長輸油氣管道含缺陷環(huán)焊縫失效定量風(fēng)險(xiǎn)研究

摘" " 要：長輸油氣管道業(yè)務(wù)在飛速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著巨大的安全挑戰(zhàn)。受工期、焊接技術(shù)水平、環(huán)境等因素的影響，環(huán)焊縫成為長輸管道安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，焊縫失效是導(dǎo)致長輸油氣管道安全事故的主要原因之一。對含缺陷的環(huán)焊縫失效進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)研究，綜合分析了焊口數(shù)據(jù)、氣象、周圍人口分布等信息，采用失效評估圖技術(shù)和蒙特卡羅法相結(jié)合的方法計(jì)算了含缺陷管道的失效概率，以西氣東輸三線管道某含缺陷的環(huán)焊縫為研究對象，采用Phast/Safeti軟件計(jì)算了失效后果，根據(jù)失效概率和失效后果對含缺陷管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并通過對其失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)模擬，得出對應(yīng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫失效；含缺陷管道；定量風(fēng)險(xiǎn)研究；長輸油氣管道

Failure risk of defective girth welds in long-distance oil and gas pipeline

XI Tao

Dushanzi Branch of National Pipeline Corporation West Pipeline Co.， Ltd.， Dushanzi 833600， China

Abstract：The rapid development of the long-distance oil and gas pipeline business is faced with enormous safety challenges. Influenced by the construction period， welding technology level， environment， and other factors， girth welds become the weak link in the safe operation of long-distance pipelines， with weld failure responsible for safety accidents in long-distance oil and gas pipelines. This paper conducts quantitative risk research on the failure of defective girth welds. After comprehensively analyzing weld data， meteorological state， surrounding population distribution， and other environmental factors， this paper calculates the failure probability with a combination of a failure assessment diagram and the Monte Carlo method. In addition， the Phast/Safeti software is used to calculate the failure consequences with a defective girth weld in the 3rd West-East Transmission Pipeline as the objective. According to the failure probability and consequences， this paper analyzes the risks of defective pipelines and stimulates the failure risks in detail， finally proposing corresponding conclusions of quantitative risk assessment.

Keywords：girth weld failure; defective pipeline; quantitative risk research; long-distance oil and gas pipeline

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.012

油氣管道是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，管道安全與人民生活和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。長輸管道由大量鋼管和管件通過焊接形成的環(huán)焊縫相互連接組成[1]。受工期、焊接施工技術(shù)水平、周圍環(huán)境等因素的影響，環(huán)焊縫及其相鄰焊縫區(qū)域不可避免地存在裂紋、氣孔、夾渣、熔合不全、過大殘余應(yīng)力等各種焊接缺陷，在運(yùn)行狀態(tài)下，這些焊接缺陷加上腐蝕和腐蝕疲勞、第三方損壞、周圍土壤移動(dòng)等因素，使得環(huán)焊縫容易開裂甚至斷裂，造成油氣泄漏和火災(zāi)、爆炸等突發(fā)性事故。因此，環(huán)焊縫一直是管道安全的薄弱環(huán)節(jié)，環(huán)焊縫開裂成為油氣管道的主要失效模式之一[2-5]。任俊杰等人[6]通過對大量的高鋼級管道失效事故進(jìn)行分析，指出環(huán)焊縫缺陷導(dǎo)致的事故約占全部油氣管道事故的70%。

當(dāng)前，國內(nèi)外大部分研究都圍繞管道的失效預(yù)測以及檢測手段開展，包括失效風(fēng)險(xiǎn)[3]、失效概率與可靠性[5，7]、失效類型[6]和失效預(yù)測[8-9]等。Feng等人[10]分析了長輸管道環(huán)焊縫缺陷的特點(diǎn)，系統(tǒng)綜述了現(xiàn)有環(huán)焊縫缺陷在線檢測技術(shù)的檢測原理、缺陷信號識別、缺陷定位方法和檢測可靠性，包括MFL檢測、液體超聲檢測、EMAT檢測和RFDC檢測等技術(shù)。

