在役天然气管道的可靠性分析.pdf

2 01 2 正 第 3期 管 道 技 术 Pi p e l i ne Te c h n i q ue 5 设 备 a n d Eq u i pme n t 2 01 2 No ． 3 在役 天然气 管道 的可 靠性分 析 周杨 飞 ， 肖超 波 广州市特种承压 设备检测研究院 ， 广东广州5 1 0 1 0 0 摘要 含缺陷天然气管道的可靠性分析是石油化工行业的一个重要课题。结合可靠性分析的定 义， 介绍了结构可靠性的基本原理， 讨论了腐蚀减薄设备的可靠性模型和可靠度的计算方法。基于可 靠性理论， 综合考虑了缺陷深度、 管道壁厚、 管道直径、 屈服强度、 操作压力等的随机性， 确定了天然气 管道的可靠度与腐蚀深度的关系。根据一次二阶矩法， 建立了腐蚀减薄管道的可靠性模型。根据在役 天然气管道的定期检验结果， 结合设备可靠性的概念， 对于在役天然气管道的减薄的危险部位进行可 靠度计算， 得 出其减薄后的失效可能性 。这对该天然气管道的风险评价和延长其检验周期有重要 的意 义 。 关键词 在役天然气管道； 减薄； 可靠性； 风险评价 中图分类号 T E 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 2 0 3 0 o o 4 0 3 Re s e a r c h o n t h e Re l i a b i l i t y An a l y s i s 0 f I n - s e r v i c e NG P i p i n g ZHOU Ya n g - f e i ， XI AO Ch a o b o Gu a n g z h o u S p e c i a l P r e s s u r e E q u i p me n t I n s p e c ti o n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Gu a n g z h o u 5 1 0 1 0 o ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f n a t u r a l g a s p i p i n g c o n t a i n i n g d e f e c t s i s a n i mp o r t a n t t a s k i n t h e p e t r o l e u m c h e mi c al e n g i n e e r i n g ． Co mb i n e d wi t h t h e d e fi n i t i o n of r e l i a b i l i t y a n a l y s i s ， t h e b a s i c p rin c i p l e o f t h e s t r u c t u r al r e l i a b i l i t y i s i n t r o d u c e d， a n d t h e n t h e r e l i a b i l i t y mo d e l a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e wall t h i c k n e s s r e d u c t i o n d e v i c e a r e d i s c u s s e d ． T h e r e l i a b i l i t y i n d e x o f NG p i p i n g i n i n v e r s e p rop o r t i o n t o t h e d e p t h d e f e c t s i s d e t e r mi n e d， wi t h a l l r o u n d c o n s i d e r a t i o n o f t h e u n c e rt a i n t i e s o f t h e d e f e c t d e p t h ， t h e p i p i n g wa l l t h i c k n e s s ， the p i p i n g d i a me t e r ， t h e y i e l d s t r e n g t h， o p e r a t i n g p r e s s u r e e t c ． T h e r e l i a b l i l i t y mo d e l of w all t h i c k n e s s r e d u c t i o n p i p i n g i s e s t a b l i s h e d， b a s e d o n t h e fi r s t - o r d e r a n d s e c o n d mo me n t me t h o d ． Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f t h e p e r i - o d i c a l i n s p e c t i o n o f i n s e r v i c e n a t u r a l g a s p i p i n g ， c o mb i n e d wi t h t h e r e l i ab i l i t y c o n c e p t ， t h e k e y p o s i t i o n o f t h e n a t u r al g a s p i p i n g a f t e r w a l l t h i c k n e s s r e d u c t i o n i s c a l c u l a t e d t h r o u g h r e l i a b i l i t y c a l c u l a t i o n， a n d the n t h e f a i l u r e p r o b abi l i t y i s o b t a i n e d． Th e f a i l u r e p r o b ab i l i t y i s i mp o r t a n t f o r t h e r i s k a s s e s s me n t a n d t h e p r o l o n g e d i n s p e c t i o n p e rio d o f t h e n a t u r a l g a s p i p i n g ． Ke y wo r d s i n s e r v i c e NG p i p i n g ； wa l l t h i c k n e s s r e d u c t i o n； r e l i a b i l i t y ； ris k a s s e s s me n t 0 引 言 天然气管道输送在 国民经济 中占有重要 的地位 ， 但因天然气具有易燃易爆等危险特性 ， 同时也带来 了 复杂的公众安全问题_ 1 j 。随着燃气管道腐蚀的加剧、 壁厚减薄 等 ， 燃气管道 的失效可能性也将不 断变化 。 对在役 的燃气管道进行可靠性分析 ， 构建一种 有效、 合理的风险评估机制， 是持续提高城市燃气管道安全 管理水平的重要途径。 1 可靠性分析的原理 结构可靠性指结构在规定 的时间内， 在规定 的条 件下 ， 完成预定功能的能力 。用结构完成预定功能 的 概率来量度结构的可靠性， 称为结构可靠度 。 收稿 日期 2 0 1 10 7一O 1 收修收稿 日期 2 0 1 11 2 0 7 1 ． 1 可 靠 度的 定义 结构可靠度是 结构可靠性 的概率 量度。其 定义 是 结构在规定 的时间内， 在规定 的条件下 ， 完成预定 功能的概率 。其值在 [ 0 ， 1 ] 之间 ， 记作 R t 。规定 的 时间是指设计使用年 限， 即结构或构件不需要大修 即 可按其预定 目的的使 用时 间； 规定 的条件 为“ 3个 正 常” ， 即正常设计 、 正常施工 和正常使用 ； 预定功能 即 安全性 、 适用性和耐久性。 上述 “ 规定 的时 间”， 一般指结构设 计基准期 ， 目 前世界上大多数 国家规定 的结构设计基准期为 5 O年。 由于荷载效应一般随设计基准期增 长而增 大 ， 而影响 结构抗力 的材料性 能指标 则随设计 基准期 的增 大而 减小 ， 因此结构可靠度与“ 规定 的时间” 有关 ， “ 规定 的 时间” 越长 ， 结构的可靠度越低 。 第3期 周杨飞等 在役天然气管道的可靠性分析 5 1 ． 2 可靠度指标 任何模式的失效过程都受 各 自随机变量 的影响。 不 同模式的失效用极 限状态函数 y x 来定义 ， r x 0为安全状态 ， Y 0则发生失效 ， Y 0为临界 状态。用极限状态函数 Y 及其联合密度函数计算 失效可能性 比较 困难 ， 因此 ， 在用极 限状态 函数y 0描述的失效模式来确定 失效可能性时， 常采用一 次二阶矩法来预测失效概率 。