如表1所示。

表1 輸氣管道與燃氣管道主要差異表

1.2 燃氣管道完整性管理流程

針對燃氣管道和輸氣管道之間的主要差異，燃氣管道完整性管理流程可以按圖1進行。

2 管道失效事故后果分析

2.1 管道失效事故后果影響范圍

管道失效事故后果影響范圍指的是當管道發(fā)生失效后，有可能造成相應事故后果的區(qū)域。管道失效事故后果影響范圍可由管道潛在影響半徑確定。對于以天然氣為輸送介質的管道，可按式（1）計算：

圖1 燃氣管道完整性管理流程圖

式中，d為管道外徑，mm；p為管段最大允許操作壓力，MPa；r為受影響區(qū)域的半徑，m。

從式（1）可以看出，管道失效事故后果影響范圍隨著管道運行壓力的增加而增大，隨著管道外徑的增加而增大。

2.2 管道失效事故后果嚴重程度

管道失效事故后果嚴重程度指的是當管道由于失效而可能造成的危害影響程度。失效后果分值[1]可由式（2）計算得出。

2.2.1 燃氣危害性評估分值

天然氣的主要危害氣體成分為甲烷和一氧化碳，按照美國道化學公司的危害分值取值方法[2]，甲烷和一氧化碳的危害性評估分值分別為7和1。

2.2.2 人口密度分值

可根據(jù)GB50028《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中劃分的4種管道地區(qū)等級對應的人口密度分值來取值，即一級地區(qū)、二級地區(qū)、三級地區(qū)和四級地區(qū)分別對應人口密度分值為1～4。

2.2.3 泄漏分值

以管道斷裂作為最嚴重的泄漏情況來進行泄漏分析。首先計算出泄漏的質量，其計算公式如式（3）所示。

式中，Q為質量流量，kg／s；Cd為泄漏系數(shù)，圓形截面取1；A為孔口截面積，m2；P為管道內介質壓力，Pa；K為氣體絕熱指數(shù)，天然氣取1.3；M為分子量，天然氣取0.017 kg／mol；R為氣體常數(shù)，取8.31 J／（mol·K）；T為氣體溫度，K。

管道斷裂的情況下，泄漏部分的橫截面積為管道橫截面積的2倍，泄漏速率（Qeff）可由式（4）計算而得。

式中，λ為泄漏率延遲因子，取1。

計算出10 min內的泄漏質量后，可按照Muhlbauer W Kent的判定法[2]（表2）用插值法確定泄漏分值。

表2 泄漏分值表

按照以上方法，通過計算可得到如圖2、圖3所示的結果。從圖2可以看出，泄漏分值在管道運行壓力不變的情況下，會隨著管道壓力的增加而減小。從圖3可以看出，泄漏分值在管道管徑不變的情況下，會隨著管道壓力的增加而減小。

圖2 泄漏分值隨管徑變化趨勢圖（管道壓力為0.3 MPa）

根據(jù)式（2）可以看出：泄漏分值越小，失效后果分值越大；人口密度分值越大，失效后果分值越大。綜上所述，隨著管道的管徑、工作壓力和地區(qū)等級的增高，管道失效后果分值會隨著增大，管道失效后果也會越來越嚴重。

圖3 泄漏分值隨管道運行壓力變化趨勢圖（管徑為100 mm）

3 管道失效概率分析

由于外部因素造成的管道失效作為隨機事件在此處不做過多討論。對于腐蝕造成的管道失效，其失效概率可以考慮為管道的應力大于管道屈服強度情況下的概率，即結構功能函數(shù)Z＜0時的概率[3]?？梢栽Oσe為管道所受載荷產生的等效應力，σs為管道材料的屈服強度，由Mises屈服準則得出管道的結構功能函數(shù)Z。

式中，σe為管道所受載荷產生的等效應力，MPa；σs為管道材料的屈服強度，MPa；σc為管道受到載荷所產生的環(huán)向應力，MPa；σv為管道受到載荷所產生的縱向應力，MPa；T為管道的服役年限；p為管道介質的工作壓力，MPa；D為管道的外徑，mm；δ為管道的壁厚，mm；χ為管道軸向曲率，m-1；W為管道受到的垂直載荷，kN；Δt為管道安裝與工作時的溫度差，℃；Kb為管道的彎曲系數(shù)；Kz為管道基座系數(shù)；Ep為管道彈性模量；υp為管材泊松比；ξ為土體約束系數(shù)；α為熱膨脹系數(shù)，℃-1；k為腐蝕乘數(shù)；n為腐蝕指數(shù)。

結構功能函數(shù)Z＜0時的管道失效概率可表示為：

式（7）為多變量非線性函數(shù)，用直接計算法求解十分困難，可考慮采用蒙特卡洛法等方法進行求解。由于國內管道數(shù)據(jù)失效數(shù)據(jù)庫建立時間短，為簡化計算，可以設其變量均符合高斯分布，參考國內外相關文獻選取變異系數(shù)及均值系數(shù)[3-6]。