我國長輸天然氣管道總里程超過10×104" km，焊縫數(shù)量龐大，無法有效預(yù)報(bào)或檢測所有的高風(fēng)險(xiǎn)焊縫。2018年6月，中緬管道貴州晴隆段先后兩次發(fā)生泄漏爆炸事故，造成了大量人員傷亡的嚴(yán)重后果。后續(xù)事故分析指出[11]，管道所在斜坡上方的大量積土致使管道環(huán)焊縫缺陷處產(chǎn)生脆性拉裂破壞，進(jìn)而引起燃?xì)庑孤┍āＲ虼?，需要對含缺陷的環(huán)焊縫進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，考慮全部可能發(fā)生的事故類型及其產(chǎn)生的后果，通過數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測危險(xiǎn)后果及其影響，并對不可容許的風(fēng)險(xiǎn)提出針對性的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

本文以西氣東輸三線管道（以下簡稱某管道）某含缺陷環(huán)焊縫為例開展定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，采用失效評估圖（FAD）技術(shù)，即強(qiáng)度和韌性雙參數(shù)方法，引入評價(jià)參數(shù)的概率分布特性，建立含缺陷管道的失效概率，采用蒙特卡洛模擬方法，計(jì)算失效概率。基于挪威船級社（DNV）的定量風(fēng)險(xiǎn)評估軟件Phast/Safeti進(jìn)行失效后果模擬分析，并結(jié)合失效概率給出了個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)和社會風(fēng)險(xiǎn)，通過與風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，最后得出對應(yīng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)論。

1" " 焊口失效概率計(jì)算方法

本文采用失效評估圖與蒙特卡羅法相結(jié)合的可靠性方法來計(jì)算含缺陷焊縫的失效概率。

1.1" " 失效評估曲線計(jì)算

失效評估圖綜合考慮強(qiáng)度和韌性雙參數(shù)，是一種分析含裂紋型缺陷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生斷裂或失穩(wěn)的方法，其縱坐標(biāo)為韌性比[Kr]，橫坐標(biāo)為載荷比[Lr]。失效評估曲線是失效評估圖的核心，其基于力學(xué)原理和安全準(zhǔn)則，將結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、缺陷特性以及材料性能等參數(shù)綜合起來，以曲線的形式展示在二維坐標(biāo)系上。當(dāng)參數(shù)點(diǎn)（[Lr，Kr]）落在失效評估曲線內(nèi)，則焊縫是安全的；若參數(shù)點(diǎn)（[Lr，Kr]）落在失效評估曲線外，則焊縫有失效的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》，X80鋼管體焊縫的失效評估曲線可通過下式計(jì)算得到。

[Lr=σref σy]" "（ 1 ）

[Lmaxr=σu+σy2σy]" （ 2 ）

[Kr=206.81+eLr-2.240.19-205.82，" " Lr≤Lmaxr0，" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "Lrgt;Lmaxr]" （ 3 ）

式中：[σref]為參比應(yīng)力，MPa；[σy]為材料的屈服強(qiáng)度，MPa；[σu]為材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；[Lr]表示載荷比；[Lmaxr]為失效評估曲線的截止線；[Kr]為韌性比，可以表示為應(yīng)力強(qiáng)度因子和鋼管的斷裂韌性之比。

對于不同焊口類型，按照《在役管道環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)排查治理工作指南》（第二版）中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行參數(shù)的選取并計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子和參比應(yīng)力σref。本文計(jì)算得到的X80鋼管體焊縫失效評估曲線如圖1所示。

1.2" " 焊口失效概率計(jì)算

蒙特卡羅法又稱隨機(jī)抽樣法、統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法或隨機(jī)模擬法。如圖2所示，根據(jù)材料的性能參數(shù)概率分布，采用蒙特卡羅模擬方法[12]計(jì)算環(huán)焊縫失效概率步驟如下。其中，材料性能參數(shù)的概率分布通過對來自管材生產(chǎn)商的焊管管樣進(jìn)行材料性能測試和和統(tǒng)計(jì)分析得到[13-14]。

