油气管道运行安全与完整性管理.pdf

专家论坛 口中国石油天然气集团公司咨询中心李鹤林 中国工程院院士 接要随着世器油气工业的发展，汝气管道运输监遗逮兴起，管遭越镶越长，管径越来越大，但翻伴 尚生的管道破裂、爆炸、起火等等事故也屡屡发生，这类事故往往造成巨大的经济损失、人身伤亡和环境破坏。 因此，世界各国对油气运输管道的运行安全问题都特别重视，为防不测，研究开发了许多预测、检测、预防、 分析、诊断等方法和技术，对降低事故发生频率起了很大的作用。油气管道的完整挂和完整性管理是最近几年 在以驻方法和摄拳的基磁上提交黪一秘羲魏念、麓方法、新技术，也是管道互程技术领域谚究的热点，本文缎 合国内外大量的实际情况对此进行了系统介绍，提出了加强这方面研究工作的重要意见和建议。 关键词油气管道失效分析完整憾管理 管道运籍是石油、天然气最经游、最合瑾的一种运输 方式。由于石油、天然气的易燃、易爆和具有毒性等特 点，管道的安全运行非常重要。 油气输送管道长时间服役后，往往因外部干扰、腐 蚀、管材和施工凌基等原因发生失效事故，吾| 起火灾、爆 炸和周围人畜中毒，造成重大经济损失、入员伤亡和环 境污染。在油气管道失效事故发生后，及时对失效模式、 机理和原因进行分析和诊断，对于减少管道失效事故、防 止类饭事故的耋演具有重要的意义。近年来，国外在继 续蓬视油气管道失效分析工作的同时，提出了管道完整 性管理的理念，并制定了相关的标准和规范。国外的研 1 8 石涵科技论坛 2 ∞7 。2 究与实践认为，遗过涟气管道完整性管理不{ 叉可以大大 降低管道事故发生攀，而且能够避免不必要和无计划的 管道维修和更换，从而获得巨大的经济效益和社会效益。 一、油气管道失效模式、原因与后果 2 0 世纪5 0 年代以来，随着漓气管道的大量铺设，管 道事故屡屡发生，并造成了一系列灾难性后果。据统计， 迄今为止管道破裂裂缝最长的事故是1 9 6 0 年美国T r a n s ～ w e s t e m 公司的一起输气管道脆性破裂事故。这条管道管 径3 0 讯 7 6 2 m m ，锻级X 5 6 ，裂缝长度达1 3 k m ％损 失最惨重的一起事故是1 9 8 9 年前苏联乌拉尔山隧道附近 万方数据 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 专家论坛 期管线材质不良，螺旋焊管制造质量差，现场焊接质量 不过关，焊缝存在未熔合、噘嘴、补焊产生的未回火马 氏体等缺陷，对H ，S 应力腐蚀比较敏感。 随着管道的大量敷设和长期运行，管道事故越来越 多，除前面提到的案例外，这里再举几个国外典型管道 失效事故的例子 1 1 9 6 5 年，美国路易斯安那州发生一起严重的输 气管道爆裂事故，当场炸死1 7 人，钢管爆裂8 m 。 2 1 9 8 9 年5 月，美国加利福尼亚州发生一起直径 3 5 5 ．6 m m 1 4 i n 成品油输送管线泄漏着火事故，造成2 人死亡，3 1 人受伤。 3 1 9 8 9 年1 0 月，离美国得克萨斯州海岸0 ．8 k m 处， 一条直径4 0 6 ．4 m m 1 6 i n 天然气管线破裂，泄漏气体爆 炸着火，使附近一条渔船损坏，人员全部遇难。 4 1 9 9 4 年3 月，美国新泽西州境内一条大口径天 然气管道断裂，引起大火，附近8 幢大楼化为灰烬。破断 处以前曾发生过机械损伤，管壁减薄。 5 1 9 9 5 年7 月2 9 日，加拿大T r a n s C a n a d a 公司 的一条输气干线在M a n i t o b a 附近发生爆炸，造成3 条天 然气管道输气中断，爆炸产生的火球在3 0 m i l e 以外都能 看见。 6 2 0 0 0 年8 月，美国新墨西哥州发生一起天然气 管道爆炸事故，造成1 2 人死亡。该管道于1 9 5 0 年建造， 破裂处可以发现明显的内腐蚀坑。 7 2 0 0 4 年7 月3 0 日，比利时布鲁塞尔以南4 0 k m 处发生一起天然气管道爆炸着火事故，造成2 1 人伤亡。