油氣管道腐蝕剩余壽命預(yù)測方法的研究進(jìn)展

崔月冬++王昌酉++梁開武++李森

[摘 要]本文主要對油氣管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測方法進(jìn)行了探討，主要有基于概率統(tǒng)計(jì)方法、馬爾可夫鏈理論、結(jié)構(gòu)可靠度分析法、剩余強(qiáng)度理論的管道腐蝕剩余壽命預(yù)測方法等。本文對這些方法進(jìn)行了簡單的介紹和討論，同時(shí)指出管道腐蝕剩余壽命預(yù)測時(shí)應(yīng)需注意的問題，并提出系統(tǒng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性是油氣管道腐蝕剩余壽命預(yù)測的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]油氣管道 腐蝕 剩余壽命 預(yù)測方法

The research progress of corrosion residual life prediction method of oil and gas pipelines

Cui Yuedong1 Wang Changyou1 Liang Kaiwu1 Li Sen1，2

（1.College of Safety Engineering of Chongqing University of Science & Technology，Chongqing，401331）

（2.Chinahuanqiu Contracting & Engineering Corp，HQCEC，Beijing，100000）

[Abstract]The oil and gas pipeline corrosion residual life prediction methods are mainly discussed in this paper.There are these pipeline corrosion residual life prediction methods，mainly based on the probability and statistics method，Markov chain theory，the theory of structural reliability analysis，the theory of residual strength，etc.In this paper，the methods have been carried on the simple introduction and discussion.At the same time，the paper points out that the questions should be paid attention to when the pipeline corrosion residual life is predicted.And it puts forward the systematicness，reliability and economy are the development direction of oil and gas pipeline corrosion residual life prediction.

[Key words]oil and gas pipeline；corrosion；residual life；prediction method

中圖分類號：Y65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）07-0302-02

引言

目前，國內(nèi)絕大部分油氣管道已步入中老年期。隨著使用時(shí)間的遞增，管道外壁與防腐涂層之間的粘合力有可能逐漸喪失，防腐涂層有可能老化、龜裂甚至剝離，土壤腐蝕性介質(zhì)浸入，從而為腐蝕的發(fā)生、發(fā)展提供了條件，管道遭受腐蝕的可能性就大為增大。帶有腐蝕缺陷的管道在運(yùn)行中隨時(shí)會發(fā)生破裂而導(dǎo)致泄漏，從而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等惡性事故的發(fā)生，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。但是，對有腐蝕缺陷的管道盲目地進(jìn)行更換或維修則又會帶來巨大的浪費(fèi)。因此，需要對管道的腐蝕剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，即通過預(yù)先判斷管道的腐蝕剩余壽命，從而事先制定合理的檢測和維修周期，做到預(yù)防事故的發(fā)生和避免因過早更換管道而造成的不必要的浪費(fèi)，并對降低管道腐蝕穿孔泄漏事故發(fā)生的概率和由此帶來的經(jīng)濟(jì)及資源損失具有巨大的重要性。本文主要對管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測方法進(jìn)行了探討，并指出了管道腐蝕剩余壽命預(yù)測需注意的問題，及以后的發(fā)展方向。

1.腐蝕剩余壽命預(yù)測方法

壽命預(yù)測是以管道當(dāng)前實(shí)際環(huán)境和工況下，能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行的時(shí)間，用于指導(dǎo)管道維檢修和更換周期。腐蝕壽命預(yù)測研究起步較晚，美國于1983年率先對這一領(lǐng)域進(jìn)行探索，我國于1990年后也開始這一方面的研究[1]。目前在建立腐蝕壽命預(yù)測模型方面并沒有出臺統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但科學(xué)研究者們開展了許多這方面的工作，取得了一些成果，其主要預(yù)測方法有：

1.1 概率統(tǒng)計(jì)方法

埋地管道表面多見局部腐蝕和孔蝕。而導(dǎo)致管道腐蝕穿孔的往往是最深的點(diǎn)蝕區(qū)域，當(dāng)管道最深的點(diǎn)蝕坑深度超過了管道允許的最大腐蝕深度，管道就有可能發(fā)生腐蝕穿孔，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，管道局部發(fā)生的最大點(diǎn)蝕深度決定了管道的使用壽命，而不是管道平均腐蝕深度。Evans認(rèn)為腐蝕的本質(zhì)具有概率特征，而在局部腐蝕中，這種概率特征更加明顯。后來腐蝕工作者根據(jù)這一結(jié)論提出了利用概率統(tǒng)計(jì)的方法來預(yù)測埋地管道的剩余使用壽命[2]?；诟怕式y(tǒng)計(jì)的極值分布規(guī)律的剩余壽命預(yù)測模型，在前期腐蝕數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要采集大量檢測數(shù)據(jù)，然后將采集到的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選，最后預(yù)測時(shí)，要考慮外防腐層的失效時(shí)間。目前國內(nèi)概率統(tǒng)計(jì)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道剩余壽命預(yù)測中，張斌、梁成浩、楊靜、翟云浩[3-6]分別應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測長輸管道、化工設(shè)備、油氣田集輸管道的腐蝕壽命。

