油气管道结构全寿命周期可靠性优化方法.pdf
2012年第28 卷第 3期 �石油化工安全环保技术� PE TR O C HE M IC AL S AFE TY AND E NVIR O NM E NTALPR O TE C TIO N TE C HNO L OG Y 21 收稿日期 2012 -04-10� 作者简介王军,男,2007年中国石油大学华东 油气储运专业毕业,学士,主要从事油气长输管道 方面的设计工作,助理工程师�E - mai l � j c� q1986 68 16 3. co m 油 气 管 道 结 构 全 寿 命 周 期 可 靠 性 优 化 方 法 王军 1,罗为民2 1. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司,山东东营 257026; 2. 中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司,江苏扬州 225000 摘要 对油气管道结构的优化设计方法进行了新的探讨,得到了以油气管道结构生命全 过程的动态可靠性为约束,以油气管道结构初始投资�失效损失和维修加固费用之和为目标 函数的油气管道结构优化设计表达式�该方法对油气管道结构的设计和管理具有一定的参考 价值� 关键词 油气管道结构优化设计可靠性 油气管道结构设计的目的是使所设计的油气 管道结构不仅安全可靠,而且经济�适用�基于 可靠性理论的油气管道结构设计方法代替了过去 凭经验定值地给定安全系数的容许应力设计法� 这种方法是把油气管道结构的抗力 �和荷载效应 � 都作为随机变量,根据概率分析来确定油气管 道结构的破坏概率,从而使设计的油气管道结构 具有明确的安全度� 基于可靠性理论的优化方法与传统的优化方 法相比,具有较大的改进�如何合理地解决经济 性和可靠性的矛盾,也一直是人们研究的重要课 题�在以往的研究中,人们往往注重于油气管道 结构设计期的经济性和可靠性的分析,局限于油 气管道结构的初始状态,而对油气管道结构服役 期的工作状态熟视无睹,即忽视了除建造时油气 管道的初始成本外,尚有油气管道服役期巨大的 维修加固费用�在使用过程中,由于油气管道结 构本身的质量缺陷以及环境和荷载的共同作用, 油气管道结构的性能会随时间逐渐恶化,人们通 过经常性的维修来延长其使用寿命或维护其使用 功能�由于油气管道结构生命过程中的可靠度也 随着时间变化,所以解决油气管道结构设计的经 济性和可靠性之间的矛盾,应着眼于油气管道结 构生命的全过程,要考虑服役期间维修费用的发 生�在很多情况下,油气管道结构服役期间总的 维修费用会超过它的初始造价�鉴于此,提出了 一种基于油气管道结构动态可靠性评估方法和维 修策略� � � � � {� � , � � 0, � �[ � , � �] } 1 式中,� 为油气管道结构服役分析时刻,动态变 量;� �为服役基准期; � � ,� 为考虑油气管道 结构 � 时刻预期技术状况影响的功能函数,为随 机过程,可表示为 � � , � � � , � - � � , � 2 其中,� � ,� 为考虑 � 时刻预期油气管道结 构状态修正的抗力随机过程,可取为非平稳随机 过程,其任意时点分布为对数正态分布;� � , � 为考虑 � 时刻预期油气管道结构工作状态修正 和后续服役基准期变化的荷载效应随机过程,可 取为平稳二项随机过程,其任意时点分布为极值 I型� 为简化计算,且偏于安全,也可采用后续服 役基准期内的最小抗力和最大荷载效应的概率分 布,将上述全随机过程模型转化为 随机变量 模型� � � � { � �- �� } �0 3 式中,� �为后续服役基准期 ��-�内最小抗力随机 22 �石油化工安全环保技术�2012 年第28 卷第3期 变量; � �为后续服役基准期 ��-�内最大荷载效应 随机变量� 1可靠性优化设计分析 基于可靠性的优化模式是由 Forse l l最先提出 来的�Forse l l把将总耗费控制在最小作为优化目 标�这里所指的总耗费是初始投资与期望损失值 与失效概率有关的期望破坏损失 之和�M orse 首先探讨了基于可靠性的优化设计,主要研究了 可靠性与优化之间的关系;其次指出用整个结构 失效概率作为功能约束的优化过程,应该产生出 更加平衡与合理的安全度相一致的设计; 同时指 出优化设计应该考虑结构在各种荷载作用下的性 能以及可能的强度衰减� 油气管道结构的服役期很长,不加维修的情 况下,它的功能必然会衰退,故应采取及时�必 要的维修和加固措施�一般地,油气管道结构设 计可靠度水准越高,建造油气管道结构的初始成 