油气管道完整性评价软件开发及应用.pdf

第4 4卷第 1期 2 0 1 5年 1月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ．4 4．N o ． 1 J a n u a r y，2 0 1 5 油气管道完整性评价软件开发及应用 孙东旭 ，赵 玲，吴 明，刘广鑫 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 摘 要管道完整性评价软件对提高完整性评价工作效率具有重要意义。研制开发了油气管道完整． 1生 评价 与剩余寿命分析软件，核心计算模块由基于 A S ME B 3 1 G标准的管道缺陷评价模型和基于失效压力的管道可靠 性概率模型组成。软件包含数据统计、当前完整性评价、将来完整性评价和管道可靠性计算四个功能模块。以 国内某成品油管道为例，运用软件对其进行了完整性评价，评价结果为管道的维护维修提供了决策依据。 关键词管道完整性 ；评价软件 ；寿命预测；缺陷评价 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 1 0 0 8 9 0 4 De ve l o pme n t a nd Appl i c a t i o n o f Oi l a nd Ga s Pi pe l i n e I nt e g r i t y As s e s s m e n t So f t wa r e SUN Don g- x u， Z HA0 Li n g， W U M i n g， L I U Gu an g- xi n Co l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g ， Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t P i p e l i n e i n t e g r i t y a s s e s s me n t s o f t wa r e h a s i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e t o i mp r o v e t h e wo r k e f fic i e n c y o f p i p e l i n e i n t e g r i ty e v a l u a t i o n ． T h e a n a l y s i s s o f t wa r e f o r i n t e g r i t y a s s e s s me n t o f 0 i l a n d g a s p i p e l i n e a n d t h e r e ma i n i n g l i f e wa s d e v e l o p e d ． Th e c o r e c a l c u l a t i o n mo d u l e i s c o mp r i s e d o f p i p e l i n e d e f e c t e v a l u a t i o n mo d e 1 b a s e d o n AS ME B3 1 G s t a n d a r d a n d r e l i a b i l i ty． p r o b a b i l i t y mo d e l b a s e d o n p i p e l i n e f a i l u r e p r e s s u r e ．T h e s o ft wa r e c o n t a i n s f o u r f u n c t i o n mo d u l e s t h e d a t a s t a t i s t i c s ， t h e c u r r e n t i n t e g r i t y a s s e s s me n t ，t h e f u t u r e i n t e g r i t y a s s e s s me n t a n d p i p e l i n e r e l i a b i l i t y c a l c u l a t i o n ． Th e i n t e g r i t y a s s e s s me n t o f a d o me s t i c p r o d u c t p i p e l i n e wa s c a r r i e d o u t b y t h i s s o f t wa r e ． T h e e v a l u a t i o n r e s u l t s c a n p r o v i d e a b a s