管 道钢级x 7 0 ，管径3 6 i n 9 1 4 ．4 m m ，壁厚1 0 m m 。爆炸原 因系第三方损伤引起，损失尺寸为长2 8 0 m m ，深7 m m ， 损伤处剩余壁厚3 m m 。 我国油气输送管线事故也曾多次发生，比较典型 的有 1 1 9 9 8 年7 月1 8 日，四川大天池气田天然气管线七 桥输气站分离器管道发生爆炸事故，死亡4 人。失效分析 确认该事故为化学爆炸，是管道内天然气与空气混合，达 到发生爆炸的临界值所致。起因是管道内有氧，使硫化 物自燃。 2 1 9 9 4 1 9 9 5 年胜利油田发生3 起稠油热采用注蒸 汽管道的爆管事故，损失达3 0 0 0 万元。湿蒸汽发生器 直 2 0 石油科技论坛 2 0 0 7 ．2 流式锅炉 炉管同样发生多起爆管事故。事故中管道使 用寿命最短的仅有4 3 天，一般为1 年左右。 3 四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引 起的爆裂事故，其中一起发生在1 9 9 5 年底，泄漏的天然 气引起了火灾。管道为妒7 2 0 8 ．1 6 m m 螺旋焊管，工作 压力为1 ．9 ～2 ．5 M P a 。 4 2 0 0 4 年陕京线榆林神木附近发生天然气泄漏事故， 幸未发生爆炸及火灾，也无人员伤亡。经调查，系第三 方损坏所致。 二、油气管道完整性管理 鉴于管道缺陷和损伤不能完全避免和杜绝的实际情 况，国外在2 0 世纪6 0 年代末期便开始了在役管线的检测 和剩余强度评价，并逐步把它纳入压力管道标准。2 0 世 纪9 0 年代，随着国际上对管道运行经济性和安全性兼顾 的要求逐步升级，欧美等发达国家提出了管道适用性评 价和风险评价的概念。经过1 0 余年的发展，已形成许多 评价标准和规范，之后，2 0 0 1 年，A P I 和A S M E 提出管 道完整性管理的概念，并颁布了有关的标准和规范，即 A P I1 1 6 0 ㈣和A S M EB 3 1 ．8 S 【0 ] 。目前，油气管道完整性 管理已成为管道工程领域研究的热点。通过管道完整性 管理，不仅可以大大减少管线事故发生率，而且可以避 免不必要和无计划的管道维修和更换，从而获得巨大经 济效益和社会效益。 管道完整性是指管道始终处于完全可靠的服役状态， 其内涵包括三个方面一是管道在物理上和功能上是完 整的；二是管道始终处于受控状态；三是管道运营商已 经并仍将不断采取措施防止失效事故发生[ 1 0 】。 管道的完整性管理是指管道运营商持续地对管道潜 在的风险因素进行识别和评价，并采取相应的风险控制 对策，将管道运行的风险水平始终控制在合理的和可接 受的范围之内。换言之，管道完整性管理就是对影响管 道完整性的各种潜在因素进行综合的、一体化的管理。 油气管道完整性管理的流程如图3 所示。 完整性管理是由“潜在危险因素的识别及分类”、“数 据的采集、整合及分析”、“风险评价”、“完整性评价 在 基于风险的检验前提下进行 ”、“完整性评价结果的决 策、响应和反馈”等5 个方面的管理组成，并形成闭环系 万方数据 w w w . b z f x w . c o m 数据摩 失散察错0骤1 潜在危险因素的识别及分类对所有危险因素评价甲步骤2 数据的采集、整合及分析步骤3 风险评价基于风险的检测步骤4 完整性评价步骤5 完整性评价结果的决策、响应和反馈图3 油气管道完整性管理流程统。管道完整性管理的基础是完整性评价，包括管道本体的适用性评价、站场设施 压缩机等 的故障诊断、地震及地质灾害评估等等。现代发展起来的I T 技术大大提升了油气管道完整性管理的水平。油气管道完整性管理是跨学科的系统工程。它所涉及的不仅仅是自然科学与工程技术，而且包括政策、法律、经济、管理等社会科学。在工程技术层面上，完整性管理和石油工程、机械工程、材料科学与工程、工程力学、可靠性工程、信息科学与工程等学科有密切关系。