本越高,油气管道结构失效期望损失值和维修加 固费用越低,如图 1 所示�因此,存在一个将油 气管道结构服役期间的总耗费控制在最小的最优 设计可靠度� 图1油气管道结构可靠度与费用关系 由此,基于动态可靠性的油气管道结构全寿 命周期可靠性优化问题可表达为 C C 0C�C��� � � � � ��� 0 4 式中,� � � 为油气管道结构动态失效概率,�� � 1 -� � � ; � � 0 为油气管道结构允许失效概 率;C 为油气管道结构生命全过程的总耗资;C 0 为油气管道结构初始投资;C �为油气管道结构服 役期间的维修加固费用;C �为油气管道结构破坏 所造成的损失值,C ��� � 则为油气管道结构破坏 所造成的损失期望值� 其中,� � 0可由油气管道结构目标可靠度 �� 0 或目标可靠性指标 � 0 得到 � �0 1 - � �0 1 - � 0 5 油气管道结构初始投资C 0是由可靠度设计水 准决定的,即油气管道结构设计可靠度 � � 1 的 函数 C 0 C0 �� 1 6 其中,C 0并不直接表示为 �� 1的函数,而是 通过管道长度�单位管道长度的初始投资等经济 指标来表示,即 C � � 1 � F �� 1 7 式中,� 为管道长度; F � � 1 为单位长度管道的 初始投资� 假设在油气管道结构服役期间进行 � 次维修 加固,则 C � � � � 1 C �� 8 其中,第 � 次维修加固费用 C � �是油气管道结 构维修加固后的可靠度 � � � ��, � 简记为 � �� � 与维修加固前的可靠度 � � � �, � 简记为 ��� 之 差, � � � � � �� ��, � - �� ��, � � �� �- �� �的函 数,即 C � � C� � �� � ,� 1, 2,��,� 设� � �� 1 �� � ��,或 � ��� � ���� 则C � � C� ��� �� � ,� 1, 2,�,� � � �为在第 ��年经过维修加固使管道结构可靠度提 高的程度,C � � 可由文献[ 1] 的方法求得� 为了使问题简化,假设当管道结构动态失 效概率达到临界状态,即管道结构允许失效概 率 � �0时,则进行维修加固,其结果是把管道结 构可靠度水准提高到设计可靠度水准 � � 1,如图 2 所示� 图2管道结构动态可靠性示意 这样,可得到 � � � �� 1-�� 0 /�� 0, C � � � � 1 C �� � C� � �� 0 , � 1, 2,��,� 设定管道结构允许失效概率 � � 0 ,则 �王军等.油气管道结构全寿命周期可靠性优化方法� 2012年第28卷第3期 23 C � � C� � ,C� � � F � 令� 0 F � / F �� 1 � 其中,F � 为单位长度管道的维修加固费 用;� 0为维修加固费用与管道建设初始投资的比 值,可由管道建设管理的经验和统计数据给出� 所以 C � �0� � F �� 1 管道结构破坏所造成的损失期望值 C � ,包 括管道结构失效带来的自身损失期望值 C � 1 ,管 道结构失效造成的交通输送费用损失期望值 C � 2 和管 道结 构失 效 造成 的 产 业关 联 损失 期 望 值 C � 3� C � C � 1 C � 2 C � 3 设管道失效的直接损失为 D,则由管道失效 所引起的单位造价的直接损失 � D / C 0的概率分 布密度函数为 � � 满足 � � 0� 1 � 0 1 � � � � { 1 考虑到管道失效与损失程度两个事件相互独 立,管道失效所引起的单位造价 期望直接损 失为 C �� 0 -�� 0 1 � � �� � � � � � �� � 0 - � � � � � ��� 0 1 � � � � � � ��� 式中, � �为 � 的期望值; � �� 为 ��的概率密度 分布函数� 考虑固定资产的折旧,管道失效直接损失期 望值为 C �1 C 0����� � 式中,� � 为管道折旧系数,可设为常数或解 析式 [ 2 ]� 管道输送费用损失包括输送量减少损失�其 他输送方式的输送费用增加损失和输送转移损 失�由文献[ 3 ] 可得输送量减少损失 � 1 C ����1�0 式中,� 1为输送减少量; C����分别为管道无损 时的单位长度输送费用和输送距离; � 0 为管道修 复时间� 其他输送方式的输送费用增加损失 � 2 C ���- C��� �2�0 式中,C ����分别为管道有损时的单位长度输送 费用和输送距离; � 2管道损坏后的输送量� 输送转移损失 � 3 C ���- C��� �3�0 