朱晏萱

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系)

隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展了一系列適用性安全評(píng)價(jià)方法，但是這些規(guī)范和方法只針對(duì)核工業(yè)及壓力容器，1991年美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)提出了ASME-B31G《確定腐蝕管線的剩余強(qiáng)度手冊(cè)》，但該規(guī)范僅適用于評(píng)價(jià)體積型腐蝕缺陷，在使用效果上達(dá)不到評(píng)價(jià)的目的。管道適用性評(píng)價(jià)技術(shù)是對(duì)含缺陷管道能否繼續(xù)使用、如何使用和使用時(shí)間進(jìn)行判定的技術(shù)，它是建立于現(xiàn)代斷裂力學(xué)、彈塑性力學(xué)及可靠性理論基礎(chǔ)上，可以對(duì)管道缺陷進(jìn)行嚴(yán)格的理論分析，對(duì)缺陷從形核、擴(kuò)展、失效及失效后果做出判斷，最終形成處理意見(jiàn)。國(guó)內(nèi)在管道適用性評(píng)價(jià)方面的研究起步較晚，對(duì)缺陷管道的適用性評(píng)價(jià)只是在近年才開(kāi)始研究[1～4]，根據(jù)國(guó)內(nèi)油氣管道的腐蝕特點(diǎn)有必要探索出適用范圍較廣、評(píng)價(jià)可靠性更高的適用性安全評(píng)價(jià)方法。

1 管道適用性評(píng)價(jià)內(nèi)容

管道適用性評(píng)價(jià)的內(nèi)容一般包含管道的剩余強(qiáng)度分析、剩余壽命預(yù)測(cè)、可靠性分析及風(fēng)險(xiǎn)管理等，管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的目的是研究某一缺陷在給定壓力下能否存在，其評(píng)價(jià)是在檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)格的理論分析，達(dá)到科學(xué)地指導(dǎo)管道的維修計(jì)劃和安全生產(chǎn)管理的目的[3，4]。管道剩余壽命預(yù)測(cè)則是預(yù)測(cè)在役管道的安全服役時(shí)間，它建立在缺陷動(dòng)力學(xué)和材料力學(xué)性能及性能退化規(guī)律之上，能夠?yàn)樵O(shè)備科學(xué)的制定檢修周期提供依據(jù)。管道可靠性分析是保證管道在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)某項(xiàng)功能(如輸送量、輸送壓力和溫度)的概率。其影響因素與剩余強(qiáng)度和剩余壽命的影響因素類似。風(fēng)險(xiǎn)管理是當(dāng)前安全評(píng)估的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用于管道上即指通過(guò)管道運(yùn)行中風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和評(píng)價(jià)來(lái)制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，通過(guò)不斷地改進(jìn)，使風(fēng)險(xiǎn)降到可接受的水平。

2 管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

2.1 ASME-B31G準(zhǔn)則方法

基本的ASME-B31G準(zhǔn)則是利用Kiefner和Vieth編譯的86個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用ASME-B31G準(zhǔn)則對(duì)管線的失效壓力或最大允許工作壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)[4～10]，但該方法預(yù)測(cè)剩余強(qiáng)度和允許工作壓力偏保守，隨后Kiefner和Vieth進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)流變應(yīng)力σf進(jìn)行修改，并修改了熱膨脹系數(shù)M：

σf=(σs+σb)/2

(1)

σf=σs+68.95

(2)

(3)

修改后的金屬損失面積A=0.85a×2c(a為缺陷深度，c為缺陷半長(zhǎng))。宋旭等認(rèn)為無(wú)論是ASME B31G：1984標(biāo)準(zhǔn)中還是ASME B31G：1991標(biāo)準(zhǔn)中，流變應(yīng)力的結(jié)果均偏保守[11]，建議將流變應(yīng)力變?yōu)棣襢=(σs+σb)/2。初飛雪等則認(rèn)為應(yīng)用樣條曲線求解腐蝕剖面曲線投影面積可以提高B31G公式的預(yù)測(cè)精度，降低B31G的保守程度[12]。

2.2 彈性極限法與塑性理論法

塑性理論法的計(jì)算模型常用Klever模型、Smith模型及彈性補(bǔ)償法等。Klever模型認(rèn)為缺陷深度、寬度以及材料特性等因素對(duì)破壞壓力和剩余強(qiáng)度都有影響，當(dāng)缺陷深度超過(guò)20%時(shí)，管線破壞壓力按薄壁管計(jì)算。Smith模型考慮管道局部破裂失效及整體彎曲失效后的模型，局部破裂失效計(jì)算出的壓力值偏高，整體彎曲失效計(jì)算出的彎矩值偏低。彈性補(bǔ)償法是對(duì)管線進(jìn)行有限元分析，對(duì)高壓力單元的彈性模量折減后使材料應(yīng)力重新分布[13，14]。

