長輸管道失效機理及其故障樹分析

林行素，鞠成偉

（廣西壯族自治區(qū)特種設備監(jiān)督檢驗院，廣西 南寧 530219）

長輸管道已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中一種重要的基礎設施，是除公路、鐵路、水運和航空以外的第五大運輸方式，在市政、交通、水利、輸油、輸氣等工程中得到了廣泛的應用（如西氣東輸、西油東送、南水北調等工程），在社會生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用。尤其是長輸管道不僅提高了運輸效率，而且還降低了運輸成本，在現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著越來越大的作用。然而長輸管道在運行過程中，受到內外腐蝕、工況條件變化、外界干擾以及第三方破壞的影響，致使部分管道發(fā)生失效，嚴重影響著運輸效率和運輸安全。

1 長輸管道目前存在的主要問題及失效形式

到目前為止，我國已建成油氣長輸管道4.3萬km，其中天然氣干線管道2.4萬km。已形成縱橫東西、貫通南北、連接海外的管道網(wǎng)。到2020年，油氣長輸管道干線將達8萬km，其中天然氣管道干線將達到5萬km。目前管道建設趨向于長距離、大口徑、大輸量、高壓力、高鋼質。施工質量與水平逐年提高，保證了管道運行的安全。近年來，我國長輸管道建設如火如荼，據(jù)專家預計，未來10年我國將實現(xiàn)汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道進行輸送。欲要完成上述目標，平均每年都要新建2萬km的管線，我國油氣管道建設將會迎來新的高潮。

1.1 存在的問題

雖然我國對于長輸管道的施工水平和施工工藝有了長足的進步和發(fā)展，但我國長輸管道目前仍存在以下問題：

（1）管網(wǎng)老化，管材低劣，施工技術相對落后；

（2）管材混雜，管網(wǎng)超負荷運行；

（3）破損頻繁，漏失嚴重，輸流能力不足。

1.2 主要的失效類型

長輸管道的主要失效形式為開裂和穿孔。失效破壞主要有以下3種類型：

（1）環(huán)向斷裂。主要是由于縱向應力引起，受到切向摩擦力，縱向彎曲應力、溫差導致拉伸應力造成的；

（2）主要是由于環(huán)向應力引起，受到內部工作壓力、豎向荷載引起的截面內彎曲應力造成的；

（3）接頭損壞。由于地面不均勻沉降，造成剛性接口滲漏，溫度引起的收縮，導致接頭拔出，承插口處接口松脫，發(fā)生泄露事故。

2 失效機理分析

2.1 埋地管道失效的直接原因

長輸管道結構失效，最終可以歸結為“荷載效應”和“結構抗力”這兩方面。直接或間接作用在埋地管道上的荷載，主要有管道結構自重、覆土荷載、流體重力等恒載以及交通荷載、地面堆載、溫度荷載、管道內壓、上浮荷載、地震荷載等活荷載。這些荷載引起管道發(fā)生變形、產(chǎn)生應力、導致裂紋擴展。而且隨著管道服役時間的增長，由于管道周圍土體可能產(chǎn)生不均勻沉降或造成管道懸空，導致管道縱向彎曲應力增加，需水量提高，導致供水壓力提高等原因，管道所受荷載會比設計之初有所增加；另一方面，隨著管道服役時間的增長，金屬管道不斷腐蝕、塑料管道逐漸老化、裂紋逐步擴展等因素，將導致管道材料抗力逐步下降。因此“荷載效應”的增加和“結構抗力”的衰退，是導致絕大多數(shù)埋地管道失效的最直接原因。

2.2 失效過程的三個階段

長輸管道的失效過程，可以劃成以下3個階段:使用初始階段(埋設完成之后的3～5年之內)、正常使用階段和失效老化階段。經(jīng)歷了一個類似人的生命歷程，即幼年期、中年期和老年期。

（1）在管道埋設完成之后的前幾年（幼年期），一些施工的缺陷很容易在這一階段爆發(fā)出來，失效的風險率大；

（2）到使用期（中年期或壯年期），也是3個階段中，持續(xù)時間最長的階段，失效風險率維持在較低的水平上，但實際上該階段一些損傷正在逐步積累，性能逐漸退化，然而由于設計上考慮了足夠的安全裕度，管道并沒有在這個階段出現(xiàn)廣泛的失效，只是降低管道的安全裕度而已；

