天然氣管網(wǎng)供氣可靠性評價方法研究

葉嶸

摘要：隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣作為清潔的化石能源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)當(dāng)中，其需求量迅猛增長。天然氣管網(wǎng)作為連接上游氣源和下游市場的生命線，在國民經(jīng)濟(jì)和能源安全領(lǐng)域具有重要作用和意義。因此，確保供氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外常用的完整性管理在保證天然氣管道和站場安全中起到了重要作用。但是，由于研究的重點(diǎn)是元件和設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全，無法從系統(tǒng)層面衡量管網(wǎng)運(yùn)行狀況，更無法從用戶需求角度量化供氣保障能力。因此，有必要引入天然氣管網(wǎng)可靠性技術(shù)來對管網(wǎng)生產(chǎn)安全和供氣保障進(jìn)行指導(dǎo)和管理。鑒于此，本文主要分析探討了天然氣管網(wǎng)供氣可靠性評價方法，以供參閱。

關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng);供氣;可靠性;評價方法

引言

天然氣管網(wǎng)最基本的要求是安全，而可靠性研究則是對管網(wǎng)安全程度的定量分析。安全是管網(wǎng)存在的狀態(tài)描述，而可靠性是管網(wǎng)系統(tǒng)安全存在的前提下能夠穩(wěn)定并且執(zhí)行相應(yīng)功能的概率。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究的目標(biāo)，就是要將可靠性方法貫穿管道全生命周期，深化并發(fā)展管道完整性管理。故此，認(rèn)清天然氣管網(wǎng)可靠性的實(shí)質(zhì)與意義尤為重要。現(xiàn)階段，我國天然氣長輸管道事業(yè)仍處于加速發(fā)展階段，但由于我國管道行業(yè)起步相對較晚，技術(shù)、人才、經(jīng)驗(yàn)積累相對不足，導(dǎo)致我國目前尚無完整的油氣管道可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)指標(biāo)體系。而管網(wǎng)評價周期的選擇與確定、不同工況條件的分類、任務(wù)輸量與設(shè)計(jì)輸量等指標(biāo)的確定等問題都亟待解決，因此，建立天然氣管網(wǎng)可靠性定量評價方法或指標(biāo)體系迫在眉睫。

1天然氣管網(wǎng)可靠性的意義

根據(jù)天然氣管網(wǎng)的特點(diǎn)，可將天然氣管網(wǎng)可靠性分為管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性和管網(wǎng)供氣可靠性。管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性定義為管網(wǎng)中所有硬件及設(shè)施（含管段、站場、設(shè)備、閥室等）在一定條件下某時刻具有結(jié)構(gòu)完整性（含設(shè)備正常停機(jī)維檢修）的概率;管網(wǎng)供氣可靠性是指在一定評價周期內(nèi)，目標(biāo)用戶及市場能夠按時并足量獲得天然氣的概率。研究天然氣管網(wǎng)可靠性的目的是保障管網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)和供氣的安全及功能完整性，而安全及功能完整作為一種狀態(tài)，可靠性是對該狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在的量化。對管網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)可靠性的研究，是為了避免管網(wǎng)中硬件設(shè)施的失靈、失效事件發(fā)展為安全事故;而供氣可靠性的研究，則是為了得到并優(yōu)化管網(wǎng)的供氣能力，通過合理的運(yùn)行方案保障市場按時、足量獲得天然氣?？煽啃匝芯康氖窃谝?guī)定時間、規(guī)定條件下完成規(guī)定任務(wù)的能力的概率，這個概率與管網(wǎng)投資、運(yùn)行條件相關(guān)。在我國市場經(jīng)濟(jì)體制逐步完善的過程中，必然要求天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合，在保障國內(nèi)市場穩(wěn)定用氣的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益，落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀提出的“保民生、促發(fā)展”的要求。天然氣管網(wǎng)的可靠性與人民群眾的生命、財產(chǎn)安全息息相關(guān)，管網(wǎng)系統(tǒng)的不可靠狀態(tài)會對其造成嚴(yán)重的影響。因此，研究天然氣管網(wǎng)的可靠性一定程度上保障了國家的穩(wěn)定發(fā)展、社會的長治久安及群眾的安居樂業(yè)。天然氣管網(wǎng)可靠性的要求是在其全生命周期內(nèi)，將可靠性保證在一定程度。運(yùn)行維護(hù)在天然氣管網(wǎng)全生生命周期中影響著可靠度的變化，因此，必須對管網(wǎng)可靠性進(jìn)行定量分析與評估，在理論指導(dǎo)下有效地對可靠性進(jìn)行保障，提高資源利用的有效性。管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠與供氣可靠是有機(jī)的整體。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性與管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了管網(wǎng)的供氣能力，而用氣市場只對供氣可靠性提出了要求。因此，研究天然氣管網(wǎng)可靠性時，應(yīng)該分別對物理結(jié)構(gòu)可靠性、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及供氣可靠性進(jìn)行研究與分析。分析天然氣管網(wǎng)可靠性的同時，亦應(yīng)分析相對應(yīng)不可靠狀態(tài)的事故結(jié)果及災(zāi)害，以描述在當(dāng)前可靠度狀態(tài)下，不可靠狀態(tài)可能造成的社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境影響。結(jié)果表明，天然氣管道不可靠狀態(tài)極有可能對附近較大范圍的人群、設(shè)施、環(huán)境造成巨大傷害。