2.3 有限元分析

對(duì)管道采用有限元分析可以精確地進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，駱華鋒等在考慮幾何非線性和材料非線性時(shí)建立線彈性模型，將計(jì)算結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比后，曲線族非常吻合[15]。帥健等利用有限元分析方法對(duì)腐蝕過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了管道在未來(lái)確定時(shí)間的剩余強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)剩余壽命與可靠性進(jìn)行了預(yù)測(cè)[16]。魏化中等對(duì)組合缺陷管道采用有限元分析進(jìn)行了剩余強(qiáng)度分析，分析中同樣考慮了材料的非線性和幾何非線性[17]。

3 管道剩余壽命的預(yù)測(cè)

3.1 基于缺陷尺寸的剩余壽命計(jì)算

該方法通過(guò)對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)缺陷的應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)合材料性能計(jì)算出給定失效準(zhǔn)則(LBB、YBB)腐蝕缺陷的臨界尺寸，再根據(jù)裂紋擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出臨界缺陷尺寸的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，最后確定給定時(shí)間下的腐蝕缺陷尺寸參數(shù)，趙金洲等對(duì)灰色遺傳算法、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高木-關(guān)野NNGA和正規(guī)化NNGA法進(jìn)行了應(yīng)用比較研究[4]。

3.2 基于概率統(tǒng)計(jì)的剩余壽命計(jì)算

管道在使用過(guò)程中受周圍環(huán)境和介質(zhì)腐蝕的影響，而腐蝕尤其是局部腐蝕具有概率的特性，通常局部腐蝕進(jìn)展的最大值遵循古比(Gumbel)極值分布。管道壽命分布的密度函數(shù)有伽馬分布、指數(shù)分布、威布爾分布及正態(tài)分布等[4]。

古比極值分布的第一漸進(jìn)分布為：

F1(y)=exp{-exp[-(x-λ)/α]}

(4)

式中F1(y)——最大腐蝕深度不超過(guò)x的概率；

x——最大腐蝕深度的隨機(jī)變量；

α——腐蝕孔深度的平均值，y=(x-λ)/α；

λ——概率密度最大的孔蝕深度。

由此，第N個(gè)試樣的腐蝕平均值為：

(5)

3.3 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)管道剩余壽命

不通過(guò)缺陷尺寸對(duì)缺陷管道進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)可以運(yùn)用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行[4,18]，喻西崇等使用傳統(tǒng)的CVDA-84規(guī)范、傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、改進(jìn)的Rumelhart和MBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)注水管道的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)[18]。結(jié)果表明，CVDA-84規(guī)范偏保守，采用BP以及改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的剩余壽命和觀測(cè)值基本一致，采用改進(jìn)的Rumelhart和MBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效地提高預(yù)測(cè)速度，改善網(wǎng)絡(luò)的收斂性，并且使預(yù)測(cè)精度有所提高。

4 管道的可靠性分析

管道的可靠性計(jì)算目的是從管道運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性考慮選材、運(yùn)行參數(shù)等，通過(guò)概率斷裂力學(xué)方法分析管道的可靠性?？煽啃灾笜?biāo)有可靠度、失效概率和失效率。

4.1 管道模糊可靠度的計(jì)算方法

利用一階二矩法計(jì)算可靠度R(t)[19]：

(6)

一般情況下，式(6)的誤差較大且同一失效判據(jù)可由不同極限方程來(lái)表示，為了解決極限狀態(tài)方程缺乏統(tǒng)一性的問(wèn)題，Hasofer和Lind提出了改進(jìn)的一階二矩法，改進(jìn)的一階二矩法明確了β的物理意義，即β值等于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化空間中從原點(diǎn)到極限狀態(tài)曲面的最短距離。

4.2 改進(jìn)的Monte-Carlo數(shù)值模擬法

標(biāo)準(zhǔn)Monte-Carlo數(shù)值模擬法的理論依據(jù)是一般性大數(shù)定理，其精度隨模擬次數(shù)遞增，失效概率變小時(shí)則不適用。所以對(duì)Monte-Carlo數(shù)值模擬法從減少隨機(jī)模擬變量、重要性抽樣法和分布擬合法進(jìn)行了改進(jìn)，該法集標(biāo)準(zhǔn)Monte-Carlo數(shù)值模擬法及一階二矩法的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的適用性。

