長輸管道設(shè)計(jì)可靠性分析與方案優(yōu)化

陳紅山

摘 要：當(dāng)前，天然氣用量在逐年遞長，對(duì)長輸管道的需求也在不斷增加，據(jù)此，未來幾年中，大輸量管線的建設(shè)將會(huì)層出不窮。與此同時(shí)，主干線路的設(shè)計(jì)輸量普遍達(dá)到300億/立方米，也標(biāo)志著國內(nèi)輸氣管道建設(shè)新時(shí)代的到來，更加需要進(jìn)一步提高輸送效率，滿足日新月異的要求。這些新的科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)必然帶來了管道從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行各個(gè)過程中的一系列的可靠性問題，需要引入新的基于可靠性的設(shè)計(jì)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：天然氣管道;管道設(shè)計(jì);可靠性問題;優(yōu)化方案

天然氣管道迅速發(fā)展，必然帶來了管道從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行各個(gè)過程中的一系列的可靠性問題。本文介紹了新的基于可靠性的設(shè)計(jì)方法的原理和特點(diǎn)，通過與傳統(tǒng)方法的對(duì)比表明其優(yōu)越性，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外研究情況進(jìn)行了詳述，提出了本設(shè)計(jì)方法的研究重點(diǎn)和具體實(shí)施流程，并對(duì)其未來應(yīng)用的前景進(jìn)行展望。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)研究進(jìn)展

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，天然氣需求量與日俱增，必須大力發(fā)展超大輸量管道，而為此提出的提高設(shè)計(jì)系數(shù)、增大管徑、提高鋼級(jí)等技術(shù)手段都需要使用基于可靠性的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，比如目前天然氣管道一級(jí)地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的相關(guān)研究，成果斐然，設(shè)計(jì)者調(diào)研管材性能指標(biāo)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際施工和運(yùn)行水平，評(píng)價(jià)以保證管道的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，國內(nèi)剛剛將ISO 16708-2006-Petroleum and natural gas industries-Pipeline transportation systems-Reliability-based limit statemethods等同采用為國標(biāo)，正式將可靠性設(shè)計(jì)的理念引入到國內(nèi)管線的設(shè)計(jì)中，但是，由于該標(biāo)準(zhǔn)僅僅從定性角度對(duì)該理念進(jìn)行闡述，距離真正在國內(nèi)天然氣管道中使用，還需要更多深人的研究。

1.2國外研究進(jìn)展

早在20世紀(jì)70年代，國際上就已經(jīng)著眼于由于管道在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中的不確定性因素造成的管道安全的影響，并提出了相應(yīng)的基于可靠性的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)。比如加拿大的油氣管道標(biāo)準(zhǔn)CSA 2662（2007）、挪威船級(jí)社的DNV-OS-F101（2000）、（（ Petroleum and natural gas

industries-Pipeline transportation systems-Reliability-basedlimit state methods ））（ISO 16708-2006）都納人了可靠性設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)其對(duì)國內(nèi)輸氣管道的適應(yīng)性也有待進(jìn)一步研究。加拿大C-FER公司從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行有關(guān)管道的可靠性問題的研究，并取得了廣泛的研究成果，也開發(fā)了諸如PRISMPYRAMID可靠性計(jì)算分析軟件，軟件采用蒙特卡洛迭代算法，通過高頻次循環(huán)，以求解隨時(shí)間變化帶來的管道可靠性變化問題，并在多條北美管道建設(shè)及評(píng)價(jià)中得到了應(yīng)用?？傊?，國外相比國內(nèi)研究開展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，但目前仍處于不斷完善階段。

2方法概述

當(dāng)前，陸上天然氣管道普遍采用基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法，該方法將材料、制造、施工、運(yùn)行等方面的不確定性，均考慮在統(tǒng)一的安全系數(shù)中。該系數(shù)的確定主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估的結(jié)果，目前已被行業(yè)規(guī)范，甚至法律、法規(guī)所采納。盡管這種方法有著直觀、簡單、便于應(yīng)用、為人們廣泛接受等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著人們對(duì)管道材料認(rèn)知、失效機(jī)理的理解日益加深，管道服役環(huán)境的日益復(fù)雜，其局限性也日益顯著。如：1）推薦使用的安全系數(shù)不能完全反映管材性能水平，其有效性無法證實(shí)和量化;2）管道運(yùn)營維護(hù)技術(shù)和運(yùn)行作業(yè)的進(jìn)步不能完全考慮;3）服役環(huán)境，如地震、滑坡等地段的設(shè)計(jì)不能全部納入其中;4）對(duì)由于技術(shù)進(jìn)步帶來的超出規(guī)范要求的部分無法考慮。