2天然氣管網(wǎng)供氣可靠性評價與預(yù)測方法

2.1評價方法

對于天然氣干線管道的結(jié)構(gòu)可靠性評價，一般是基于管道在極限狀態(tài)下，分析它在不同的運(yùn)行工況下，發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的概率。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，因腐蝕引起的管道缺陷是造成天然氣管道結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，根據(jù)失效后果的不同，將腐蝕引起的失效模式分為小孔泄漏和爆裂，后者又根據(jù)透壁缺陷是否會發(fā)生不穩(wěn)定增長，分為大孔泄漏和斷裂。國內(nèi)外對于腐蝕管道的結(jié)構(gòu)可靠性研究較為成熟，主要分為確定性的評價方法和概率性的評價方法。早期的研究主要是采用確定性評價方法，通過計(jì)算或是預(yù)測腐蝕管道的剩余強(qiáng)度來對管道的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行評價。但是該方法存在諸多不足，管道的可靠性評價過程存在諸多不確定性，這些不確定性是由于預(yù)測管道行為所需要的參數(shù)值不夠準(zhǔn)確造成的。確定性方法通常采用安全因子對這些不確定性進(jìn)行處理，可能會對管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的描述。因此，目前更多的是采用基于概率性的方法對腐蝕管道可靠性進(jìn)行評價。通過識別腐蝕管道可能的極限狀態(tài)，建立相應(yīng)的極限狀態(tài)方程對其狀態(tài)進(jìn)行描述，針對管道可靠度評價過程中存在的不確定性，采用隨機(jī)變量的形式進(jìn)行處理。最后使用解析法或數(shù)值抽樣法（如蒙特卡洛抽樣方法、一階和二階可靠性方法等）計(jì)算腐蝕管道在不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)可靠度。對于腐蝕管道極限狀態(tài)方程的選取、極限狀態(tài)方程中變量對管道可靠度的影響以及檢測和維修對腐蝕管道的作用機(jī)理等方面，很多學(xué)者已做了廣泛的研究。

2.2預(yù)測方法

當(dāng)前，國內(nèi)外對復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性預(yù)測，主要采用蒙特卡洛模擬法和故障樹分析法。蒙特卡羅法因其相對簡單（具有一定的黑箱特性），物理意義比較明確，能夠建立與實(shí)際情況較接近的可行域與極限狀態(tài)方程，經(jīng)過多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的可靠性預(yù)測與評價。對于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，因其構(gòu)成復(fù)雜、運(yùn)行工況多變、影響因素繁多等不確定因素較多的特點(diǎn)，使用蒙特卡羅法可以避免量化一部分難以通過數(shù)學(xué)分析得到準(zhǔn)確影響程度的因素（如第三方破壞、自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭、政策法規(guī)等），直接依據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)自身的當(dāng)前狀況建立對應(yīng)的系統(tǒng)極限狀態(tài)方程，通過多次重復(fù)模擬得到管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度。但是，由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，管材工藝類型、性能參數(shù)豐富，并且管道存在穿、跨越特殊施工工藝，導(dǎo)致不同單元的極限狀態(tài)方程不同，存在一定的關(guān)聯(lián)性，造成極限狀態(tài)方程組建立困難、模擬計(jì)算需求量大等不可避免的問題。采用故障樹分析法需要對天然氣管網(wǎng)建立完備的故障樹模型，然后對管網(wǎng)失效事件最小割集進(jìn)行分析，進(jìn)而對構(gòu)成事件的貢獻(xiàn)率、權(quán)值進(jìn)行定量計(jì)算，這些步驟均為較復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)與計(jì)算過程。但因故障樹邏輯關(guān)系明確，能夠較客觀地呈現(xiàn)管網(wǎng)失效及故障模式的事件組成、因果關(guān)系，進(jìn)而為事故預(yù)測、預(yù)排除及運(yùn)行優(yōu)化提供較明確的決策支持，在當(dāng)前設(shè)備、管道、管網(wǎng)等系統(tǒng)工程故障分析中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)束語

總而言之，天然氣管網(wǎng)是一個具有大量不確定性影響因素的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)分析方法對于研究管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)具有一定優(yōu)勢，但不能充分考慮其工藝特點(diǎn)。而且天然氣管網(wǎng)也并不是簡單的串、并聯(lián)系統(tǒng)。將工程經(jīng)驗(yàn)與經(jīng)典理論統(tǒng)一起來，綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)與天然氣的傳輸過程，建立全面的系統(tǒng)可靠性評價模型是推動研究進(jìn)展的關(guān)鍵所在。

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