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法

求解非線性最優(yōu)化問(wèn)題的方法目前有共軛梯度法、Powell法及最速下降法等，利用這些方法優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)，但在陷入局部收斂時(shí)得不到全局收斂的最優(yōu)解，從而無(wú)法計(jì)算失效概率。遺傳算法具有全局優(yōu)化好的特點(diǎn)，可以用于計(jì)算可靠性[20～22]。

5 管道風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是國(guó)內(nèi)學(xué)者目前的研究熱點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算管道的失效概率和失效后果給出管道的風(fēng)險(xiǎn)水平，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為定性和定量?jī)煞N。定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要基于基礎(chǔ)資料分類評(píng)價(jià)，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要采集設(shè)備的建造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝物流分析數(shù)據(jù)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是對(duì)設(shè)備進(jìn)行完整的安全評(píng)估，利于企業(yè)制定合理的檢維修計(jì)劃。

5.1 定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

5.1.1故障類型、影響和致命度分析(FMECA)

采用系統(tǒng)分割的方法將評(píng)價(jià)目標(biāo)、體系分割為若干子系統(tǒng)，對(duì)子系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障及其原因等進(jìn)行逐個(gè)分析，根據(jù)故障的影響程度劃分類型等級(jí)做出風(fēng)險(xiǎn)矩陣，事故概率級(jí)別及事故后果級(jí)別分為4個(gè)級(jí)別，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備再進(jìn)行致命度C的計(jì)算，C=E×P(α+β)，其中，E為故障影響系數(shù)、P為概率影響系數(shù)、α為檢測(cè)難易程度、β為修復(fù)難易程度，計(jì)算完畢后再根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取預(yù)防性措施[4，23]。

5.1.2專家評(píng)分法

專家評(píng)分法是由Wuhlbauer W K提出的定性評(píng)價(jià)方法，該方法易于操作，適合基層管理人員進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，其基本步驟為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)資料和調(diào)查資料進(jìn)行評(píng)分，將評(píng)分相加，再計(jì)算泄漏沖擊指數(shù)，最后進(jìn)行綜合計(jì)算，計(jì)算相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)[24]。胡燈明等采用多因素敏感性分析法，對(duì)Muhlbauer W K指數(shù)評(píng)價(jià)法模型本身的影響因素進(jìn)行敏感性分析，確定各影響因素對(duì)管道評(píng)價(jià)指數(shù)影響的大小[25]。張艷橋和趙薇則認(rèn)為將模糊數(shù)學(xué)與評(píng)分法相結(jié)合進(jìn)行安全評(píng)定能更加客觀評(píng)價(jià)管道的風(fēng)險(xiǎn)[26]。

5.2 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算一般包括失效概率計(jì)算與失效后果計(jì)算，失效概率計(jì)算前需采集管道的設(shè)計(jì)、安裝、環(huán)境、運(yùn)行以及檢驗(yàn)等資料[27]，再按照相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算各單元的失效概率，目前國(guó)外許多國(guó)家均建立了管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)，失效后果計(jì)算需確定代表性的流體和流體物流組分，特別是腐蝕性雜質(zhì)的組分，結(jié)合前面采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終計(jì)算。目前中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究中心和合肥通用機(jī)械研究院開(kāi)展的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)逐漸成熟，同時(shí)對(duì)國(guó)外軟件本土化提出了一些建設(shè)性的意見(jiàn)，隨著一些技術(shù)規(guī)程將該方法陸續(xù)納入，風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)評(píng)估在國(guó)內(nèi)會(huì)快速得到發(fā)展[28～32]。

5.3 半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由于定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)耗費(fèi)大量時(shí)間、人力、財(cái)力，半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不需要定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的大量數(shù)據(jù)，通過(guò)半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指出高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，API581的后果模型簡(jiǎn)化了存量，后果面積是按照結(jié)果類別進(jìn)行劃分的，而營(yíng)業(yè)中斷和環(huán)境后果不包含在該評(píng)價(jià)方法中，在可能性風(fēng)險(xiǎn)分析中，技術(shù)模塊子系數(shù)值通過(guò)簡(jiǎn)單的可能性類別進(jìn)行分配。

6 結(jié)束語(yǔ)

缺陷管道適用性評(píng)價(jià)技術(shù)正不斷研究與發(fā)展，相關(guān)研究單位、研究人員已形成了一套有效的評(píng)估體系，隨著斷裂力學(xué)的不斷發(fā)展及計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的逐漸完善，管道適用性評(píng)價(jià)方法與完整性管理會(huì)逐漸標(biāo)準(zhǔn)化、體系化。在學(xué)習(xí)國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，消化吸收先進(jìn)的研究方法，改進(jìn)已有評(píng)估方法的局限性，使之適合國(guó)內(nèi)管道的運(yùn)行現(xiàn)狀，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，也為建立和完善我國(guó)適用性、完整性評(píng)價(jià)技術(shù)、規(guī)范打下基礎(chǔ)。

[1] 董紹華.管道完整性技術(shù)與管理[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：133～153，249～255.