1）采用已知狀態(tài)方程（極限狀態(tài)函數(shù)）中隨機(jī)變量的分布，以安全狀態(tài)為條件，即環(huán)焊縫評估點(diǎn)（[Lr，Kr]）落在了失效評估曲線內(nèi)部，此時(shí)令[Y=fX1，X2，…，Xngt;0]，否則[Y=fX1，X2，…，Xnlt;0]。

2）利用蒙特卡羅法產(chǎn)生一組符合隨機(jī)變量分布的樣本[X1，X2，…，Xn]，代入狀態(tài)函數(shù)[fX1，X2，…，Xn]中，計(jì)算得到一個(gè)Y的隨機(jī)數(shù)，判斷Ｙ是否大于0。如此反復(fù)進(jìn)行M次，就得到Y(jié)的M個(gè)隨機(jī)數(shù)。

3）如果這M個(gè)Y的隨機(jī)數(shù)中有L個(gè)大于0，當(dāng)M足夠大時(shí)，根據(jù)大數(shù)定理可知，此時(shí)的頻率L/M就近似等于可靠度。

2" " 失效風(fēng)險(xiǎn)分析

以某管道含缺陷環(huán)焊縫為研究對象，綜合考慮了焊口數(shù)據(jù)、氣象和周圍人口分布等環(huán)境信息，分析了點(diǎn)火源及點(diǎn)火概率，失效風(fēng)險(xiǎn)分析過程詳述如下。

2.1" " 焊口數(shù)據(jù)

某管道含缺陷環(huán)焊縫位于直管段，其內(nèi)檢測數(shù)據(jù)信號如圖3所示，異常周向位置為5：00—12：00，根據(jù)信號形式判斷焊縫缺陷深度為10%～20%。

由于管道所承受的壓力會隨著輸送氣量的變化而持續(xù)波動(dòng)，因此，需要建立材料性能參數(shù)概率分布模型。根據(jù)第1章中給出的焊口失效概率計(jì)算方法，以及該焊縫所在的管道材料（X80鋼管體）性能參數(shù)概率分布[14]，基于保守的考慮，缺陷深度選取20 %進(jìn)行計(jì)算，壓力均值按照管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa計(jì)算，采用蒙特卡羅法來取樣模擬材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。模擬次數(shù)M為2×106 次，結(jié)合FAD失效評估曲線得到模擬結(jié)果如圖4所示。從分析結(jié)果可知，環(huán)焊縫發(fā)生失效的次數(shù)為4次，由此得出該處缺陷的失效概率為2.0×10-6。

2.2" " 環(huán)境數(shù)據(jù)

根據(jù)某管道含缺陷環(huán)焊縫附近區(qū)域一年內(nèi)的天氣條件，選擇該地區(qū)白天及晚上不同大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速組合數(shù)據(jù)下的典型風(fēng)頻數(shù)據(jù)如表1所示。其中，白天和晚間平均大氣溫度分別為15.3 ℃和2.0 ℃，大氣壓力為0.102 9 MPa，太陽輻射強(qiáng)度為0.5 kW/m2，如表1所示。圖5給出了不同大氣穩(wěn)定度與風(fēng)速組合下的風(fēng)頻數(shù)據(jù)圖。

對現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，某管道有缺陷環(huán)焊縫處周邊主要有4座工業(yè)建筑，其人口活動(dòng)和長期居住分布信息如表2和圖6所示。

2.3" " 點(diǎn)火源及點(diǎn)火概率

由于點(diǎn)火源的存在，管道泄漏后會發(fā)生閃火、噴射火和蒸氣云爆炸。根據(jù)現(xiàn)場采集的信息數(shù)據(jù)，某管道環(huán)焊縫周邊點(diǎn)火源主要是來往的交通車輛、周圍的人口活動(dòng)和高壓輸電線等，這些點(diǎn)火源可以分為立即點(diǎn)火型和延遲點(diǎn)火型[15]。