式中,C ����分别为新输送方式的单位长度输送 费用和输送距离; � 3为输送转移量� 显然,� �与管道损失程度 D 成正比,则 � � A�D 式中,A�为常系数� 从而得到管道输送费用损失如 � � 1 � 2 � 3 [ A1- A2- A3 C ��� A2C ��� A3C���] �0D 交通运输费用损失期望值为 C �2 [ A1- A2- A3 C ��� A2C ��� A3C���] �0C� 1 由于国民经济中各个产业/ 部门间对油气需 求越来越强,管道输送能力降低引起的产业/ 部 门关联损失可由下式计算 [ 3 ] � � �� � � 1 � � � �D 式中,� �为第 � 产业/ 部门对管道输送的关联系 数;� �为第 � 产业/ 部门的产业关联损失系数; � 为输送份额折减系数,其值简单的取为管道输送 量与总输送量的比值; D 为管道损失程度� 产业关联损失期望值为 C � 3 � C �1� � � 1 � ��� 综上所述,则油气管道失效引起的期望损失 表达如 C � � � C� 1 C �2 C �3 {1 [ A1- A2- A3 C ��� A2C��� A3C���] �0 �� � � 1 � ���}C� 1 � C � 1 � C 0����� � 9 式中, � 1 [ A1- A2- A3 C ��� A2C��� A3C ���] �0 �� � � 1 � ��� 由于结构服役期间失效概率 � � � 始终维持 在 [ � � 0,�� 1] ,故可近似取 �� � 为 � � � � � 0 � �1 2 1 - � � 0 � � 1 2 1 - 2 � 2 2� � � 1 10 将式 6 � 8 � 9 � 10 代入 4 式,得 到基于结构动态可靠性的优化设计表达式� 下转第29 页 �潘永东等.含硫化氢天然气安全防护若干问题探讨� 2012年第28卷第3期 29 围内,对员工健康并无伤害�当然,人体在硫化 氢中毒和环境缺氧的双重危害下,其反应将会更 加严重,但目前未见相应试验数据�从这一点 看,自吸过滤式防毒面具更适用于天然气中硫化 氢浓度大于150 mg/ m 3 100 mL/ m3 的油气生产� 储运装置初始泄漏应急逃生的需求,而在低浓度 含硫天然气生产作业场所配置意义并不明显� 3 .3 气体监测设备周期检定 �含硫油气田硫化氢监测与人身安全防护规 程� SY / T 6277- 2005 4.1.5规定 “硫化氢监测 仪在使用过程中要定期校验�固定式硫化氢监测 仪一年校验一次,携带式硫化氢监测仪半年校验 一次 � “ ;�石油天然气工程可燃气体检测报警系 统安全技术规范� SY 6503- 2008 9.2.2 也明确 规定 “ 已投入使用的可燃气体检测报警器的检定 周期不应超过一年“ �基于这些要求,油气生产 单位往往是按照上述两个标准或依据检定机构规 定的下次检定日期送检,却忽视了计量器具检定 周期的调整原则� 2000 年 10 月 23日,国家质量技术监督局印 发了 � 关于加强调整强制检定工作计量器具检定 周期管理工作的通知� 质技监局量发[ 2000] 182 号 文件,明确规定 “ 国家计量检定规程或部 门�地方计量检定规程中规定的检定周期是常规 条件下的最长检定周期“ ,并取决于计量器具重 要性�仪器稳定度�使用频繁程度�维护保养� 使用环境等因素,而影响气体监测设备检定周期 最为重要的因素则是监测环境的可燃气体或有毒 气体浓度,这就要求使用单位应根据气体检测报 警装置的维护保养情况和使用环境等,按照 �计 量器具检验周期确定原则和方法� JJF 1139- 2005 及时调整检定周期,确保检测仪器运行可 靠�事实上 , �含硫油气田硫化氢监测与人身安 全防护规程�也有 “在超过满量程浓度的环境使 用后应重新校验“的规定,但并未引起管理人员 的重视� 4结语 含硫天然气安全防护不仅是技术问题,更是 管理和教育问题�在这方面,发达国家有着较为 成熟的经验�政府有关部门应加大含硫油气田的 开发建设监管力度,统筹规划安全防护技术标准 体系,充分发挥行业�企业在含硫天然气安全防 护方面的技术优势,加大安全技术投入,解决生 产实际中存在的各种复杂环境所带来的难题�同 时,企业应加强含硫油气田安全管理,建立完善 应急管理体系,提升员工应对事故的能力,确保 员工和公众安全 ��������������������������������������������� � 上接第 23页 2结论 优化是一个综合的决策过程,单从油气管道 结构方面考虑是不够的,而应全面考虑许多其它 