孫東旭，趙 玲，吳 明，劉廣鑫

（遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

綜合評述

油氣管道完整性評價軟件開發(fā)及應(yīng)用

孫東旭，趙 玲，吳 明，劉廣鑫

（遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

管道完整性評價軟件對提高完整性評價工作效率具有重要意義。研制開發(fā)了油氣管道完整性評價與剩余壽命分析軟件，核心計算模塊由基于ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)的管道缺陷評價模型和基于失效壓力的管道可靠性概率模型組成。軟件包含數(shù)據(jù)統(tǒng)計、當(dāng)前完整性評價、將來完整性評價和管道可靠性計算四個功能模塊。以國內(nèi)某成品油管道為例，運(yùn)用軟件對其進(jìn)行了完整性評價，評價結(jié)果為管道的維護(hù)維修提供了決策依據(jù)。

管道完整性；評價軟件；壽命預(yù)測；缺陷評價

油氣管道運(yùn)輸具有成本低、效率高、快捷、可穿越各種工況的優(yōu)點(diǎn)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣管道運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，截至2015年底，預(yù)計全國油氣管道干線長度將超過10×104km[1,2]。隨著部分管道受環(huán)境腐蝕以及運(yùn)行年限的增加，發(fā)生管道泄漏事故的幾率也隨之增加，管道泄漏事故在造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失的同時，還會對周邊環(huán)境造成污染。因此，對油氣管道進(jìn)行完整性評價與剩余壽命分析對油氣管道安全運(yùn)行具有重要意義。

管道完整性評價是確保管道能夠安全地輸送油氣資源的重要手段。國外諸多國家提出了管道腐蝕缺陷的剩余強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)，其中以API 579[3]、ASME B31G[4]最具有代表性，近年來，我國也相繼頒布了幾項針對腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)[5-7]，如SY/T6l5l 2009。管道剩余壽命分析是在管道剩余強(qiáng)度評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道腐蝕速率，對管道缺陷進(jìn)行壽命預(yù)測。針對現(xiàn)有評價方法，單個管道缺陷的剩余強(qiáng)度計算與剩余壽命分析過程已過于繁瑣，對于運(yùn)行多年的老齡化管道，大量的管道缺陷數(shù)據(jù)更加大了評價難度[8]。基于此，本文開發(fā)了油氣管道完整性評價與剩余壽命分析軟件（ITEMS），并將評價方法封裝在軟件計算模塊，可同時對大量的油氣管道腐蝕缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將完整性評價與剩余壽命分析計算結(jié)果以圖表形式顯示，并使用該軟件對某管道進(jìn)行了完整性評價與剩余壽命預(yù)測。以期為油氣管道完整性評估提供一定的理論依據(jù)。

1 軟件計算模型

軟件采用模塊化設(shè)計，便于調(diào)用。核心計算模塊由基于ASME B31G標(biāo)，，便于調(diào)用。核心計算模塊由基于ASME B31G標(biāo)，準(zhǔn)的管道缺陷評價模型和基于失效壓力的管道可靠性概率模型組成。

1.1 基于ASME B31G準(zhǔn)則的管道缺陷評價模型

油氣管道剛好發(fā)生爆破失效時的壓力為管道的極限壓力，ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)對于腐蝕管道給出了爆破方程，該方程應(yīng)用十分廣泛[9]，方程如下：

式中：Psw為管道安全運(yùn)行壓力，MPa；Fs為安全系數(shù)，F(xiàn)s≥1.0；t為管道壁厚，mm；L為腐蝕缺陷的長度，mm；Pf為預(yù)測的腐蝕金屬破壞壓力，MPa；P0為預(yù)測的普通管道的破壞壓力，MPa；Rs為管道剩余強(qiáng)度系數(shù)，0＜Rs≤1.0；D為管道外徑，mm；d為腐蝕缺陷的深度，mm；σSMYS為最小屈服強(qiáng)度，MPa。

令管道安全運(yùn)行壓力Psw等于管道最大允許操作壓力MAOP，由ASME B31G準(zhǔn)則反推可以計算出管道最大允許腐蝕深度，計算結(jié)果如下：

