油气输送用焊接钢管可靠性评估方法.pdf

第 1 4卷 第 9期 2 0 0 4年 9月 中 国 安 全 C h i n a S a f e t y 学 报 J o u r n a l V0 1．1 4 N o ． 9 S e p ．2 0 0 4 油气输送用焊接钢管可靠性评估方法 赵新伟 高 级工 程师 罗金恒 ， 李鹤林 杨 龙 1中国石油天然气集团公司管材研究所 2西安交通大学材料科学与工程学院 学科分类与代码 6 2 0 ． 203 0 技术项目 中国石油天然气集 团公司 2 O O 0年重点技术开发项目 2 o o o 4 1 28 。 【 摘 要】 笔者研究并建立了焊接钢管焊缝漏检缺陷的概率分布模型及材料性能、 输送压力的概率分布模 型； 采用失效评估图 F A D 技术， 引入可靠性理论 ， 建立了油气输送管线用焊接钢管的可靠性评估模型和方法， 即基 于 F AD技术的 Mo n t e - C a r l o方法； 计算得 出西气东输用焊接 钢管的失效概 率低于 l 0 _ 。 ， 可靠度超过0 ． 9 9 9 9 9， 达到 D N V R P F I O 1标准对管道可靠度的要求。 【 关键词】 焊接钢管； 缺陷漏检概率； 失效评估图 F A D ； 蒙特一 卡罗模拟计算法； 西气东输管道 Re l i a b i l i t y As s e s s me n t Me t h o d f o r We l d e d S t e e l P i p e Us e d i n 0i l Ga s T r a n s mi s s i o n ZHAO Xi n - we i ． S e n i o r E n g l n r LUO J i n - h e n g LI He - fi n YANG L o n g 1 T u b u l ar G o o d s R e s e a r c h C e n t e r ，C N P C 2 S c h o o l o f M a t e ri a ls Sci e n c e＆ E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y Cl a s s i fi c ati o n a n d c o d e o fd i s c i p l i ne s 6 20 ． 20 3 0 Abs t r a c t P r o b a b i li s t i c d i s t r i b u t i o n mo d e l f o r we l d i n g fla ws u n d e t e c t e d，ma t e ri a l me c h a n i c al p r o p e r t i e s a n d i n t e r n al p r e s s u r e o f w e l d e d s t e e l p i pe a r e i n v e s t i g a t e d．Re l i a b il i ty c alc u l a t i o n mode l a n d me t h od for w e l d e d s t e e l p i pe u s e d i n o i l a n d g a s p i pel i n e a r e e s t a b l i s h e d w i t h r e l i a b i li ty t h e o r y b a s e d o n f a i l u re a s se s s m e n t d i a g r a m F A Dt ech n o l o g y ， n a m e l y ， Mo n t e C a r l o s i m u l a t i o n c al c u l a t i o n me thod b a s e d F AD．T h e f a i l u r e p mb ab i h t y o f we l d e d s t e e l p i pe u sed i n W e s t E a s t g a s p i pe l i n e i s l e s s t h a n 1 0～ ．an d i t s r e l i ab il i ty i s mo re t h a n 0． 9 9 9 9 9．