从实用角度讲，它的关键技术包括失效分析及失效案例库的建立、危险因素与危险源识别技术、风险评价技术、管道检测技术、适用性评价技术、机械设备故障诊断技术、地质灾害评估技术、地理信息系统 G I S 的建立等等。下面着重对管道风险评价、基于风险的管道检测技术、含缺陷管道适用性评价技术的进展作些介绍。1 ．管道风险评价技术风险的定义为失效概率 F a i l u r eP r o b a b i l i t y 和失效后果 F a i l u r eC o n s e q u e n c e 的乘积。某一种失效带来的风险是尺括b2C s 气 1 式中，s 代表失效类型，对于油气输送管道的风险应是各种可能失效类型带来的风险求和尺括庀 ∑R 括尼。 ∑ c 。C 2 风险值可以量化，如美元／年、元／年等。进行风险评价之前，首先应对所评价管道的潜在危害因素进行识别。管道的潜在危害因素包括制管缺陷、现场施工缺陷、内外电化学腐蚀、应力腐蚀、第三方破坏和地质灾害等。完成危害因素识别后，对管道失效案例、管道属性数据 运行参数、材料参数等 、环境数据等进行综合分析，并在此基础上开展管道的风险评价。风险分析的方法有 1 定性风险分析方法，即专家打分方法、风险矩阵方法和故障树方法。定性风险评价方法可以对管线系统各部分进行快速风险排序，虽然比较粗略，但可以为基于风险检测提供基础。目前比较普遍的做法是采用如表1所示4 4 的风险指数矩阵，按高风险、中高风险、中风险和低风险来分级。表1 定性风险指数矩阵誊ABCD失效后果～频繁发生很可能发生有时可能发生不太可能发生l 灾难的986dI l 严重的8753⋯轻度的6542I V 轻微的4321 2 定量分析方法，即概率风险评价 P R A 方法。它是将失效概率和失效后果的值代入公式 2 中求出管线系统的总风险值。定量风险评价方法往往分析过程比较复杂，而且需要数据库做支撑。 3 半定量风险评价方法，即以风险指数为基础的风险评价方法。它能够克服定量风险评价过程中缺少数据的困难，这一方法已在加拿大和美国管线风险管理中广泛应用。中国石油天然气集团公司管材研究所作为会员单位，参加了加拿大C F E R 公司牵头组织，国际上1 0 多个国家的管道公司和研究机构参加的名为P I R A M I D 的工业界联合研究项目，拥有代表国际先进水平的P I R A M I D 管道风险评估软件，利用P I R A M I D 软件可以对油气长输管线进行风险定量评价，能很好地完成管线系统的风险排序。在我国“西气东输”管道工程设计阶段就采用此软件对全线进行了风险预评估。2 ．基于风险的管道检测技术基于风险的检测 R B I 是以风险评价为基础，用于对检测方案进行优化安排的一种方法。它是将检测重点放在高风险 H R A 和高后果 H C A 的管段上，而把适当的力量放在低风险部分。在给定的检测活动水平下，基于风险的检测更有利于降低管道运行的风险。管道检测技术包括智能内检测技术和外检测技术。2 0 0 7 ．2石油科技论坛2 l 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 万方数据 w w w . b z f x w . c o m 及建筑施工、农民耕地、人为破坏等原因造成的损伤，缺陷类型包括表面凹坑 D e n t 、沟槽 G o u g e 以及凹坑 沟槽 D e n t G o u g e 。剩余强度评价方法大体归结为以下四种一是基于大量含缺陷管段水压爆破试验得到的半经验公式；二是基于弹塑性力学和断裂力学理论的解析分析方法；三是有限元数值计算方法；四是基于含缺陷管道的失效判据，结合概率和可靠性理论，建立含缺陷管道的概率完整性评价方法。国际上从2 0 世纪7 0 年代初就开始进行含缺陷管道的剩余强度评价方法研究，目前已形成许多评价标准和规范。对于体积型缺陷的评定，基于K i e f n e r 和M a x e y等人于2 0 世纪7 0 年代研究建立的半经验断裂力学关系式[ 1 4 ，1 5 ] ，形成了以A s M EB 3 1 G 1 9 9 1 年 m 1 和C A N ／C S AZ 1 4 4 一M 8 6 1 9 8 6 年 n 7 1 为代表的评价标准和规范。