從圖4可以看出：管道投運后，失效概率在逐年增加；當管道投運超過20年后，失效概率的增幅明顯增大。

圖4 管道失效概率隨管道投運年限的變化圖

從圖5可以看出：管道投運初期，隨著管道投運年限的增加，管道工作壓力對管道失效概率的影響增大；當管道投運超過6年后，管道工作壓力對失效概率的影響降低，而腐蝕指數(shù)迅速增加并成為導致管道失效的主要因素；管道投運超過15年后，影響管道失效的主要因素是腐蝕指素和管道的工作壓力。

圖5 各參數(shù)重要性隨管道投運年限的變化圖

4 管道失效控制

管道完整性管理是基于風險控制建立的，也就是說將關口前移，提前進行風險識別并制定相應的控制措施。但針對燃氣企業(yè)盈利水平的不同，不可能對所有管道采取同樣的完整性管理投入。此時，我們需要針對管道事故后果影響范圍及程度、失效概率的高低，分輕重緩急，針對不同重要性的管道開展對應的完整性管理工作，并采取對應的管道失效控制措施。

4.1 優(yōu)先考慮進行失效控制的管道

通過對管道事故后果和失效概率的分析，建議優(yōu)先對以下燃氣管道進行失效控制：四級地區(qū)的高壓、次高壓管道；氣源管道；潛在影響半徑內有學校、醫(yī)院和監(jiān)獄等無法及時疏散人群的建筑的管道；潛在影響半徑內有重要公共建筑的管道；服役時間在15年以上的鋼質管道。

除去以上情況，其余管道可按照管道的運行壓力、管徑從高到低的順序來優(yōu)先開展失效控制工作。

4.2 失效控制措施

4.2.1 腐蝕失效控制

1）管道外防腐層修復

采用管道PCM檢測查找管道外防腐層破損點，按管道逐條梳理并進行數(shù)據(jù)分析，同時將破損點列入修復整改計劃。

對于檢測發(fā)現(xiàn)的破損點可考慮以下方式進行處理：① 在破損點上下游各挖1 m對破損點進行修復，同時尋找是否存在未檢測到的破損點（某點破損嚴重時將掩蓋周邊輕微破損點的信號）。當整條管道防腐層破損嚴重時，防腐層修復工作量過大，修復成本接近或超過新建管道時，建議對管道進行整體更換。② 瀝青防腐且投運年限10年以上的管道有可能存在瀝青防腐層大面積蜂窩狀銹蝕情況，因瀝青開裂吸水點較多會逐步造成防腐層與母材剝離。此種情況下，開挖修復工作量巨大，建議在有條件的情況下進行整段更換。

2）陰極保護系統(tǒng)修復

對于沒有陰極保護系統(tǒng)的管道，可以分層級考慮對其加裝陰極保護系統(tǒng)來防護；管道加裝了陰極保護系統(tǒng)的，要對陰極保護系統(tǒng)的有效性進行評價并對評價結果無效的系統(tǒng)進行修復。

3）非金屬管道替代

在雜散電流干擾較大的地方埋地鋼制管道，由于外腐蝕發(fā)生失效的概率更大且加裝的陰極保護系統(tǒng)不能很好地作用于金屬管道，這種情況下可以考慮使用非金屬管道進行替代。

4.2.2 第三方破壞失效控制

1）建立信息聯(lián)動機制

加強頂層溝通，深化逐級聯(lián)動，建立重點管線的聯(lián)管保護機制，將控制管控前移。建立“三級聯(lián)動”模式：“企民聯(lián)動”，巡線工每月與小區(qū)物管、居民聯(lián)系，在小區(qū)門口張貼個人信息名牌、發(fā)放名片，實現(xiàn)點對點的信息傳輸，及時獲取施工信息；“企企聯(lián)動”，建立聯(lián)系花名冊，記錄電信、電力、聯(lián)通、物管、社區(qū)等相關人員的電話，定期更新，保證溝通信息的良好傳遞；“政企聯(lián)動”，公司緊密聯(lián)系政府、參與政府召開的協(xié)調會議，獲取施工信息，共同解決市民保供、隱患處置等協(xié)調問題。

2）強化管道巡護的培訓工作

可以考慮采取“五級培訓”，即公司、部門、班組、業(yè)務承包單位以及片區(qū)相結合的方式開展管道管理培訓。保證全時間段覆蓋，達到“日日現(xiàn)場學習，月月片區(qū)考核，季度集中學習”的程度。

3）建立信息化系統(tǒng)

建立并應用GIS信息系統(tǒng)，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有管線及地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓撲關系的一體化管理，為燃氣管網(wǎng)的第三方施工聯(lián)動及監(jiān)控提供準確可靠的數(shù)據(jù)。

4.2.3 自然災害失效控制

燃氣公司應建立相應的自然災害敏感點清單，針對清單的敏感點位置制定相應的控制措施和巡查頻次。在小區(qū)內有可能發(fā)生地面沉降的位置也可以考慮運用軟連接的方式來降低地面沉降對管道的應力影響。

5 結束語

燃氣管道失效管理已成為燃氣企業(yè)發(fā)展面臨的難題，隨著科學技術的不斷發(fā)展，管道泄漏定位技術已經不斷創(chuàng)新和改進，定位工作的效率和質量大大提高。但想要真正做到控制管道失效的發(fā)生，燃氣企業(yè)還需要按照基于風險的管理理念，逐步完善管道失效數(shù)據(jù)庫，按科學合理的方法分輕重緩急實施管道失效控制。