i s f o r d e c i s i o n ma k i n g for t h e p i p e l i n e ma i n t e n a n c e a n d r e p a i r ． Ke y wo r d s P i p e l i n e i n t e g r i ty As s e s s me n t s o f t wa r e ； Li f e p r e d i c t i o n； De f e c t a s s e s s me n t 油气管道运输具有成本低、效率高、快捷 、可 穿越各种工况的优点 ，随着经济的发展 ，油气管道 运输在国民经济建设与发展中发挥着不可替代的作 用 ， 截至 2 0 1 5年底 ， 预计全 国油气管道干线长度将 超过 l O x 1 0 k m 。 。 随着部分管道受环境腐蚀以及运 行年限的增加 ，发生管道泄漏事故的几率也随之增 加 ，管道泄漏事故在造成巨大的经济损失的同时， 还会对周边环境造成污染 。因此 ，对油气管道进行 完整性评价与剩余寿命分析对油气管道安全运行具 有重要意义 。 管道完整性评价是确保管道能够安全地输送油 气资源的重要手段。国外诸多国家提出了管道腐蚀 缺陷的剩余强度评价标准， 其中以A P I 5 7 9 J 、 A S M E B 3 1 G 【4韫 具有代表性 ，近年来，我国也相继颁布了 几项针对腐蚀管道的剩余强度评价标准 ，如 S Y ／ T 6 1 5 1 2 0 0 9 。管道剩余寿命分析是在管道剩余强 度评价 的基础上 ，结合管道腐蚀速率 ，对管道缺陷 进行寿命预测。针对现有评价方法，单个管道缺陷 的剩余强度计算与剩余寿命分析过程已过于繁琐 ， 对于运行多年的老龄化管道，大量的管道缺陷数据 更加大了评价难度 。 基于此， 本文开发了油气管道 完整性评价与剩余寿命分析软件 I T E M S ， 并将评 价方法封装在软件计算模块，可同时对大量的油气 管道腐蚀缺陷数据进行计算，将完整性评价与剩余 寿命分析计算结果以图表形式显示，并使用该软件 对某管道进行了完整j 生 评价与剩余寿命预测 。以期 为油气管道完整性评估提供一定的理论依据。 l 软件计算模型 软件采用模块化设计 ， 便于调用。核心计算模 块由基于 A S ME B 3 1 G标， ，便于调用。核心计算模 块由基于 A S ME B 3 1 G标 ，准的管道缺陷评价模型 和基于失效压力的管道可靠性概率模型组成。 1 ． 1 基于 AS ME B 3 1 G准则的管道缺陷评价模型 油气 管道刚好发生爆破失效时 的压力 为管道 的极限压力， A S M E B 3 1 G标准对于腐蚀管道给出了 基金项 目 辽宁省教育厅科技项 目 “ 原油管道防腐涂层剩余寿命预测技术研究” ，项 目号2 0 0 6 R 3 4 。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 - 2 1 作者简介 孙东旭 1 9 9 1 ～ ，男，辽宁铁岭人，在读研究生，研究方 向从事管道完整性研究工作。E - m a i l a b c l 4 1 5 9 2 6 1 2 6 ． c o m 。 通讯作者 吴明 i 9 6 1 一 ，男 ，教授，博士生导师，从事管道完整性研究工作。E - m a i l w u m i n g 0 4 1 3 1 6 3 ． c o m 。 9 0 当 代 化 工 2 0 1 5 年 1月 爆破方程 ，该方程应用十分广泛 ，方程如下 莆鲁 ’ ≤0 ． 8， 4 ．4 7 9 2 f √Dt R 1 一 旦 0 ．8， 4 ． 4 7 9 3 t √Dt 式中 P 为管道安全运行压力， MP a ； 为安全系 数， ≥1 ．0 ；， 为管道壁厚，m m； L为腐蚀缺陷的 长度，m m； P f 为预测的腐蚀金属破坏压力，MP a ； 为预测的普通管道的破坏压力 ，MP a ；R 为管道 剩余强度系数， 0 R ≤1 ．0 ；D为管道外径， i ／ lm；d 为腐蚀缺陷的深度，m m；O S M Y s 为最小屈服强度， M Pa 。 令管道安全运行压力 等于管道最大允许操 作压力 MA O P， 由 A S ME B 3 1 G准则反推可以计算出 管道最大允许腐蚀深度，计算结果如下 f P o F - M AO P t _ O ．6 6 7 [ P o F一下 兰 ] J 。 。 ‘ 旦 0 ．8， 4 ． 