立即點(diǎn)火概率由Safeti自帶的點(diǎn)火模型選取，其來源于荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）的點(diǎn)火模型[16]。延遲點(diǎn)火概率既可由Safeti軟件根據(jù)現(xiàn)場預(yù)定義的點(diǎn)火源計(jì)算得出，也可在Safeti軟件里進(jìn)行失效事件定義時(shí)直接給出。對每一個(gè)泄漏事件，計(jì)算出來的延遲點(diǎn)火概率值會隨著天氣類別、風(fēng)速和風(fēng)向、點(diǎn)火源的數(shù)量、強(qiáng)度和與擴(kuò)散可燃蒸氣云團(tuán)接觸時(shí)間的變化而不同。綜合考慮點(diǎn)火源特性、泄漏物組分以及點(diǎn)火源處于蒸氣云團(tuán)內(nèi)的概率，延遲點(diǎn)火概率可用如下關(guān)系式表示。

[pt=pf1-e-ωt]" " "（ 4 ）

式中：[pt]為延遲點(diǎn)火概率；[pf]為當(dāng)蒸氣云經(jīng)過時(shí)點(diǎn)火源存在的概率；ω表示點(diǎn)火效率，與點(diǎn)火源特性有關(guān)，可根據(jù)點(diǎn)火源在某一段時(shí)間內(nèi)的點(diǎn)火概率計(jì)算得出。

不同火源特性的點(diǎn)火概率計(jì)算，可參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6891.2—2020中附錄E進(jìn)行選取。

3" " 失效后果計(jì)算

天然氣埋地管道失效形成的后果類型主要是閃火、爆炸和噴射火三類。基于某管道的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、運(yùn)營狀況/參數(shù)、環(huán)焊縫所在地區(qū)的氣候及外部環(huán)境等數(shù)據(jù)信息的采集，結(jié)合前文所述的定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法，應(yīng)用Phast和Safeti軟件，對所涉環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析模擬。首先計(jì)算了坑口尺寸，隨后給出了三類失效后果的影響范圍，最后給出了個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線和社會風(fēng)險(xiǎn)曲線。

3.1" " 坑口尺寸計(jì)算

高壓氣體將土壤沖出時(shí)，持續(xù)不斷的高壓氣流會在泄漏處形成一定尺寸的坑口，本文依托Phast/Safeti軟件進(jìn)行了某管道有缺陷環(huán)焊縫失效模擬分析，計(jì)算得到的坑口尺寸數(shù)據(jù)見表3，其水平截面形狀大致為橢圓。從模擬結(jié)果可知，坑口的最大寬度為5.15 m，在該范圍內(nèi)并無建筑物。

3.2" " 閃火事件影響范圍計(jì)算

閃火是擴(kuò)散氣體濃度處于可燃上限和可燃下限濃度范圍內(nèi)時(shí)被延遲點(diǎn)火而形成的火災(zāi)，對某管道有缺陷環(huán)焊縫失效可燃?xì)怏w形成的閃火進(jìn)行模擬，計(jì)算得到的閃火影響范圍結(jié)果如圖7所示。

輸氣管道破裂后，豎直向上泄漏的概率最大，即使水平泄漏也因地坑的阻擋使氣體向上擴(kuò)散。計(jì)算發(fā)現(xiàn)某管道有缺陷環(huán)焊縫失效發(fā)生閃火后，因其閃火影響范圍內(nèi)上方目前無遮擋，不會形成天然氣聚集，可燃?xì)怏w云團(tuán)會隨著時(shí)間向高處和遠(yuǎn)處擴(kuò)散，從而也不會因氣體聚集而點(diǎn)火爆炸。

3.3" " 噴射火熱輻射影響范圍計(jì)算

加壓的可燃物質(zhì)泄漏時(shí)形成射流，點(diǎn)燃后形成噴射火，是輸氣管道破裂事故的主要后果類型之一，對機(jī)械設(shè)備和人員的危害較大，通常使用仿真方法進(jìn)行研究。使用挪威船級社（DNV）的Phast/Safeti軟件中的噴射火熱輻射模型進(jìn)行分析，得到某管道有缺陷環(huán)焊縫失效發(fā)生噴射火事故后熱輻射影響距離（如圖8所示），各泄漏口徑在不同噴射火熱輻射通量下的熱輻射影響范圍計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.4" " 蒸氣云爆炸影響范圍