[2] 嚴(yán)大凡，翁永基，董紹華.油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與完整性管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：50～70.

[3] 王正濤，李著信，褚家榮.含缺陷管道評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，20(4)：76～79.

[4] 趙金洲，喻西崇，李長(zhǎng)俊.缺陷管道適用性評(píng)價(jià)技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005：80～208.

[5] 胡永全，趙金洲，鄔亞玲.腐蝕管道的剩余強(qiáng)度計(jì)算方法研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(3)：281～287.

[6] 賈建東，丁運(yùn)亮，劉曉明.復(fù)合材料層合板沖擊后剩余強(qiáng)度的工程估算方法和有限元模擬分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(3)：335～339.

[7] 付道明，孫軍，賀志剛，等.預(yù)測(cè)腐蝕管道剩余強(qiáng)度的新方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23(4)：12～18.

[8] 尹國(guó)耀.在役管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[J].焊管，2006，29(5)：81～82.

[9] 趙新偉，路民旭，白真權(quán).在役輸氣管道安全評(píng)價(jià)[J].石油機(jī)械，2000，28(z)：106～108.

[10] 壓力容器學(xué)會(huì)，化工機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)會(huì). 壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范CVDA-1984[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1984，(6)：1～18.

[11] 宋旭，張振文，閏琳，等.基于管道爆破試驗(yàn)對(duì)ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)參數(shù)的修正[J].焊管，2008，31(1)：84～87.

[12] 初飛雪，仇斌，劉秀敏，等.應(yīng)用修正的B31G公式預(yù)測(cè)腐蝕管道失效應(yīng)力[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24(8)：19～21.

[13] 范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：50～150.

[14] 許強(qiáng).薄壁曲梁線彈性理論和彈塑性穩(wěn)定極限承載力分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[15] 駱華鋒，白清東，王莉.基于有限元法在腐蝕管道剩余強(qiáng)度中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，23(8)：6335～6337.

[16] 帥健，張春娥，陳福來(lái).非線性有限元法用于腐蝕管道失效壓力預(yù)測(cè)[J].石油學(xué)報(bào)，2008，29(6)：933～937.

[17] 魏化中，周小兵，舒安慶，等.含組合腐蝕缺陷壓力管道剩余強(qiáng)度分析[J].化工設(shè)備與管道，2007，44(2)：42～44.

[18] 喻西崇，趙金洲，胡永泉，等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)注水腐蝕管道的剩余壽命[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(6)：11～14.

[19] 明菲，曹長(zhǎng)修.基于關(guān)聯(lián)規(guī)則和模糊判據(jù)的高爐管道評(píng)價(jià)方法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，23(3)：150～153，180.

[20] 魏碧霞，楊曉翔，郭金泉，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(2)：20～23.

[21] 王軍防，于倩秀.基于未確知測(cè)度理論的油氣管道安全評(píng)價(jià)模型[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(5)：14～18.

[22] 張靜，樊建春，溫東.基于故障樹(shù)的油氣管道泄漏模糊可靠性評(píng)估[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(6)：401～406.

[23] 羅鵬，趙霞，張一玲.國(guó)外天然氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)案例分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(2)：137～140.

[24] Muhlbauer W K著，楊嘉瑜，張德彥，李欽華，等譯.管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005：14～98.

[25] 胡燈明，羅山，蔣全龍.管道指數(shù)安全評(píng)價(jià)法敏感性分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2010，(2)：5～10.

[26] 張艷橋，趙薇.Muhlbauer評(píng)分法在輸油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2010，36(1)：69～72.

[27] API581-2000，Risk-based Ispection Base Resource Document[S].Washington D C：API Publishing Services，2000.

[28] 陳學(xué)東，艾志斌，楊鐵成，等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)(RBI)中以剩余壽命為基準(zhǔn)的失效概率評(píng)價(jià)方法[J].壓力容器，2006，23(5)：1～5.

[29] 陳學(xué)東，楊鐵成，艾志斌，等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)(RBI)在實(shí)踐中若干問(wèn)題討論[J].壓力容器，2005，22(7)：36～44.

[30] 劉展，王智平，俞樹(shù)榮，等.基于RBI的壓力管道風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)技術(shù)研究——壓力管道風(fēng)險(xiǎn)管理理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究(8)[J].石油化工設(shè)備，2008，37(5)：5～8.

[31] TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2009.

[32] 朱立劍.液化天然氣管線SCADA系統(tǒng)安全分析與風(fēng)險(xiǎn)防范[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(2)：272～274.