根據(jù)ASME B31G法則，腐蝕缺陷深度超過80%時，腐蝕缺陷是不可接受的。所以由式（4）或式（5）計算出的管道最大允許腐蝕深度若大于管道壁厚的80%，應(yīng)令其等于管道壁厚的80%。計算出最大允許腐蝕深度dmax后，由下式可以預(yù)測管道剩余壽命。

式中： Rml為缺陷腐蝕速率，mm/a。

1.2 基于失效壓力的管道可靠性概率模型

由式（1）可知管道的失效壓力為Pf，設(shè)管道缺陷處的實(shí)際工作壓力為P，由金屬材料機(jī)械性能測試可知Pf和P為獨(dú)立同分布的兩個隨機(jī)變量，且都服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)可用式（7）和式（8）表示[9,10]。

式中： μP為各個缺陷點(diǎn)處工作壓力P的期望值，MPa；σP為各個缺陷點(diǎn)處工作壓力P的方差；μPf為各個缺陷點(diǎn)處失效壓力Pf的期望值，MPa；σPf為各個缺陷點(diǎn)處失效壓力P的方差；

因?yàn)镻f和P是相互獨(dú)立的，所以其聯(lián)合概率密度函數(shù) f (P,Pf),等于各自的概率密度的乘積，即：

當(dāng)管道缺陷處的實(shí)際工作壓力P小于管道失效壓力Pf時，管道處于安全狀態(tài)，所以管道的可靠性概率Psafe為：

為方便計算出式（10）中的積分，引入安全余量y=Pf－P，因?yàn)镻與Pf獨(dú)立同分布，所以y也是正態(tài)分布的，且：

其中：μy為安全余量y的期望值，MPa；σy為安全余量y的方差。

式（14）為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布函數(shù)，令

則最后求得管道的可靠性概率為：

通過查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)積分表查得Φ(Z0)，進(jìn)而求得管道整體可靠性概率。軟件將標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)積分表擬合為函數(shù)曲線，將計算得到的Z0代入后就可以計算出管道的可靠性概率。

2 軟件結(jié)構(gòu)及功能介紹

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件由Visual Studio 2010（C#）編程語言編寫，采用SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，采用模塊化設(shè)計模式以及三層架構(gòu)模型。底層為數(shù)據(jù)訪問層，負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)；中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，對腐蝕缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行加工；頂層為表示層，包括用戶可以直接接觸到的界面以及包含在其中的功能按鈕。軟件邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 軟件功能

軟件能夠從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)或直接由用戶輸入數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；計算缺陷處剩余強(qiáng)度，對管道進(jìn)行當(dāng)前完整性評價；對缺陷進(jìn)行壽命分析，評價管道將來完整性；計算管道可靠性概率。

（1）統(tǒng)計分析管道檢測得到的所有金屬損失缺陷和變形缺陷。軟件對存儲在數(shù)據(jù)庫中的管道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將結(jié)果以圖表的形式輸出到顯示器或打印機(jī)。包括內(nèi)、外部金屬損失按深度統(tǒng)計表，內(nèi)、外部金屬損失和變形缺陷沿里程分布圖、統(tǒng)計柱狀圖、沿環(huán)焊縫分布圖。

圖1 軟件邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software logic structure diagram

（2）評價管道當(dāng)前完整性。計算不同壁厚管道ERF（預(yù)估維修比）值，畫出ERF曲線圖，判斷缺陷是否需要立即維修。顯示管道缺陷處的最大安全壓力與最大允許操作壓力之間的關(guān)系，畫出壓力圖。ERF圖中，曲線上邊的缺陷點(diǎn)是不可接受的，需要立即維修，ERF曲線下面的點(diǎn)不需要立即維修。壓力圖中位于管道最大允許操作壓力線（MAOP）以下的點(diǎn)需要立即維修。

（3）評價管道將來的完整性。對缺陷進(jìn)行壽命預(yù)測，制定管道維修計劃，查看每年的維修計劃。表1為預(yù)測的五年內(nèi)需計劃維修的金屬損失缺陷的數(shù)量統(tǒng)計表。

