黃賢濱 ，劉小輝

（1.中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島266071；2.危險化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島266071）

0 引 言

腐蝕是引起管道事故的主要原因之一，必須對已經(jīng)被腐蝕的管道進行可靠性評估，才能作出正確的運行維護決策。由于管道材料性能的離散性、管道承受載荷的不穩(wěn)定性以及缺陷檢出尺寸的隨機性等原因，采用標準ASME B31.G等確定性分析方法時不得不增大安全裕量，從而使得評估結(jié)果偏于保守，不確定性因素的分析應采用不確定性的方法。可靠性評估就是基于可靠性理論，考慮管道缺陷尺寸和管道承受的載荷、管道材料性能等變量的隨機特性，建立腐蝕管道的極限狀態(tài)模型，對管道可靠性進行分析的一種方法。

1 腐蝕管道基于可靠性的風險評估

1.1 腐蝕管道失效極限狀態(tài)方程

管道腐蝕后其狀態(tài)可定義為安全、小泄漏、大泄漏和破裂4種可能性之一的離散量。大泄漏和破裂失效條件可用管道承載能力與管道所承受的壓力之差來表示。

式中：u—管材拉伸強度，MPa；

s—管材屈服強度，MPa；

d—管道直徑，mm；

τ1—大泄露和破裂失效時間；

l—缺陷長度，mm；

t—管道壁厚，mm；

have—腐蝕缺陷平均深度，mm；

p—管道內(nèi)壓，MPa；

c1，c2，c3，c4—ASME B31G 模型誤差系數(shù)；

m(τ1)— Folias系數(shù)。

管道破裂失效定義為缺陷在管道環(huán)向應力作用下沿管道長度方向發(fā)生的不穩(wěn)定擴展，破裂極限狀態(tài)方程可分兩種情況表示。

式中：p—操作壓力，MPa。

小泄漏定義為缺陷以小孔形式泄漏、失效過程尚不足引起管道軸向撕裂的失效狀態(tài)，如深長和深度較大的單個腐蝕坑，極限狀態(tài)方程表示為

式中：τ2—小泄漏的時間；

hmax—最大腐蝕深度，mm。

1.2 腐蝕管道失效可能性

管道總失效可能性表示為

式中：Pf—管道失效可能性，次/km-yr。

1.3 腐蝕管道可靠性表征

管道的可靠與失效是兩個互補事件，可將管道的可靠性表示為

1.4 可靠性目標

標準CSA Z662中將可靠性目標表示為管道直徑、操作壓力和人口密度的函數(shù)。ISO 16708中給出了基于歐洲和美國管道事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的可靠性目標。

2 工程應用

某原油管道建成于1978年，最高工作壓力為4.2 MPa，最高輸油溫度為70℃，管材為16Mn螺旋焊縫鋼管，管道規(guī)格為φ720 mm×8 mm。2010年對該管道進行了內(nèi)檢測，共檢測出183處腐蝕缺陷。2011年采用管道可靠性評估軟件PIRAMID，對該條管道進行了基于可靠性的風險評估。

2.1 風險分析

根據(jù)管道維修情況、檢測情況、管道安裝時間、管徑以及管道所處的地理位置等，將該段管線分為190段。根據(jù)管道的風險變化情況可以看出，管道風險隨著使用年限的增長越來越大，主要表現(xiàn)為失效可能性越來越高。降低管道的操作壓力可以從整體上顯著降低管道的風險水平，而針對缺陷部位的局部維修只能降低維修部位的風險水平。

2.2 可靠性目標

我國還沒有開展長輸管道基于可靠性的風險評估，同時缺乏長輸管道事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。由于所評估管道處于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，人口密集，確定管道的可靠性目標時應當綜合考慮管道的失效模式和所處的地區(qū)等級等因素。本研究綜合考慮標準CSA Z662和ISO 16708對于可靠性目標的要求，給出了最大允許操作壓力為3.8 MPa和4.2 MPa時的可靠性目標，具體內(nèi)容見表1～表2。

表1 最大允許操作壓力3.8 MPa時管道可靠性目標

表2 最大允許操作壓力4.2 MPa時管道可靠性目標

表3和表4給出了位于高密度居民區(qū)的管道主要腐蝕部位風險評估結(jié)果。從評估結(jié)果可看出，該段管線發(fā)生破裂失效可能性要比小泄漏和大泄漏可能性高，破裂失效為主導失效模式，這與檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷長度較長有關。例如，檢測后第一年，11號管段，包含10號（壁厚減薄18%，長度70 mm）和11號（壁厚減薄19%，長度520 mm）兩個腐蝕特征點，大泄漏失效可能性為1.8518E-4次/km-yr；47號管段，包含46號（壁厚減薄25%，長度580 mm）腐蝕特征點,小泄漏可能性為2.9988E-42次/km-yr，破裂失效可能性為1.1823E-4次/km-yr。

2.3 運行維護策略

維持現(xiàn)有最大允許工作壓力4.2 MPa條件下，今后6年需要立即維修的部位有54處；降低操作壓力至3.8 MPa時，需要維修的部位有32處，減少維修工作量約40%，管道維修成本顯著降低。因此，在滿足可靠性目標要求的條件下，建議優(yōu)先采用降壓輸送和局部維修的運行維護策略。

表3 最大允許操作壓力4.2 MPa時管道維修計劃

表4 最大允許操作壓力3.8 MPa時管道維修計劃

續(xù)表

3 結(jié) 論

隨著我國管道里程的不斷增加及管道使用年限的增長，如何對管道安全狀況進行量化評估成為擺在管道行業(yè)的難題。腐蝕管道基于可靠性的風險評估是將可靠性工程、剩余強度評估、風險評估技術相結(jié)合而發(fā)展起來的一種系統(tǒng)化的定量風險評估方法，采用可靠性目標為參量，實現(xiàn)了以量化指標輔助制定管道運行維護計劃，將管道運行維護策略與管道風險水平直接關聯(lián)起來，直觀顯示所采取的運行維護策略對降低管道風險的作用，使得管道的管理更加科學化，也有助于相關部門考核管道的安全管理狀況。

本研究借鑒ISO和加拿大的相關標準，建立了我國的可靠性目標，其適用性還有待時間的檢驗。適合我國管道的可靠性目標應當基于管道事故數(shù)據(jù)以及管道安全管理和技術水平，這有待我國管道事故數(shù)據(jù)庫的建立與完善。

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