基于可靠性方法的輸氣管道安全性評價分析

胥琴，姜旭，劉少東，張瀟涵，馬偉平

1.中油國際管道有限公司 中緬油氣管道項目（北京 100029）2.中國石油天然氣銷售 陜西分公司（陜西 西安 710000）3.中國石油天然氣銷售 廣西分公司（廣西 南寧 530000）4.甘肅中石油昆侖燃氣工程設計（咨詢）有限公司（甘肅 蘭州 730000）5.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

高寒、極地、沙漠等惡劣環(huán)境對管道設計和運行安全性提出更高要求[1]。國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》對于高鋼級、大口徑、高壓力輸氣管道是否適用，壁厚設計值能否保證管道系統(tǒng)的安全性需要深入研究[2]。我國在超大輸量天然氣管道設計、施工和運行方面經驗還不完善[3]。管道設計除保證管體機械強度和承壓能力，還應考慮管道服役中第三方破壞、腐蝕、材料制造與施工缺陷等失效因素的不確定性。本研究采用基于可靠性的設計與安全性評價方法，計算了西氣東輸二線、中俄東線天然氣管道的目標可靠度和失效概率，探討了GB 50251—2015 對于高鋼級、大口徑、高壓力輸氣管道的適用性，提出新建大型輸氣管道工程設計的合理化建議。

1 管道設計系數(shù)物理意義

我國天然氣管道按照基于第三強度理論的應力準則，即管道內壓產生的環(huán)向應力應小于等于管材許用應力，許用應力是管材最小屈服強度與設計系數(shù)的乘積。設計系數(shù)是將管材、施工、運行等方面的不確定性集中表征為一個經驗系數(shù)，不能真實反映管材性能及管道施工與運行維護水平。隨著管材性能、制造以及管道施工、運行技術進步，與設計系數(shù)相關的不確定因素降低，采用設計系數(shù)的理念存在一定局限性[4]。

式中:σ為管壁環(huán)向應力，MPa；p為管道輸送壓力，MPa；D為管徑，mm；t為壁厚，m；[σ] 為管材許用應力，MPa；F為設計系數(shù)；σy為管材最小屈服強度，MPa。

2 可靠性設計與評價方法研究現(xiàn)狀

為解決單一設計系數(shù)的局限性，國外提出基于可靠性的設計與評價方法，基本思想是定量計算和分析管道極限狀態(tài)下的載荷和抗力不確定性因素，針對管道實際失效形式進行設計和評價，避免不合理或過于保守設計，保證管道設計、材料、施工、運行和操作原則的統(tǒng)一性[5]。自20 世紀60年代，美國機械工程師協(xié)會（ASME）、英國天然氣公司和國際管道協(xié)會研究建立了含腐蝕缺陷管道剩余強度評價和壽命預測方法[6]，在此基礎上，國外管道可靠性設計與安全性評價方法已形成系統(tǒng)的、成熟的通用技術，已制定國際標準ISO 16708—2006《管道輸送系統(tǒng)-基于可靠性的極限狀態(tài)方法》。加拿大國家標準CSA Z662—2015《油氣管道系統(tǒng)》中規(guī)定了陸上非酸性天然氣管道基于可靠性的設計和評估方法?？煽啃苑椒ㄒ褢糜诟吆O地、山區(qū)和地震斷裂帶等特殊環(huán)境管道設計，以及應用于在役管道提高運行壓力和輸量的安全性評估，例如英國BPNorthstar 管道，加拿大Enbriidge-Norman Well 管道采用了基于應變的設計方法[7]。

2004年我國西氣東輸二線穿越強震區(qū)和活動斷層段采用了基于應變的管道強度設計方法[8]。從2012年開始，國內開展“天然氣管道基于可靠性的設計和評價方法”等重大專項課題研究，結合我國管道設計施工實踐、實際情況和失效因素，制定了天然氣管道可接受社會風險和個體風險，建立了基于腐蝕、第三方破壞和缺陷的天然氣管道可靠性模型和評價方法[9]。根據(jù)管材、施工、運行、腐蝕和內檢測數(shù)據(jù)，通過計算目標管道可靠度及失效概率，形成輸氣管道安全評價技術。

3 輸氣管道安全性評價

基于可靠性方法評估管道系統(tǒng)安全性的基本思路是，計算按照GB 50251—2015中設計系數(shù)和設計壁厚下的目標可靠度；根據(jù)管道設計參數(shù)和運行維護數(shù)據(jù)，計算管道失效概率；如不滿足目標可靠度，則需要微調設計參數(shù)，制定維修計劃，直至滿足目標可靠度。

3.1 確定管道設計系數(shù)和壁厚

GB 50251—2015 規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按式（2）計算。

式中：δ為鋼管壁厚，mm；P為設計壓力，MPa；?為焊縫系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)。西氣東輸二線和中俄東線天然氣管道一級、二級、三級地區(qū)強度設計系數(shù)F分別為0.72、0.6和0.5，計算壁厚見表1。