為此，需要尋求更加合理的設(shè)計(jì)方法，基于可靠性的設(shè)計(jì)方法的實(shí)質(zhì)是針對(duì)天然氣管道，通過大量的調(diào)研數(shù)據(jù)，制定合理的目標(biāo)可靠度作為衡量依據(jù)，同時(shí)對(duì)新建管道中的不確定因素進(jìn)行定量分析，并利用分析結(jié)果，使用概率的方法計(jì)算安全可靠度，再與目標(biāo)可靠度比較并進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)，最終得到最安全合理的設(shè)計(jì)方案。

3方法流程

天然氣管道基于可靠性設(shè)計(jì)方法的核心是目標(biāo)可靠度的確定、不確定性參數(shù)的分析、極限狀態(tài)方程的選擇和建立、可靠度的計(jì)算。本文針對(duì)該方法在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)，與各地區(qū)等級(jí)、環(huán)境下的管道假設(shè)具體情況相結(jié)合，天然氣管道使用可靠性的設(shè)計(jì)方法要通過5個(gè)步驟：首先，采集基本數(shù)據(jù)，為了準(zhǔn)確有效的對(duì)階段進(jìn)行分析研究，需要對(duì)該段線路的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)概率分析，明確輸入條件其次，定義可靠度目標(biāo)：作為可靠度設(shè)計(jì)的衡量依據(jù)，根據(jù)管道全生命周期各階段所面臨的問題，設(shè)計(jì)中而要考慮全部三種類型的極限狀態(tài)，即UfS（即極端極限狀態(tài)）、LLS（泄漏極限狀態(tài)）與SLs（服役極限狀態(tài)）。對(duì)以上3種狀態(tài)的分析可確保最終的設(shè)計(jì)能夠使得管道在其整個(gè)壽命周期內(nèi)，可滿足所有極限狀態(tài)類可靠性目標(biāo)。

再次，極限狀態(tài)的選用：在與所考慮的管線及其運(yùn)行條件相聯(lián)系的載荷條件的基礎(chǔ)上，明確識(shí)別與給定管道相關(guān)的極限狀態(tài)。根據(jù)目前管道中面臨的問題列出主要的極限狀態(tài)的列表，然后根據(jù)程序確定這此極限狀態(tài)是否適用于本次管道的設(shè)計(jì)：首光根據(jù)從本數(shù)據(jù)提供的自然條件和社會(huì)條件的概況，判斷有哪種極限狀態(tài)適用于該管道如果與主要道路和高速公路并無交叉則不考慮管道覆層表面載荷過載的極限狀態(tài);或者在管道線路上沒有不穩(wěn)定斜坡，則不考慮邊坡失穩(wěn)的極限狀態(tài)。若線路中不通過含富冰土壤的地區(qū)則不號(hào)慮凍脹的極限狀態(tài);同時(shí)。類似地上管道橫跨、風(fēng)載等不適合埋地管道情況。也予以排除。其次，在適合的極限狀態(tài)中考慮全生命周期內(nèi)哪些是可以通過其他的特定的操作手段予以解決的。尤其注意運(yùn)輸階段和施工階段的多個(gè)極限狀態(tài)，經(jīng)過定性定量分析后，將認(rèn)為可以解決的極限狀態(tài)排除，但需提出具體的解決措施最后在上述兩個(gè)步驟之后。得到最終管道設(shè)計(jì)的主要極限狀態(tài)列表，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

4結(jié)束語

本文研究介紹了天然氣輸送管道應(yīng)用基于可靠性方法的具體步驟。該流程給出了為滿足管道設(shè)計(jì)與運(yùn)行安全性，必須實(shí)行的具體步驟以及各步驟的詳細(xì)研究內(nèi)容，按照所述過程，可以用于指導(dǎo)未來更高鋼級(jí)、更大管徑和更高設(shè)計(jì)系數(shù)的管道可靠性設(shè)計(jì)方案的制定和優(yōu)化，并可以為管材生產(chǎn)、施工安裝和運(yùn)行維護(hù)等提出相關(guān)改進(jìn)建議，以便確保管道的可靠度水平，在保障管道安全運(yùn)行的前提下可以帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 海底管道可靠性設(shè)計(jì)方法及施工程序編制方法[J]. 徐東永.中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2016（04）