4 7 9 D t 1 __ _ e xp V一 赤 ] 7 8 式中 为各个缺陷点处工作压力 P的期望值 ， MP a ；o p为各个缺陷点处工作压力 P 的方差 ； 为各个缺陷点处失效压力 P ， 的期望值 ，MP a ；哳 为各个缺陷点处失效压力P的方差； 因为 P ， 和 P是相互独立的 ，所以其联合概率 密度函数 厂 尸 r ， 等于各 自的概率密度的乘积 ， 即 f P ， 尸 ， P ， 尸 r L 9 当管道缺陷处的实际工作压力P小于管道失效 压力 时， 管道处于安全状态 ， 所 以管道的可靠性 概率 P s f e 为 P P 尸 ， f f f P ， 尸 ， d r 出 l 1 0 P Pr 为方便计算出式 1 0 中的积分，引入安全余 量 竹一P，因为 P与 独立 同分布 ， 所以 Y也是 正态分布的 ，且 y | l P f pP G 6 P f O P 加， 。 J 1 1 1 2 1 3 其中 为安全余量 的期望值，M P a ；6 为 4 安全余量 的方差。 将式 1 1 一 1 3 代入式 1 0 ， ； a ．-y - ／．ty Z， f 一 ] o ．s ’击 4 79 根据 A S ME B 3 1 G法则 ， 腐蚀缺陷深度超过 8 0 ％ 时， 腐蚀缺陷是不可接受的。 所以由式 4 或式 5 计算 出的管道最大允许腐蚀深度若大于管道壁厚的 8 0 ％，应令其等于管道壁厚的 8 0 ％。计算出最大允 许腐蚀深度 后， 由下式可以预测管道剩余寿命。 坚二 6 式中 R m l 为缺陷腐蚀速率 ，mtn ／ a 。 1 ． 2 基于失效压力的管道可靠性概率模型 由式 1 可知管道的失效压力为 尸 f ，设管道 缺陷处的实际工作压力为 尸 ，由金属材料机械性能 测试可知 尸 ， 和 P为独立 同分布的两个随机变量 ， 且 都服从正态分布， 其概率密度函数可用式 7 和式 8 表示 加 。 0 得 到 去唧 等 J dZ ㈡ 4 ’ 式 1 4 为标准的正态分布函数，令 一 ． z 一 一 一 一 ／ ． o y 6 P f O p 则最后求得管道的可靠性概率为 1 - 1 5 通过查标准正态积分表查得 Z 0 ，进而求得 管道整体可靠性概率。软件将标准正态积分表拟合 为函数曲线， 将计算得到的Z 0 代入后就可以计算出 管道的可靠性概率。 2 软件结构及功能介绍 2 。 1 软件结构 软件由 V i s u a l S t u d i o 2 0 1 0 C 编程语言编写 ， 采用 S Q L S e r v e r 2 0 0 5 作为数据库服务器， 采用模块 第 4 4卷第 1期 孙东旭 ，等 油 气管道 完整 性评价 软件 开发及应用 9 1 化设计模式以及三层架构模型。 底层为数据访问层， 度 ， 对管道进行当前完整性评价；对缺陷进行寿命 负责从数据库读取数据；中间层为业务逻辑层，对 分析， 评价管道将来完整性； 计算管道可靠性概率。 腐蚀缺陷数据进行加工；顶层为表示层，包括用户 1 统计分析管道检测得到的所有金属损失 可以直接接触到的界面以及包含在其中的功能按 缺陷和变形缺陷。软件对存储在数据库中的管道检 钮 。软件逻辑结构如图 1 所示 。 测数据进行统计分析 ，将结果 以图表的形式输 出到 2 ． 2 软件功能 显示器或打印机。包括内、外部金属损失按深度统 软件 能够从数据库读取数 据或直接 由用户输 计表 ，内、 外部金属损失和变形缺陷沿里程分布图、 入数据，对数据进行统计分析；计算缺陷处剩余强 统计柱状图、沿环焊缝分布图。 图 1 软件逻辑结构图 Fi g ． 1 S of t wa r e l o gi c s t r uc t ur e di a gr a m 2 评价管道当前完整性。 计算不同壁厚管道 E R F 预估维修比 值，画出E R F曲线图，判断缺 陷是否需要立即维修 。显示管道缺陷处的最大安全 压力与最大允许操作压力之间的关系， 画出压力图。 E R F图中，曲线上边的缺陷点是不可接受的， 需要 立 即维修 ，E R F曲线下面的点不需要立即维修 。压 力图中位于管道最大允许操作压力线 M A O P以 下 的点需要立 即维修。 3 评价管道将来的完整性。 对缺陷进行寿命 预测，制定管道维修计划，查看每年的维修计划。 表 l为预测 的五年 内需计划维修的金属损失缺陷的 数量统计表。 4 计算管道的可靠性概率， 评价管道当前可 靠性。软件基于可靠性概率正态分布概率模型根据 管道的各个金属损失缺陷的腐蚀情况计算出管道的 整体可靠性。为管道寿命评价提供依据。图六为计 算的管道可靠性概率模型。 3 应用实例 以国内某成品油管道为例，运用软件对管道进 行了完整性评价与剩余寿命预测。该输油管道始建 于 2 0世纪 9 0年代 ，运行至今 已有十余年 ；管道外 径 3 7 7 m i l l ，壁厚 6 mil l ，管材为 X 5 2钢 ，最小屈服 强度为 3 6 0 MP a 。软件根据漏磁检测数据对其进行 了完整性评价 。