一般地 ， 结构 的可靠性 分析模型可用式 1 来表达 YR Js 1 式中 y为极限状态 函数； R为结构抗力 ， MP a ； S为荷 载效应 ， MP a ． 尺和 S为 2个相互独立 的正态随机变量 ， 该函数 就是典型的强度 一 应力干涉模型。 尺和 ．s 的均值和均方差分别为 、 及 ． 由概率论知识可知 ， 此时 Y也为正态随机变量 ， 其均值 和均方差 可按式 2 、 式 3 计算 R s 2 ／ 3 根据失效用极限状态 函数 Y 戈 的定义 ， 当 Y 0时， 该设备发生失效， 设备的失效概率 P ， 为 P ， ly 0 t P { 0 P { O y 4 5 y Y 6 f 6 y 由式 4 、 式 5 、 式 6 可知 P ， P { Y一 卢 } 一 7 式中 为可靠度指数； 一 为标准正态分布函数； y为标准正态随机变量 。 将式 5 代人式 4 得 P { Y ／x ， 一 } 8 将式 1 、 式 3 代入式 5 可得结构抗力 R和荷 载效应 ．s均为正 态 随机变量 时 ， 可靠度 指数 的表达 式 ／3 O “ y ／ [L R-- S 9 当R 、 S均为对数正态随机变量时， 失效概率 P ， 的 计算式为 P ，P{ Y0 } P{ 尺一 S 0} P { 詈 1 _ ln S o t 1 0 因 l n R、 I n S均为正态随机变量 ， 则可靠度指数为 ／3 兰 1 1 ,／ o - 12oR 2ln s 由以上公式可知， JB 是结构可靠度或失效概率的 量度。对于某一固定的概率密度函数而言， 值越大， 一 口 越小 ， 也就是结构具有更大的可靠度。 可靠度指数 被用作衡量结构 的可靠程度 ， 国外 已在反应堆海上采油平 台等结构设计 中应用。美 国 国家标准局制定的有关标 准， 以及其他国家颁布的标 准 中， 根据不 同的材料和结构 ， 对 提 出了建议数值。 国内的 G B 5 0 0 6 82 0 0 1 [ 9 1 等文件 中也采用 了以可靠 度指数 ／3作为结构可靠度的度量尺度。 2 在役天然气管道的可靠性计算 以广州某天然气 门站 的天然气管道 系统 为研究 对象 。该天然气门站 2 0 0 7年 9月经验收后投人使用 ， 减压后的设计压力为0 ． 4 0 M P a ， 最高使用压力为0 ． 2 0 MP a ， 管道材质为 I 2 4 5钢 ， 管道的主要规格为 0 6 ． 4 8 ． 4等 。该管道系统于 2 0 1 0年 1 2月进行了首次全 面检验 ， 发现管道表面有腐蚀减薄现象 ， 壁厚测定发 现某弯头处最小壁厚为 8 ． 1 m m． 天然气管道受工作环境的腐蚀和工作介质冲刷 的影响， 极易造成腐蚀减薄。根据全面检验结果， 确 定腐蚀减薄是该管道系统 的主要失效模式 ， 而壁厚测 定得到的最小壁厚 处是其 危险点。基于天然气管道 腐蚀减 薄的情况 ， 采用一次二 阶矩法 ， 以该天然气管 道的危险点作为分析对象 ， 对该管道 系统进行可靠性 分析 。 根据G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6 城镇燃气设计规范 。 。 ， 钢 质燃气管道直管段计算壁厚应按式 1 2 进行 ／ “ 1 6 1 2 o q Qr 经转化得到 p D ， 、 1 3 式中 为钢 管计算壁厚 ， m m； p为设计压 力， MP a ； D 为钢管外径 ， m m； 。 为钢管 的最低屈服强度 ； F为强 度设计系数 ； 为焊缝系数。 表 1为城镇燃气管道的强度设计系数表 。 表 1 城镇燃气管道 的强度设计 系数 地区等级 强度设计系数 F 一 级地区 二级地 区 三级地区 四级地区 O． 7 2 O． 6 o 0． 4 0 O． 3 0 6 P i p e l i ne Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t Ma v ．2 01 2 由于该天然气 门站地处郊外 ， 根 据 城镇燃 气设 计规范 ， 将该天然气门站的地区等级定为一级， 强度 设计系数 F取 0 ． 7 2 。 根据设备的可靠性分析模型， 建立该天然气管道 的极 限状态方程 ， 见式 1 。 该腐蚀减薄 的天然气管道 ， 结构抗力 R为钢管 的 最低屈服强度 ， 荷载效应 Js为在 当前 的壁厚情况下所 受 内压 的管道应力值。 对于腐蚀减薄的天然气管道而言， 极限状态函数 如式 1 4 所示 D D Y 一 面y 1 U 0 4 极限状态函数 y的均值和均方差用式 1 5 、 式 1 6 表示 1一 一 P 。 