I t s p r o b abi l i ty me e t s t h e d e ma n d o f DNV RP F I O 1 s t a n d a r d t h o u g h flaws u n d e t ect ed w i t h a c e r t a i n p r o b ab i l i ty d o e x i s t ． ． Ke y wo r d s We l d ed s t e e l p i pe P r o b abi l i ty o f flaw s u n d e t e c t e d F a i l u r e asses s m e n t dia g r a m F A D Mo n t e C arl o s i mu l a t i o n c alc u l a t i o n me t h od W e s t - E ast g a s p i pe l i n e 1 前 言 油气输送管线的造价很高 ， 距离长 ， 沿线地形地貌复杂 ， 尤其经过人 口稠密区， 一旦发生意外事 故， 不仅会造成 巨大 经济损失 ， 而且会造成重大人员伤亡和环境污染 ， 因此 ， 保证 管线焊接钢管的质量和可靠性 ， 对于油气管线安全运行至关 重要 。 管道设计都是以静强度理论为基础 的确定性方法【 】 ． 2 J ， 即设计计算时材料性能取最小规定值 、 载荷取最大值。而实 际上由于制管质量 的不均一、 实际运行压力的波动以及焊缝 缺陷无损检测存在一定的漏检概率等等这些不确定性因素 ， 实际在役管道总存在一定 的失效概率和可靠度。例如， 四川 输气管网， 早期因管道焊接缺陷， 加上腐蚀介质的作用， 曾发 生多起失效事故 ， 造成巨大经济损失和严重的环境污染 。因 此 ， 评价焊接钢管的安全可靠性具有重要的工程意义 。 笔者在研究焊缝漏检缺陷尺寸、 材料性能和输送压力等 参数的概率分布模 型基础上 ， 提出并建立了焊接钢管可靠性 评估方法 ， 即基于失效评估 图技术 的 M o n t e-C ar l o方法， 并用 该法评估 了西气东输高压输气管线用大 口径 l 0 1 6 n Ⅱ Ⅱ 焊 管的可靠性。 2 评价参量的概率分布特性 2 ． 1 材 料性能参数的概 率分布 特性 对宝鸡石油钢管厂、 江汉石油管理局沙市钢管厂、 华北 石油钢管厂、 东北输油管理局辽阳钢管厂等 4个管厂试制的 维普资讯 8 中 国 C h i n a 安 全 S a f e t y 科学 S c i e n c e 学报 J o u ma l 第 1 4 卷 2 0 0 4往 钢级为 X 7 0， 直径为 l 0 1 6 m E的焊管材料性能进行测试和统 计分析 ， 建立了材料性能 的概率分布模型。屈服强度 、 抗拉 强度 、 冲击韧性的概率分布特征如表 l 所示。 表 1 材料性 能 的概率 分布特 性 物理量 概率分布类型 均值 “ 标准偏差 母材屈 服强度 正态分 布 5 4 2 ． 8 M P a l 8 ． 5 7 MP a 母材抗 拉强度 正态分 布 6 7 3 ． 8 M P a 2 7 ． 1 7 MP a 焊缝抗拉 强度 正态分 布 7 2 8 ． 8 M P a 1 2． 4 2 MP a 母材 冲击韧性 对 数正态分 布 2 8 4 ． 5 J 7 3 ． 8 5 J 焊缝 冲击韧性 对 数正态 分布 l 8 1 ． 7 J 4 2 ． 3 9 J 热影 响区冲韧性 对 数正态分 布 2 5 3 ． 4 J 4 8 0 9 J 2 ． 2 输送压 力的概率分布特性 管道在运行过程中， 随着输送气量 的变化， 管道所承受 的压力会发生波动。对于西气东输管道 ， 未来的具体压力分 布情况 目前无法获得。参考已建成的其他输气管道压力波 动统计结果 ， 压力 分布满足 正态分 布， 变异 系数 C O V 为 1 0 ％。当假设管道输送压力大于设计压力 1 0 MP a ， 其概率为 0 ． 0 0 1时， 通 过 查 对 正 态分 布表 ， 可 以 得到 压 力 均值 为 “7 ． 6 4 MP a 、 标准偏差 d 0 ． 7 6 MP a 。 2 ． 3 焊缝漏检缺 陷的概率分布特性 无损检测的漏检概率是指在规定 的无损检测法方法和 规定的检测条件下 ， 对某一确定尺寸的缺陷检不出的概率。 用 1 减去漏检概率就是检出概率。缺陷的漏检概率与检测 对象的结构形状 和表 面状态 ， 缺陷的尺寸、 形状 、 尺寸和方 向， 检测条件， 以及检测人员的技术水平等 因素有关 。缺陷 漏检概率的数学表达式如下 1 式中， a 尺寸为 a的缺陷漏检概率； N a 焊管中尺寸为 a的缺陷总数 ； a 焊管中尺寸为 a的缺陷被检出的数量。 