方面的因素,如因油气管道结构破坏所导致的财 产损失�人员伤亡�生产停顿以及重建费用等都 是不可忽视的因素,即使是油气管道结构的优 化,也应从整个油气管道整体考虑,从油气管道 生命全过程来考虑�虽然优化设计式所包含的参 数大部分是近似的,但基本上反映了各因素� 式 4 具有很大的适应性,其形式可以用到 任何类型的油气管道结构的优化设计,且可以采 用一般的优化理论�优化式 4 的重要意义还在 于,它不但考虑了建设时的经济条件,而且也考 虑了未来服役期间的经济影响,并最后统一为油 气管道结构设计可靠度的优化函数� 参考文献 [ 1]M in Shul ian g,Liu Ji . Thegl obale con omic con t rolme t hod f or t he ase i smi c de sign an d main t e n an ceofR . C . Sin gl e - st or�Buil din gs [ A] . Proc ofIn ts� m Pon C on fE n g [ C ] . Nan ji n g 1991. [ 2]R ose n bl ue t h E , M e n do� a E . R e l iabi l it � O pt i - mi � at i on in Isost at i c St ruct ure s [ J] . Journ al of E n gin e e rin g M e chan ics D ivision ,ASC E , 1971, 687 . [ 3]R adojicic A,Bail e � S F, B ruh� i l e r E . Prob- abl i st ic mode l s ofcost s f or t heman age me n tof e � ist in g st ruct ure [C ]// ASC EL if e - C � cl e C ostAn al � sis an d D e si gn LC AD f or C ivi l In f rast ruct ureS� st e m C IS [ C ] . 2001. AB STRA C TS PETRO CH EM I CAL S AFETY AND ENV I RO NM ENTAL PRO TECTI O N TECH NO LO GY B�� � � �� � � . 20 J� � . 20 12 V � � .28 N� . 3��� B RIEF A N AL � SIS ON SAFET�C ON TROLOF D RIL L IN GEN G IN EERIN GINC HEN G D AO OIL FIEL D[ 18] � � � � � Q � � � � � � , P� � � � � � � � � � , H� F � �� � , � � � J �� � - � � ,� � � �� � � � � � . S� � � � �� � �E � � � � � � � � � �� � P� � � � � - � �� �R� � � � � � �C� � � � � � � SI NO PE C S� � � � � � O � � F � � � � , D � � � � � � � , S� � � � � � � , 2550 0 0 A� � � � � � � T� e � ea� e� a� � � � � � � � � � � �� �� � � � � ed� � � � � � � e � � � � e e � �� � . T� � � � a � e � a � a� � � e � � � e� e a� � � e � � a� e � � � � � a� e � � c� � � � � � � �� � ede � �� � ,� e � � c� � � � � � ,� e �� � � - b � � c� � � � � � a � d � e � � c e � e � � �� �� � C� e � � da �O �� � � e � d d� � � � � � � e � � � � e e � � � � . I � a � � � � a� � da � e � � � ee � � e c � � � e � e � � � � � � ec� � �� � � � � � � � e a� � � e � . K � �� � � � � E� � � � e e � �� �de � � � � ;W e � �c� � � � � � ; S a� e � � OPTIM ALD ESIG N M ETHOD FOR THE REL I- AB IL IT�OF THE L IFE C � C L E OF OILA ND G AS PIPEL INE STRUC TURE [ 21] � � � �J � � 1 ,L � �� � � � �� 2.1. S� � � � � � E � � � � � � � � � �2. I � � � � � � � � � � E � � � � � � � � � �� � �E � � � � � � � �� �� � J � � � � � �O � �� � � � � ,� � � � � � � � , J � � � � � � , 2250 0 0 A� � � � � � � T� ��� a � e � � � � b e � � � � �� � e� � � � � a� de � � � � � e � � � d � � � � � a� d � a� � � � e � �� e� �� � c � � � e . A� d � � e� � - � �� a � de � �� �e � � a � � � � � � � � � a� d � a� � � � e � �� e� �� � c � � � e � � � b � a� � e d b � � a� � � � � � ed� � a� � c� e � �ab � � � �� � � �� e� � � e c � c�e� �� � �a � d � a �� � � e �� � e � � � � c � � � ea�� � ec� � - � � � a � � � a� d �a� � � � � � e� � �� � �� e� �� � � � � � e � � � e � � ,� � e � a � � � � e� � � � a� d �� e� a � � � e � a � c ec� � � � � � � � � a� d � a � � � � e �� � e � � � � c � � � e a�� � e � b � e c � � � e � � � c � � � � .T� �� � e � � � d � � � � � de �c e � � a� �� e � e � e � c e� � � � � ede � � � �a � d � a� a� e � e � � � � � � � a � d � a � � � � e �� � e� �� � c � � � e . K � �� � � � � O � � a � d � a� � � � e � � � e� � � � c� � � e ; O � � � � a� de � �� � ; Re � � ab � �� � � APPL IC ATION OF FU� � �C OM PREHEN SIVE UATION M ETHODIN EX PL ORATOR� W EL L C ONTROLRISK UA TION [ 24] J � �� � � � � � , F � � �C� � � � � � � , L� � G� � � .S� � � � � � � P� - � � � �� � � E � � � � � � � � � � ,C� � � �� � � � � � � � ��� �P� � � � � � � � H� � � � � � , Q � � � � � � ,S� � � � � � � , 266 555 A� � � � � � � T� e� �� �� a c� � � �� � � e � � c� � �� � � ��d� � � � � � � � a� e� � e a� � � ce � � a � � � �a� d � � e� �� �� e � e � � a�� � � e � b e e �de � c � �b e d � � � �� � � e � a � � e � a� � � a � e .F� � � � c � � � � e � e � � � � ee � a�� a � � � ���a� e � � � d b a� e d � �� � � � - � � � � a � � e � a�� c� . 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