从2 0 世纪9 0 年代开始，为避免B 3 1 G 方法的过分保守性，国际上对局部腐蚀缺陷的评定方法又开展了大量研究工作，并颁布了新的标准和方法，包括D N VR PF 1 0 1 1 9 9 9 年 [ 1 8 1 和A P IR P5 7 9 [ 1 9 】的第5 章 2 0 0 0 年等。对于平面型缺陷的评定，主要采用弹塑性断裂分析方法，包括E P R I 方法‘20 | 、C E G BR 6 [ 2 1 1 方法、A S E MX I篇I W B 一3 6 4 0 附录C “奥氏体管道缺陷验收准则以及评定规程”【2 2 1 和I W B 一3 6 5 0 附录C “铁素体管道缺陷验收准则以及评定规程”[ 23 | 。对于几何缺陷，A P IR P5 7 9 的第8 章给出了管体不圆、直焊缝噘嘴和错边的评价方法。对于弥散损伤型缺陷，A P IR P5 7 9 的第6 章给出了点腐蚀损伤的评定方法，但评定过程，尤其是缺陷的定量化过程太复杂，工程上难以操作和应用。另外，对氢鼓泡评价也仅给出了粗略的指导性做法。对于机械损伤缺陷的评定方法，尽管国际上从2 0 世纪8 0 年代末期以来已开展了不少研究，但尚未形成系统的评价规范和标准。剩余寿命预测涉及的缺陷类型包括平面型缺陷、体积型缺陷和弥散损伤型缺陷，涉及的缺陷发展速度类型包括腐蚀速率、亚临界裂纹扩展速率和损伤速率。剩余寿命的方法大体有两种一是基于现场检测和监测积累的数据进行预测。腐蚀检测是利用内外腐蚀检测技术定期进行管道的缺陷检测，从而获得缺陷的动力学发展规律。监测技术包括现场挂片试验、腐蚀探针等技术，通过监测可以实时得到缺陷的动力学发展规律。二是在实验室内模拟管道服役环境进行缺陷增长规律试验，通过模拟试验获得缺陷的动力学发展规律，然后对管道剩余寿命进行预测。但应当注意，这里主要论述的是管材本身的剩余寿命预测，实际上，对于具体管线的剩余寿命，还应当考虑管线防腐层的有效保护寿命和缓蚀剂的有效保护寿命问题。有关这方面的研究虽有报道，但总的来说难度很大。管材研究所从“九五”开始，在中国石油天然气集团公司多个项目的资助下，在借鉴国外先进技术的基础上，结合我国管线的特点，通过研究攻关，建立了系统的含缺陷油气输送管道适用性评价方法，并在螺旋焊缝几何缺陷评定方法[ 2 刚、弥散损伤缺陷的剩余强度和剩余寿命预测方法【2 7 J 、腐蚀管道抗压溃评估准则m 】、管道三维断裂准则∞】、基于F A D 图的双参数疲劳寿命预测方法【3 0 】、基于可靠性的腐蚀寿命预测方法⋯1 等方面取得了创新性的成果，开发了工程适用的管道适用性评价软件口2 | 。目前适用性评价技术已在2 0 余条油气输送管道上推广应用，经济效益和社会效益显著。三、油气管道失效分析与完整性管理的关系油气管道的失效分析是判断失效模式、分析失效原因、确定预防措施的技术活动和管理活动。完整性管理是对影响管道完整性的各种潜在因素进行综合的、一体化的管理。失效分析和完整性管理的作用和目的都是为了最大限度地杜绝油气管道恶性事故的发生，保障油气管道安全运行。在功能上，失效分析侧重于失效模式和失效原因的诊断，而完整性管理是预测、预防失效事故的全面、科学、有效的方法。油气管道的失效模式是多种多样的，失效原因也是相当复杂的。对某一特定油气管道 或管段 实施完整性管理，首先应尽可能搞清楚这条管道 管段 或与其服役条件相似的管道 管段 已进行的失效分析工作及其结论。最好的办法是广泛搜集国内外油田管道失效案例，建立较完善的失效案例库。2 0 0 7 ．2石油科技论坛2 3 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 万方数据 w w w . b z f x w . c o m 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载