对裂纹的检出概率 P a 的计算公式如下 P d a 0 aa 2 式中， n 被检测物体上的裂纹尺寸； 2 a l 所用检测方法能检出的裂纹最小尺寸 ； n 所用检测方法能检出的裂纹最大尺寸； m实验常数 。 根据有关研究报道， 超声检测焊缝裂纹的检出概率与裂 纹深度和长度的关系如图 l所示。从图 l中可以看出， 在区 间[ 0 ． 2 m m， l m m] 上 ， 裂纹深度 的检出概率 P a 与裂纹深 度基本符合线性关 系， m 可取 为 l ； 对 于裂纹长度 ， 在区间 [ 0 ． 5 m m， 4 m m] 上 ， 检出概率与裂纹长度符合线性关系。 根据以上分析 ， 对于超声检测方法 ， 裂纹深度的漏检概 率 F a a F a a 1 a≤0 ． 2 n 1 ．0 一 乍将 o ．2 n 1 F a a 0 a≥1 裂纹长度的漏检概率 F a c F d c 1 c ≤0 ． 5 c 1 ． 0一 o ． 5 c ￡ ， 6 式中， L 的取 值 因材 料 而异 ， 对 于有屈 服平 台 的材料 取 1 ． 0 ， 对于 cMn钢取 1 ． 2 ， 对于不锈钢取 1 ． 8 ， 其他材料按下 式计算 L ， ”O ,d t ／ 2 7 式 中， 和 分别为材料的屈服强度和抗拉强度。 图2中纵轴 为韧性比， K r K I ／ K ， K ， 为裂纹尖端 应力强 度 因 子， 为 材 料 断 裂韧 性 ； 横 轴 ￡ ， 为 载荷 比， L P ／ Py ， P为在损伤 区域施加的载荷 ， 而P 为该区域达到 屈服的载荷。完整 性评价 时， 计算 给定条件 下的 和￡ ， 的 值， 若评估点 ￡ ， K ， 落在评估曲线内侧 ， 结构被认为是安全 的， 若评估点 ￡ ， ， K ， 落在评估 曲线外侧 ， 则结构可能是不安 全 的 。 3 ． 2 可 靠度计算模型和 方法 基于含缺陷管 道完整性评价 的 F A D技术 ， 当管 道存在 不确定参数时， 评估点 ￡ ， K r 也成为随机变量 ， 管道的失效 概率就是 评 估点 落在 评 估 曲线之 外 的概 率 ， 用 公式 表 示 如 下 r r I l ． L ￡ ， K d K r d L 8 式中， ．L ￡ ， K ， L 和 的联合概率密度函数 ； Q 随机变量空间的失效区域。 显然 ， ． ￡ ， ， K r 很难用解析形式给 出， 只有采用数值 解法才最可行 ， 解决上述 积分 问题最好 的数 值方法就是 蒙 特 卡 罗 模 拟 计 算 方 法[ M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n m e t h o d 。 Mo n t C arl o蒙特一 卡罗法计算焊接钢管 可靠度 的方 法和 步 骤 如下 1 构造含缺陷管道 的极 限状 态函数。根据 C E G B R 6 选择 l和 B S I P D 6 4 9 3选择 3的通用失效评估曲线 ， 含缺陷管 道失效的极限状态函数可以用下式表示 g L ， ， K 10 ． 1 4 L [ 0 ． 3 0 ． 7 e x p 一0 ． 6 5 L r ]一K r0 9 2 确定缺陷尺寸、 材料 性能、 压力等 随机变量 的概率 密度函数 f 和概率分布函数 F 。 。 3 对每一个随机变量 ， 在[ 0 ， 1 ] 之间生成许多均匀分 布的随机数 F r F x q I f d x 1 o 0 式 中， 变量个数 ， i l ， 2 ， ⋯， n ； 模拟次数 ， ，l ， 2 ， 3 ， ⋯， ， v 。 对于给定的 F ， 可由上式解出相应的 所以， 对于每 个变量 ， 每模拟一次可得到一组随机数 ， ， ， ， ⋯， 。 4将 每次 模 拟 得 到 的 随 机 数 代人 式 9 中， 计 算 g L ， K 值 。 5 若 g L ， ， K r 值小于零 ， 计失效 1次。 6 重复步骤 3 、 步骤 4 和步骤 5 ， 进行 ， v次模 拟， 共计失效 次 ， 则失效概率为 M／ N 1 1 可靠度为 尺 l一 ／ N 1 2 为便于工程应 用， 笔者采用 V i s u a l C语言编写 了计 算机模拟程序 ， M o n t e C a r l o 法计算焊接钢管失效概率和可靠 度 的计算机程序框 图见图 3所示 。 4 西气 东输用焊管 的可靠度评估 西气东输管线全长 4 0 0 0 k m， 西起新疆的塔里木油 田， 东到上海 。设计压力为 1 0 MP a ， 采用两种焊接钢管， 即直缝 埋弧焊管和螺旋埋弧焊管 。