1.2 馬爾可夫鏈理論

俄國著名社會學(xué)家、數(shù)學(xué)家馬爾可夫在利用數(shù)學(xué)方法研究事物發(fā)展過程時(shí)，于1906-1912年提出了馬爾可夫過程，即在已知當(dāng)前事物所處的狀態(tài)，事物發(fā)展的未來狀態(tài)與過去狀態(tài)無關(guān)[7]。馬爾可夫過程的優(yōu)點(diǎn)在于只要掌握事物的現(xiàn)在狀態(tài)，就可以預(yù)測其未來的狀態(tài)，故馬爾可夫過程具有無后效性，這使得馬爾可夫過程廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、意外事故等方面。國外學(xué)者Kleiner Y[8]利用威布爾概率模型和馬爾可夫鏈模型建立了管道壽命預(yù)測模型。國內(nèi)學(xué)者袁庚[7]利用馬爾可夫過程建立了大連新港油氣管道的壽命預(yù)測模型，利用馬爾可夫決策過程給出大連新港油氣管道的維修方案；李恒[9]利用馬爾可夫鏈建立油氣管道外防腐層劣化模型，預(yù)測了防腐層剩余壽命。

1.3 結(jié)構(gòu)可靠度分析法

可靠度函數(shù)分析法首先對管道的材料，腐蝕缺陷尺寸和腐蝕發(fā)展規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后得出管道失效的概率分布，根據(jù)管道實(shí)際位置，設(shè)置目標(biāo)可靠度，最后確定管道維修方案和檢測周期[10]。美國天然氣管道公司在前人研究成果的基礎(chǔ)上，于2006年成功開發(fā)了NOLAN軟件（系統(tǒng)故障樹分析軟件），該軟件廣泛在管道安全分析中應(yīng)用，通過對管道多次反復(fù)分析，可以大大提高發(fā)現(xiàn)管道危險(xiǎn)情況的概率。我國管道工程專家潘家華[11]于1988年首次將斷裂力學(xué)與管道安全研究中，并且在1995年將W.Kent Muhlbauer 撰寫的《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊》引入到我國。張都清[12]等于2001年利用可靠性函數(shù)分析法對發(fā)電廠主蒸汽管道進(jìn)行壽命預(yù)測；羅金恒[13]于2006年采用結(jié)構(gòu)可靠性理論，成功預(yù)測了新疆紅淺油氣管道的腐蝕剩余壽命。

1.4 剩余強(qiáng)度理論

管道剩余強(qiáng)度分析是基于先進(jìn)的智能檢測設(shè)備和力學(xué)理論評估管道剩余壁厚的承壓能力。國外在這方面的已經(jīng)形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，我國使用這些標(biāo)準(zhǔn)在埋地鋼制管道剩余壽命預(yù)測上開展了許多工作?；谑Ｓ鄰?qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的管道壽命預(yù)測模型，該模型需要收集管道材質(zhì)和尺寸等基本信息，采集管道腐蝕數(shù)據(jù)，包括腐蝕深度和腐蝕軸向長度，一般忽視周向腐蝕對管道的影響，而隨著腐蝕的進(jìn)展，其腐蝕深度和腐蝕軸向長度同時(shí)變化，利用C語言編程求解，結(jié)合腐蝕速率模型，管道剩余強(qiáng)度因腐蝕減薄會不斷下降，最終如果管道承壓能力不能超過工況壓力一定程度時(shí)，管道會處于爆管的危險(xiǎn)中，此時(shí)即為管道的使用壽命。

2.腐蝕剩余壽命預(yù)測需注意的問題

（1）目前腐蝕壽命預(yù)測方法都是通過歷史的檢測數(shù)據(jù)，利用合理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測，這種預(yù)測在短時(shí)間內(nèi)有較好的可信度，隨著預(yù)測時(shí)間的延長，預(yù)測的可信度不高。