评价结果如下 经统计 ，在 7 9 k m长的管段上有 1 9 2 4 个金属 损失缺陷，其中内部金属损失缺陷5 0 6 个 ， 平均腐 蚀深度为壁厚的 1 0 ％， 外部金属损失缺陷 1 4 1 8 个， 平均腐蚀深度为壁厚的 1 l ％。表 1 为外部金属损失 按深度统计表。此外 ，该检测管段有变形缺陷 2 6 处 ， 根据 A S ME B 3 1 ． 8对变形缺陷的规定 ” ， 共有两 处管体凹坑需要立即修复 。 表 1 外部金属损失按深度统计表 Tabl e 1 The e x t e r nal me t al l o s s s t a tis tic s a c c or di ng t o t he d e pt h 妻 符 合 条 件 的 金 属 损 失 个 数 占 壁 厚 百 分 比 w t 。 0 ％ 1 0 ％ 1 0 ％ 2 0 ％ 2 0 ％ 3 0 ％ 3 0 ％ 4 0 ％ 大 于 4 0 ％ 总计 平均深度， ％ 对管道进行 了当前完整性评价 ，图 2为 E R F 鸲 o “ 9 2 当 代 化 工 2 0 1 5年 1月 值沿里程分布图， 由图可以看出所有点的E R F 值均 小于 1 ，目前没有需要立即维修的缺陷点。 1 l 1 ． 0 0 9 0． 8 ＆ 0 ． 7 ．工 0． 6 0． 5 0． 4 0 ． 3 0 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 8 0 0 0 0 检测里程／ 珂 图2 E RF值沿里程分布图 F ． 2 Th e ERF v a l u e d i s t r i b u t i o n m a p a l o n g t h e mi l e a g e 对不需要立即维修的缺陷点进行将来完整性评 价 ，预测每一个缺陷的维修时间，结果如表 2所示。 4 结束语 借助应用软件对管道检测数据进行评 价是完整 性管理工作的一个重要环节 ，开发 出通用性强 、兼 容性好且更加健壮的完整性管理软件是当前完整性 管理工作的重要课题。介绍了软件的计算方法以及 主要功能， 并通过实例对软件进行了测试。 经实践， 软件安全可靠、响应速度快、人机交互性强，可满 足管道 内检测数据后处理的基本要求 ，具有较好的 推广前景 。 参考文献 [ 1] 杨静，马国光． 含硫管道腐蚀预测方法l J ]．油气储运，2 0 0 6 ，2 5 1 O 5 5 5 7 ． [ 2 ] [ 3 ] 表 2 预测的五年内需维修的金属损失数量统计表 一 Ta b l e 2 S t a t i s t i c s o f pr e d i c t e d d o me s t i c r e p a i r me t a l l o s s i n l 4 J fiv eye a r s 计算管道的可靠性概率。根据检测到的 1 9 2 4 个金属损失数据，按照基于失效压力的管道可靠性 概率模型来计算管道的整体可靠性，经计算其可靠 性接近 1 ，管道整体处于安全状态 。 [ 9 ] [ 1 0] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 张圣柱，吴宗之，张健 ，等油 气管道选线和风险评价相关法规 与 方法叨． 油气储运， 2 0 1 2 ， 3 1 9 6 6 3 6 6 9 2 ． AP 1 5 7 9 2 0 0 0 ，R e c o m me n d e d P r a c t i c e F o r F i t n e s s F o r - S e r v i c e ． I S S U E 6 [ G] ．2 0 0 0 ． ANS I ／ AS ME B3 1 G 一 2 0 0 9． Ma n u a l f o r De t e r mi n i n g t h e Re ma i n i n g S t r e n g th o f C o r r o d e d P i p e l i n e [ G ] ． S Y ／ T 6 1 5 1 - 2 0 0 9钢质管道管体腐蚀损伤评价方法f s 1 ． S Y ／ T 6 4 7 7 2 0 0 0 含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法 S Y ／ T l O 0 4 8 2 0 0 3腐蚀管道评估的推荐做法『 s 1 ． 帅建， 等．基 于 C ／S 网络模式 的管道完整性管理系统 fJ 1 ．石油学 报 ．2 0 1 0 ， 3 1 2 3 2 7 3 3 2 ． 马斌 ，帅建， 李晓魁， 等．新版 A S ME B 3 1 G 一 2 0 0 9管道剩余强度评价 标准先进行分析叨． 天然气工业，2 0 1 1 , 3 1 8 1 1 2 - 1 1 5 ． 