表1 中俄東線和西氣東輸二線天然氣管道計算壁厚

3.2 確定管道目標可靠度

目標可靠度是評價管道安全性的重要準則，主要考慮管道極端極限狀態(tài)失效后（管道大量泄漏、管體破裂等）對周圍環(huán)境和人員的安全影響。管道極端極限狀態(tài)的目標可靠度如下。

式中:RT為管道極端極限狀態(tài)的目標可靠度；ρ為人口密度，人/（104m2）。管道最大允許失效概率與管道目標可靠度之和為1。

GB 50251—2015 中居民戶數(shù)（建筑物）考慮我國實際情況，以（15～100）戶/（2 km×0.4 km）進行劃分。考慮管道沿線經濟發(fā)展和人口密度增長可能性[10]，每戶按照3.5 人計算，一級、二級、三級地區(qū)人口密度分別為0.66、4.34、12.03 人/（104m2）。西氣東輸二線、中俄東線管道最大允許失效概率見表2。在相同管道設計參數(shù)條件下，中俄東線管徑1 422 mm 相對西氣東輸二線管徑1 219 mm 管道目標可靠度要求略有降低，原因是管道壁厚增加，管道系統(tǒng)本質安全性和抗風險能力相應提高。

3.3 管道極限狀態(tài)方程及失效概率

統(tǒng)計我國管道事故原因主要是第三方破壞、外腐蝕、材料制造與施工缺陷、自然地質災害和地面移動等，其中開挖施工破壞和外腐蝕是管道失效的主要因素，占全部管道事故的60%～76%[11]。管道極限狀態(tài)主要考慮輸送壓力下外腐蝕造成的大量油氣泄漏、管道破裂以及第三方機械挖掘造成的管道失效。針對含腐蝕缺陷管道剩余強度計算法，國外開展大量研究并提出多種預測模型，國際管道協(xié)會根據(jù)103 組試驗數(shù)據(jù)進行比選驗證，選定C-FER方法建立了腐蝕管道爆裂極限狀態(tài)方程[12]。

式中：g為腐蝕管道爆破壓力修正值，MPa；pb為含腐蝕缺陷管道預測破裂壓力，MPa；p0為無缺陷管道預測破裂壓力，MPa；d為管道缺陷深度，mm；t0為管道壁厚，mm；σu為管材抗拉強度，MPa；Mt是Folias 系數(shù)；B1，B2是腐蝕管道爆裂模型誤差系數(shù)。

利用蒙特卡洛模擬方法對管道極端極限狀態(tài)失效概率進行計算，得到管道總體失效概率。

式中:cr是管道大量泄漏與管道破裂失效后果之比，PLL、PRU分別是管道大量泄漏、爆裂的失效概率，次/(km·a)。

西氣東輸二線、中俄東線總體失效概率見表3。管道總體失效概率均小于最大允許失效概率，說明按照GB 50251—2015 中設計系數(shù)和設計壁厚下中俄東線管道工程滿足目標可靠度要求，理論上可以保證管道安全運行。在相同管道設計參數(shù)條件下，管徑1 422 mm 相對管徑1 219 mm 管道失效概率更低，即管道壁厚增加，管道系統(tǒng)本質安全性和抗風險能力相應提高。

表3 西氣東輸二線、中俄東線管道總體失效概率

4 結論和建議

1）以管徑1 219 mm 和管徑1 422 mm 的大型輸氣管道為例，按照國家標準GB 50251—2015中設計系數(shù)要求和壁厚計算方法，管道系統(tǒng)滿足目標可靠度要求，驗證了GB 50251—2015管道設計方法對于大口徑、高鋼級、高壓力輸氣管道基本適用。

2）在相同管道設計參數(shù)條件下，管徑1 422 mm相對于管徑1 219 mm 管道目標可靠度要求略有降低，同時管道失效概率更低，管道系統(tǒng)本質安全性和抗風險能力相應提高，從而為管道運行管理提供了基本保證和安全裕量。

3）根據(jù)我國管道失效因素分析，加強第三方施工監(jiān)管、建立外腐蝕監(jiān)測評價程序可以有效降低管道失效概率，也是管道完整性管理的重要內容。

4）可靠性設計和評價方法是一種科學、合理的方法，管道失效形式和概率后果更符合管道實際情況，可以作為GB 50251—2015輸氣管道設計方法的有益補充。

5）新建輸氣管道設計基本原則是壁厚等級和應力水平首先應滿足GB 50251—2015規(guī)定的要求，同時分析計算設計參數(shù)下的目標可靠度，根據(jù)管道實際情況預測管道失效概率，并進一步優(yōu)化調整設計參數(shù)，保證管道本質安全性。