焊管 主要参数 如表 2所示。按 第 3节建立的焊管可靠性计算方法 ， 计算和评估西气东输用 焊接钢管的可靠性 。 表 2 西气东输管线用焊管的主要参数 钢级 直 径 1 ／ l ln 壁 厚 1／ ll n 焊缝 类型 应用 的地 区类别 1 4． 6 螺 旋焊缝 一 类地 区 X 7 0 1 0 1 6 1 7． 5 螺 旋焊缝 二 类地 区 2 1 ． 0 直 焊缝 三 类地 区 2 6． 0 直 焊缝 四类地 区 基于 F A D技术 ， 采用 Mo n t e C arl o方法 ， 经 2 X 1 0 模拟计 算 ， 得到4个地区类别下所用 焊管 的失效概率和可靠度 ， 见 表 3所列 。作为例子 ， 图 4给 出了用 F A D图表示 的4类地区 用焊管 失 效 概 率 的 前 2 0 0次 Mo n t e C arl o模 拟 计 算 结 果。 一 类、 二 类 、 三 类 和 四 类 地 区 用 焊 管 的 可 靠 度 都 超 过 0 ． 9 9 9 9 9 ， 失效概率小于 l O ～。对 比 D N V R P F I O 1 【 6 推荐的 维普资讯 1 0 中 国 C h i n a 安 全 S a f e t y 科学 S c i e n c e 学报 J o u r n a l 第1 4 卷 2 0 04正 管道 目标可靠度 ， 可见 ， 尽管焊接钢管不 可避 免存在一 定概 率的漏检缺陷 ， 但其可靠度仍然可以满足要求 。 图 3 蒙特 一卡罗法计算焊接钢管 可靠度程序框 图 表 3 西气东输管线用焊管的可靠度计算结果 地 区等级 一类 地 区 二类地 区 三类地 区 四类 地 区 模 拟 次数 2l 2l 2l 2l 失效 次数 2 l 0 0 失效 概率 0 ． O 0 o 0 l 0． O 0 o 0 0 5 0 ． 9 9 9 9 9 5 DNV RP Fl 0 l 推荐的管道 0 ． 9 9 9 0 ． 9 9 9 9 0 ． 9 9 9 9 9 0 ． 9 9 9 9 9 目标可靠度 图 4 四类地区用焊管失效概率的前 2 O O次 蒙特 一卡罗模拟计算结果 5 结 论 1 基于焊接钢管采用超 声检测 时的焊缝缺 陷漏检概 率， 建立 了漏检缺陷尺寸的概率分布模型 。 2 钢级为 X 7 0的焊接钢管其材料强度服从正态分布， 冲击韧性服从对数正态分布 ， 工作压力服从正态分布 。 3 采用失效评估图 F A D 技术 ， 引入可靠性理论 ， 建立 了焊接钢管的可靠性评估模 型和方法 ， 即就是基 于 F A D技 术的 Mo n t e - C a r l o 模拟计算方法 。 4 西气东输用焊接钢管的失效概率低 于 1 0 ～， 可靠度 超过0 ． 9 9 9 9 9 ， 达到有关标准对输气管道可靠度的要求。 收 稿 2 0 0 4年 7月 ； 作 者 地 址 陕 西省 西安 市 电子 二 路 3 2号 ； 中国石油天然气集团公司管材研究所 ； 邮编 7 1 0 0 6 5 参 考 文 献 1 G B 5 0 2 5 1 --1 9 9 4 ． 气管道工程设计规范[ s ] ， 1 9 9 4 2 G B 5 0 2 5 3 --1 9 9 4 ． 输油管道工程设计规范[ s ] ， 1 9 9 4 3 李生田， 刘志远编著． 焊接结构现代无损检测技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 O 0 0 1 2 ～1 3 4 I ． Mi l n e，R． A． A i n s wo r t h，A． R ．D o wl i n g a n d A． T．S t e w a r t ，As s e s s me n t o f t h e I n te g r i t y o f S t r u c t u r e s C o n t a i n i n g D e f e c t s C EG B R e p o r t R ／ H ／ R 6 一 R e v ． 3 ．I n t ． J ．P T e s s [ J ]． V e s s e l P i p i n g ， 1 9 8 8 ， 3 2 3～1 0 4 5 凌树森． 可靠性在机械强度设计和寿命估计中的应用[ M ] ． 北京 宇航出版社， 1 9 8 6 4 5 9 ～4 6 4 6 D N V R P F 1 0 1 1 9 9 9 ． C o r r o d e d P i p e l i n e s [ S ] ， 1 9 9 9 维普资讯