方华灿 ，赵学年 ，陈国明． 海底管线腐蚀缺陷的安全可靠性评估 l J I．石油矿场机械，2 0 0 0 ，3 0 6 1 - 4 ． A C B a i j p a i ，I M C a l u s ，J A F a i r i y ．S t a t is t i c a l Me t h o d s f o r E n g i n e e r s a n d s c i e n t is t s [ D ] ． L o u g h b o r o u g h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， J o h o Wi l e y ＆ S o n s ， 1 9 8 2 1 6 3 6 9 ． AS ME B 31 ． 8 ． Ga s T r a n s mi s s i o n a n d Di s t r i b u t i o n P i p i n g S y s t e ms l S I ． 上接 第 8 8页 参考文献 [ 1 ] Wh i t e I C ．Mo l l o y F C ． F a c t o r s t h a t d e t e r m i n e c o s t o f o i l s p i l l s [ C ] P a p e r I O S C I D 8 3 p r e s e n te d a t t h e 2 0 0 3 I n t e r n a t i o n a l O i l S p i l l C o n f e r e n c e ．Va n c o u v e r Ap r i l 6 1 O ． [ 2] I n t e r n a t i o n a Ma r i t i m e O r g a n i s a t i o n ． P r o t o c o l o n P r e p a r e d n e s s [ C ] ． Re s p o n s e a n d C o - o p e r a t i o n t o p o l l u t i o n I n c i d e n t s b y Ha z a r d o U S a n d N o x i o u s S u b s t a n c e s ，2 0 0 0 HN S P r o t o c o 1 ．a d a p t e d 1 5 Ma r c h 2 0 0 0 ． [ 3 j A n d e r s o n C ． 2 0 0 2 ． ” C a s e S t u d y B a t l i c C a r r i e r [ C J ．P r e s e n t a t i o n p r e s e n t e d a t t h e I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m O n e d a y W o r k s h o p o n Di s p o s a 1 o f Wa s t e f r o m S p i l 1 ．Lo n d o n Ma y 2 ． [ 4] T h e E n v i r o n me n t a l L i t e r a c y C o u n c i l ． r e s t i g e O i l S p i l I [ E B ／ O L ] ．／ ／ w W W ．e n v i r o l i t e r a c y ． o r g ／ s u b e a t e g o r y ． p h p ／ 2 1 7 ． h tml[ a c c e s s e d 2 7 S e p t 2 0 0 3 ． [ 5] E n v i r o n m e n t a n d H e r i t a g e S e r v i c e o f Do E NI ． Wa s t e [ E B ／ O L ]／ ／ W W W ． d o e n i ． g o v ． u k - 『 A c c e s s e d 1 0 S e p t e mb e r 2 0 0 3 ] ． [ 6] Wi l l i a m s P T ． Wa s t e T r e a t m e n t a n d D i s p o s a l [ M] ． J o h n Wi l e y ， Ch i c h e s t e r ． 2 0 0 0 ． [ 7] 7 3 ／ 7 8国际防止船舶造成污染公约[ M] ．北京 人民交通出版社， 1 9 9 9 ． [ 8 ]江彦桥 海洋船舶防污染技术[ M ] ． 上海上海交通大学出版社 ， 2 0 0 0 ．