蒸氣云爆炸指的是碳?xì)浠衔镎魵饪扇嘉镌诳扇忌?下限濃度范圍內(nèi)，在受限或者部分受限空間內(nèi)被點(diǎn)燃而發(fā)生的爆炸。某管道有缺陷環(huán)焊縫周圍并未形成密閉空間，因此不會引發(fā)較大的超壓爆炸，爆炸風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.5" " 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會風(fēng)險(xiǎn)

采用Phast/Safeti軟件計(jì)算得到的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線影響范圍如圖9所示。圖中各顏色曲線表示產(chǎn)生的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線，各等高線具體對應(yīng)數(shù)值見圖中標(biāo)識。從圖中可以看出，所涉環(huán)焊縫出現(xiàn)的最大風(fēng)險(xiǎn)等高線為1×10-7/a。

依據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)》中防護(hù)目標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到所涉環(huán)焊縫周圍建筑物防護(hù)目標(biāo)等級和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值如表5所示。據(jù)表5可知，某管道有缺陷環(huán)焊縫的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)均處于廣泛可接受區(qū)域，滿足風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

計(jì)算得到環(huán)焊縫失效泄漏后引起的界外社會風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖10所示。從圖10可知，某管道有缺陷環(huán)焊縫失效泄漏后未產(chǎn)生明顯社會風(fēng)險(xiǎn)。

4" " 可靠性方法結(jié)果對比

對于油氣長輸管道的失效概率，目前業(yè)界主要采用國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會（IOGP）發(fā)布的Report No.434-4《Riser amp; Pipeline Release Frequencies》中的失效數(shù)據(jù)表2.1，所給出的頻率是基于對輸送碳?xì)浠衔锕艿赖姆治鼋y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，適用于陸上埋地管道失效概率計(jì)算。該數(shù)據(jù)以管道壁厚為統(tǒng)計(jì)口徑，具體見表6。

目前國內(nèi)外暫無針對油氣長輸管道具體缺陷的失效概率數(shù)據(jù)庫，對于含缺陷管道的失效概率只能采用可靠性方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)對比，本文中對某管道有缺陷環(huán)焊縫的定量風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果可信。

5" " 結(jié)論

本文對長輸油氣管道中含焊接缺陷的環(huán)焊縫進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)研究，采用失效評估圖與蒙特卡羅法相結(jié)合的可靠性方法計(jì)算了含缺陷管道的失效概率，以西氣東輸三線管道某含焊接缺陷的環(huán)焊縫為研究對象，結(jié)合實(shí)際內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，綜合分析了管路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、管道運(yùn)營狀況/參數(shù)、環(huán)焊縫所在地區(qū)的氣候及外部環(huán)境等參數(shù)，對其失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬。根據(jù)模擬分析結(jié)果得出如下結(jié)論。

1）所涉環(huán)焊縫影響范圍內(nèi)存在低密度人員場所、公眾聚集型高密度場所和重要目標(biāo)，計(jì)算得到其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)均處于廣泛可接受區(qū)域，滿足風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）所涉環(huán)焊縫未產(chǎn)生明顯社會風(fēng)險(xiǎn)。相比通常采用的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)結(jié)果方法，采用失效評估圖與蒙特卡羅法相結(jié)合的可靠性方法來計(jì)算含缺陷管道的失效概率，其研究結(jié)果對于具體管段而言適用性和準(zhǔn)確性更強(qiáng)，由此得到的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果對于制定管段檢測維護(hù)計(jì)劃更具參考意義，在保障管道運(yùn)行安全的同時(shí)優(yōu)化缺陷焊口的管理，有效降低維護(hù)管理成本。

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作者簡介：

郗" " 濤（1983—），男，陜西鳳翔人，經(jīng)濟(jì)師，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事輸油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行維搶修管理。Email：xitao1983@126.com

收稿日期：2024-06-18