l D 1 5 √ 2 2 2 2 16 式中p 为操作压力， M P a ； 6 。 为公称壁厚， m m； △ 6为 壁厚损失 ， m m； t r y 为流变应力 ， ， 为材料屈服强度与 抗拉强度平均值的 1 ． 1 倍， M P a ； 。 为压力的标准差， 数值 取 0 ． 0 5 p ； ， 为 流 变 应 力 的标 准 差 ， 数 值 取 0 2 ； 为壁厚损失 的标准差 ， 数值 取 0 ． 1 A 6 ； 为 压力的偏导数 ， 值为 一 ； 为流变应力 的偏导 o ◇t 00 “ f 数， 值为 1 一 ； 为壁厚损失的偏导数， 值为 一 。 该燃气 管道 系统 的基 本参数 为 操作 压力 0 ． 2 0 MP a ， 公称直径 4 0 0 mm， 公称壁 厚 8 ． 4 m m， 最小壁厚 8 ． 1 mm； L 2 4 5钢 的屈服强度 2 4 5 MP a ， 抗拉强度 3 9 0 MP a ， 焊缝系数 1 ， 强度设计系数 F取 0 ． 7 2 。 将上述管道系统的基本参数带入式 1 5 、 式 1 6 得到腐蚀减薄后管道 系统 的均值 和均方 差 o - 如 下 ／ ．t 3 3 0． 2 MPa， 6 7 ． 4 MP a 可由式 9 得出腐蚀减薄后天然气管道的最危险 部位的可靠度指标 卢 O _ 4 ． 9 腐蚀减薄后天然气y管道的最危险部位的失效概 率 P ， 根据式 7 得 P r P{ Y- ／ 3 } 一 一 4 ． 9 4 ． 7 9 1 81 0一 腐蚀减薄后天然气管道 的最危险部位 的可靠度 f 1 一 P ， 1 - 4 ． 7 9 1 8 1 0 ～ 0 ． 9 9 9 9 9 9 5 2 0 8 由结果可以看出， 腐蚀减薄后天然气管道 的最危 险部位 的可靠度仍较高。故基于可靠性理论 ， 对腐蚀 减薄的天然气管道系统采用一次二阶矩法进行计算 ， 可以较方便地得到其可靠度 ， 进而可对该 管道 的剩余 寿命进行预测 ， 确定其检验周期。 3结束 语 主要运用可靠性理论对经全面检验后发现腐蚀 减薄的天然气管道进行分析 。确定其失效模式后 ， 综 合考虑了缺 陷深度 、 管道壁厚 、 管道 直径 、 屈服强度 、 操作压力等的随机性 因素 ， 采用一次二 阶矩法 ， 建 立 了腐蚀减薄压力管道 的可靠性模 型。根据腐蚀减 薄 处的腐蚀深度和管道 内压等因素， 计算 了在实际操作 压力为 0 ． 2 0 MP a附 近 的情 况 下 ， 管 道腐 蚀 深 度 为 0 ． 3 0 m m时， 管道有较高的可靠度。 对腐蚀减薄后天然气管道 的关 键部位进行 可靠 性计算 ， 得出腐蚀减薄后天然气管道关键部位 的失效 可能性及可靠度。这 对该天然气管道 的风险评价和 延长其检验周期有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 柳红卫． 城市天然气管道半定量风险评估方法研究． 中国 安全生产科学技术， 2 0 0 6 ， 2 3 9 61 0 0 ． [ 2 ] 赵国藩， 金伟 良， 贡金鑫． 结构可靠度理论． 北京 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 刘惟信． 机械可靠性． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 蔡文军， 陈国明， 潘东民． 腐蚀管线可靠性的研究． 石油机 械 ， 2 0 0 0 ， 2 8 3 2 5 2 8 ． [ 5 ] 张新培． 建筑结构可靠度分析与设计． 北京 科学出版社 ， 2 0 01． [ 6 ] 何水清， 王善． 结构可靠性分析与设计． 北京 国防工业出 版社 ， 1 9 9 3 ． [ 7 ] 贡金鑫， 仲伟秋， 赵国藩． 工程结构可靠性基本理论的发 展与应用． 建筑结构学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 4 2 9 ． [ 8 ] 董聪， 杨庆雄． 结构系统可靠性分析理论发展概况及若干 应用 ． 力学进展 ， 1 9 9 3 ， 2 3 2 2 0 6 2 1 3 ． 『 9 1 G B 5 0 0 6 8 --2 0 0 1 建筑结构可靠度设计统一标准． 『 1 0 ] G B 5 0 0 2 8 --2 0 0 6 城镇燃气设计规范． 作者简介 周杨飞 1 9 8 3 一 ， 工学硕士， 主要从事压力管道压力 容器的检验、 化工设备的可靠性和风险分析。