（4）計算管道的可靠性概率，評價管道當(dāng)前可靠性。軟件基于可靠性概率正態(tài)分布概率模型根據(jù)管道的各個金屬損失缺陷的腐蝕情況計算出管道的整體可靠性。為管道壽命評價提供依據(jù)。圖六為計算的管道可靠性概率模型。

3 應(yīng)用實(shí)例

以國內(nèi)某成品油管道為例，運(yùn)用軟件對管道進(jìn)行了完整性評價與剩余壽命預(yù)測。該輸油管道始建于20世紀(jì)90年代，運(yùn)行至今已有十余年；管道外徑377 mm，壁厚6 mm，管材為X52鋼，最小屈服強(qiáng)度為360 MPa。軟件根據(jù)漏磁檢測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了完整性評價。評價結(jié)果如下：

經(jīng)統(tǒng)計，在79 km長的管段上有1 924個金屬損失缺陷，其中內(nèi)部金屬損失缺陷506個，平均腐蝕深度為壁厚的10%，外部金屬損失缺陷1 418個，平均腐蝕深度為壁厚的11%。表1為外部金屬損失按深度統(tǒng)計表。此外，該檢測管段有變形缺陷26處，根據(jù)ASME B31.8對變形缺陷的規(guī)定[11]，共有兩處管體凹坑需要立即修復(fù)。

表1 外部金屬損失按深度統(tǒng)計表Table 1 The external metal loss statistics according to the depth

對管道進(jìn)行了當(dāng)前完整性評價，圖2為ERF值沿里程分布圖，由圖可以看出所有點(diǎn)的ERF值均小于1，目前沒有需要立即維修的缺陷點(diǎn)。

圖2 ERF值沿里程分布圖Fig.2 The ERF value distribution map along the mileage

對不需要立即維修的缺陷點(diǎn)進(jìn)行將來完整性評價，預(yù)測每一個缺陷的維修時間，結(jié)果如表2 所示。

表2 預(yù)測的五年內(nèi)需維修的金屬損失數(shù)量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of predicted domestic repair metal loss in five years

計算管道的可靠性概率。根據(jù)檢測到的1924個金屬損失數(shù)據(jù)，按照基于失效壓力的管道可靠性概率模型來計算管道的整體可靠性，經(jīng)計算其可靠性接近1，管道整體處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語

借助應(yīng)用軟件對管道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價是完整性管理工作的一個重要環(huán)節(jié)，開發(fā)出通用性強(qiáng)、兼容性好且更加健壯的完整性管理軟件是當(dāng)前完整性管理工作的重要課題。介紹了軟件的計算方法以及主要功能，并通過實(shí)例對軟件進(jìn)行了測試。經(jīng)實(shí)踐，軟件安全可靠、響應(yīng)速度快、人機(jī)交互性強(qiáng)，可滿足管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)后處理的基本要求，具有較好的推廣前景。

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Development and Application of Oil and Gas Pipeline Integrity Assessment Software

SUN Dong-xu，ZHAO Ling，WU Ming，LIU Guang-xin
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Pipeline integrity assessment software has important significance to improve the work efficiency of pipeline integrity evaluation. The analysis software for integrity assessment of oil and gas pipeline and the remaining life was developed. The core calculation module is comprised of pipeline defect evaluation model based on ASME B31G standard and reliability-probability model based on pipeline failure pressure. The software contains four function modules: the data statistics, the current integrity assessment, the future integrity assessment and pipeline reliability calculation. The integrity assessment of a domestic product pipeline was carried out by this software. The evaluation results can provide a basis for decision making for the pipeline maintenance and repair.

Pipeline integrity; Assessment software; Life prediction; Defect assessment

TE 832

A

1671-0460（2015）01-0089-04

遼寧省教育廳科技項目“原油管道防腐涂層剩余壽命預(yù)測技術(shù)研究”，項目號：2006R34。

2014-07-21

孫東旭（1991-），男，遼寧鐵嶺人，在讀研究生，研究方向：從事管道完整性研究工作。E-mail：abc1415926@126.com。

吳明（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事管道完整性研究工作。E-mail：wuming0413@163.com。