（3）到老化期(老年期)，損傷累積導致抗力衰退到一定程度，無法抵抗外部荷載作用，失效風險率又逐漸提高。

2.3 失效與時間過程的“浴盆”曲線

如果經(jīng)過維修、加固等措施，失效風險率又會有所下降。結構失效風險率與時間過程的關系曲線如圖1所示，因其形似浴盆，稱之為“浴盆”曲線。

與失效風險率“浴盆”曲線對應的是管道安全因子（安全裕度）與時間過程的關系曲線（如圖2所示）。在裂紋或腐蝕初始化開始之前，材料的強度沒有降低，安全因子維持在一定水平（假定荷載沒有增加），對于具有防腐層的鋼管或鑄鐵管來說，是從防腐層完好到防腐層局部脫落或剝離的時間；對于塑料管道來說是初始裂紋孵化期，時間長短與管道服役的環(huán)境溫度和所受應力有關，之后是腐蝕或開裂過程，管道的抗力隨時間逐步下降，從而導致安全因子顯著降低，在此期間，可能會出現(xiàn)局部滲漏等現(xiàn)象，直到安全因子小于1，管道結構發(fā)生失效。

圖1 管道失效風險率的“浴盆”曲線

圖2 管道安全因子與時間過程的關系

3 長輸管道失效故障樹的建立

長輸管道失效故障樹分析，就是找出不同使用階段長輸管道失效故障樹的最小割集，對導致長輸管道發(fā)生失效的各因素進行分析，為提高長輸管道的運行可靠性提供理論依據(jù)。根據(jù)故障樹分析原理，該故障樹的頂事件為“長輸管道失效”，引起的最主要原因就是穿孔和開裂，任一因素出現(xiàn)，都將導致管道發(fā)生失效，本文以這兩個因素作為次頂事件，對引起這兩個失效因素的原因進行分析，建立長輸管道失效故障樹（如圖3所示）。

符號說明見表1。

表1 長輸管道失效故障樹分析符號說明表

4 長輸管道失效故障樹分析

4.1 找出最小割集

根據(jù)故障樹分析方法，求出故障樹的所有最小割集，并將故障樹轉化成等效的布爾代數(shù)方程

由上式及最小故障樹可知，長輸管道失效故障樹由67個各階最小割集組成，其中一階最小割集29個，這些最小割集直接影響著整個系統(tǒng)運行的可靠性。一般來說，最小割集越多，引起頂事件發(fā)生故障的模式也就越多，系統(tǒng)就越危險。由以上分析可以得出，要提高整個系統(tǒng)的可靠性，應首先從這29個一階最小割集并結合長輸管道的失效機理進行分析。

4.2 失效概率

頂事件的發(fā)生概率，是評價系統(tǒng)可靠性的重要指標，將每個最小割集看成獨立事件，在得出每個基本事件的失效概率后，由下式可以得出頂事件發(fā)生的概率

其中，K為最小割集的個數(shù)，為最小割集發(fā)生的概率。

長輸管道失效故障樹中K=67，由長輸管道失效的測試數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以得到各個最小割集的失效概率，進而求得頂事件發(fā)生失效的概率。

4.3 失效原因分析及應對措施

由管道失效機理分析可以看出，在其使用壽命內，不同時期的失效原因是不同的，因此，有必要在不同的使用壽命內，采取不同的應對措施以降低其失效的概率。

（1）在長輸管道使用初期（幼年期），失效主要是由于管道施工缺陷或者管道自身的制造引起的。因此，建立嚴格的施工管理制度，提高焊接工藝水平以及對管道的選材、用材以及進貨渠道進行把關，便可大大減少管道使用初期的失效概率。

（2）在管道使用中期，在使用過程中第三方破壞為管道失效的主要原因，包括人為破壞和自然災害等破壞，此階段應對管道上方的違章施工、違章壓力等進行防范，同時還應對管道上方標志物進行檢查，檢查管道受到雨水沖刷情況以及管道附近土壤的移位情況進行監(jiān)控。

（3）在老化期內，由于管道在設計時留有一定的安全余量，以至于在使用過程中管道不會失效，只是降低其安全余量。但隨著使用時間的逐漸增長，安全余量降低到一定程度，便會造成管道失效。此階段主要失效原因為腐蝕，包括管道內腐蝕和管道外腐蝕，應加強對管道在使用過程中的腐蝕的防護和清理。

5 結束語

本文通過對長輸管道失效機理進行分析，找出在使用壽命內不同時期的失效原因及失效模式，同時，對整個系統(tǒng)采用故障樹分析方法，建立管道失效故障樹并進行定性和定量分析，找出管道失效的最小割集以及導致系統(tǒng)失效的原因，并提出相應的應對措施。

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