（2）由于埋地管道所受腐蝕因素影響極為復(fù)雜，導(dǎo)致同一條管道不同位置腐蝕情況也有很大不同，而同一條管道的不同位置對管道的安全性的影響也不相同。因此，對管道進(jìn)行壽命預(yù)測時(shí)要遵循分段預(yù)測原則，要重點(diǎn)預(yù)測對管道安全運(yùn)行影響較大的位置、腐蝕速率較快的位置和土壤腐蝕性較強(qiáng)的位置。

（3）不同區(qū)段管道的腐蝕情況各不相同甚至出現(xiàn)差別很大其原因是復(fù)雜的，因?yàn)椴煌恢霉艿赖母g環(huán)境和機(jī)理是大不相同的。以管道內(nèi)腐蝕為例，腐蝕主要與原油中二氧化碳?xì)怏w和硫化氫氣體含量、管道內(nèi)積水中陰陽離子種類和總礦化度、含有微生物數(shù)量等有關(guān)。對油田站間集輸管道而言，里面原油是經(jīng)聯(lián)合站油水分離工藝處理后輸送的，管道內(nèi)部的水含量極少，只有在管道低洼處、閥門彎頭等地方會有少量積水存在，會發(fā)生輕微的內(nèi)腐蝕，所以對油田站間管道而言，其腐蝕形式以土壤腐蝕為主。

（4）管道被土壤腐蝕的破壞程度受下面幾個(gè)條件作用：其一，當(dāng)老齡油氣管道使用到一定年限，防腐層會逐漸與管道剝離，此時(shí)土壤中的腐蝕性物質(zhì)會直接作用在鋼制管道的外壁上，所以程度上跟防腐層與管道剝離的時(shí)間和腐蝕物質(zhì)接觸管壁的時(shí)間有關(guān)。其二，防腐層與管體剝離后，腐蝕程度也跟防腐層的破壞程度和土壤的腐蝕性有關(guān)。其三，還跟管道沿程是否穿越不同土質(zhì)的土壤，陰極保護(hù)能否為管道提供完全保護(hù)，管道周圍是否有雜散電流，環(huán)境溫度高低有關(guān)?？偠灾?，正是由于腐蝕因素的錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致了同一條管道的不同位置腐蝕程度、類型大不相同。

3.腐蝕剩余壽命預(yù)測發(fā)展方向

國內(nèi)外在管道腐蝕剩余壽命預(yù)測研究上，目前已經(jīng)取得了一系列有用的成果，但至今還沒有制定統(tǒng)一的腐蝕壽命預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性的研究準(zhǔn)則，使得管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測方法之間彼此相互獨(dú)立。因此腐蝕剩余壽命預(yù)測研究的系統(tǒng)性問題，是亟待解決的關(guān)鍵問題，也是腐蝕剩余壽命預(yù)測以后重點(diǎn)的研究方向。

雖然已經(jīng)存在一些先進(jìn)的檢測儀器和數(shù)據(jù)分析方法及手段，但是因?yàn)楣艿栏g剩余壽命預(yù)測是一個(gè)一直變化的過程，使得腐蝕剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性難以得到保證。而且每種預(yù)測方法都存在一定缺陷，往往通過綜合使用多種預(yù)測方法，可以大幅提高管道腐蝕剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性，從而確保預(yù)測方法的可靠性。很顯然，管道腐蝕剩余壽命預(yù)測研究的可靠性，也將是在該領(lǐng)域的科研工作者們以后主要的攻克方向。

另外，檢測腐蝕缺陷所要付出的費(fèi)用通常很高，這使得腐蝕剩余壽命預(yù)測的深入研究受到了一定的限制，因此，經(jīng)濟(jì)性方面的問題，即如何花費(fèi)較低的費(fèi)用去完成腐蝕壽命的研究，也是科研工作者們今后需要著重開展研究的方向。

4.結(jié)束語

國內(nèi)外在管道腐蝕剩余壽命預(yù)測的研究上正在不斷地向前發(fā)展，目前已經(jīng)產(chǎn)生了比較有益的腐蝕剩余壽命預(yù)測的研究方法，但每種腐蝕壽命預(yù)測方法都存在一定的缺陷，在腐蝕剩余壽命預(yù)測上還有一些應(yīng)注意的問題，因此需要管道腐蝕科研工作者們繼續(xù)在管道腐蝕剩余壽命預(yù)測的系統(tǒng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性上深入地展開研究，使得腐蝕剩余壽命的研究更加科學(xué)合理。

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基金項(xiàng)目

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91024031）；重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目 （YKJCX2014041）

作者簡介

崔月冬（1990— ） ，男， 江蘇東臺人， 重慶科技學(xué)院在讀碩士研究生， 研究方向?yàn)榘踩夹g(shù)及工程。