王立航　孫萍萍　吳志遙　郭　昱　王秋妍

長江大學石油工程學院,　湖北　武漢　430100

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基于可靠性的天然氣管道設(shè)計系數(shù)研究

王立航孫萍萍吳志遙郭昱王秋妍

長江大學石油工程學院,湖北武漢430100

摘要：為研究在設(shè)計系數(shù)0.8下管道運行的安全性,對目前西氣東輸工程中使用最多的X 80管道建立極限狀態(tài)方程,采用Monte-Carlo法對管道進行可靠性分析,并根據(jù)API 579《Fitness-For-Service規(guī)定的目標可靠度來確定管道的極限輸氣壓力并推算出設(shè)計系數(shù)。結(jié)果表明，當壓力的變異系數(shù)為0.1時,只是將設(shè)計系數(shù)提高到0.8,管道運行的可靠度小于目標可靠度0.99；如果能減緩管道在輸氣期間的壓力波動,當壓力的變異系數(shù)減小為0.08時，可靠度才能達到目標可靠度規(guī)定的取值,管道能安全運行。最后計算出不同壓力的變異系數(shù)下的設(shè)計系數(shù),為以后的研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計系數(shù)；極限狀態(tài)方程；可靠性理論；Monte-Carlo法；目標可靠度

0前言

1可靠度計算原理

在管道運行過程中,受上下游供需量變化和停輸再啟動的影響,運行壓力存在一定的波動；管材的力學性能不可能保持在某一特定數(shù)值,而是呈現(xiàn)出某種分散性；受檢測工具精度影響,缺陷尺寸的表述值與實際值存在偏差。管道的運行壓力、材料性能以及檢測結(jié)果均存在不確定性[11]。

引入可靠性原理目的是處理這些評價參數(shù)的不確定性,提高評價結(jié)果的精確性。在可靠度計算中,主要是得到管道運行時的安全水平,通常用“可靠度”或者“失效概率”來表示。在基于可靠性的計算方法中,要考慮兩方面問題,首先推導或假設(shè)隨機變量的概率分布,提出功能函數(shù),進行可靠性分析；其次是給定目標安全性水平,并用可以接受的判據(jù)檢驗[12]。

1.1極限狀態(tài)方程

Z=(x1,x2,…,xn)

(1)

Z=2 σyt-pD

(2)

分析管道的可靠度,首先要計算出管道的失效概率,即得到功能函數(shù)Z<0的概率pf,根據(jù)可靠性理論管道失效概率的表達式為：

(3)

pr=1-pf

(4)

由于計算的復雜性,工程一般不采用式(3)直接計算,大多采用近似的方法如一次二階矩法、Monte-Carlo法等。為了計算結(jié)果更加接近真實值,采用Monte-Carlo法來計算管道的失效概率和可靠度。

1.2基于Monte-Carlo法的可靠度計算

Monte-Carlo法是一種隨機模擬方法,又稱隨機抽樣技術(shù)或統(tǒng)計方法,其根本思想基于大數(shù)定律和中心極限定理?；驹恚焊鶕?jù)x1,x2,…,xn的分布形式產(chǎn)生一組相應(yīng)的隨機數(shù),將其帶入極限狀態(tài)函數(shù)Z=(x1,x2,…,xn)中,循環(huán)n次,當n足夠大,根據(jù)大數(shù)定律,頻率已接近概率,即得出失效概率。對于輸氣管道Monte-Carlo計算可靠度操作流程見圖1,取值的數(shù)量大多在Matlab-Carlo程序中通過編程實現(xiàn)可靠度的計算,每個壓力點模擬的次數(shù)為106次,模擬次數(shù)越多越能增加結(jié)果的可靠性。

圖1　Monte-Carlo法計算可靠度操作流程

2基本參數(shù)

2.1管道目標可靠度的確定

國際上對管道目標可靠度的分析主要有基于可靠性理論的計算方法和基于歷史數(shù)據(jù)的分析預(yù)測方法兩種。對應(yīng)上述兩種管道目標可靠度分析方法,國際上提出了兩種不同形式的管道目標可靠度，見表1[13-16]。本文在分析西氣東輸管道目標可靠度時采用了基于可靠性理論的分析方法。為此,借鑒API 579 《Fitness-For-Service》提出管道目標可靠度,并以一類地區(qū)對應(yīng)低風險,二類地區(qū)對應(yīng)中風險,三、四類地區(qū)對應(yīng)高風險。

2.2管道參數(shù)

以西氣東輸工程中使用最廣泛的管道X 80為例,經(jīng)過統(tǒng)計，管道參數(shù)均服從正態(tài)分布,具體參數(shù)見表2,管道在運行時的壓力平均值為9.16 MPa,壓力標準差為0.916 MPa[17]。

表1管道目標可靠度

組織和機構(gòu)目標可靠度(最大失效概率)低風險中風險高風險可靠度分析方法適用范圍API(API579)0.99(10-2)0.999(10-3)0.99999(10-5)基于可靠性理論油氣輸送管道,壓力容器及煉化裝備DNV(DNVRP-F101,DNVOS-F101)0.999(10-3)0.9999(10-4)0.99999(10-5)基于可靠性理論油氣輸送管道加拿大C-FER1次/(106m·a-1)10-1次/(106m·a-1)10-4次/(106m·a-1)基于歷史數(shù)據(jù)的分析預(yù)測油氣輸送管道

表2管道參數(shù)

鋼級規(guī)格管徑均值/mm管徑標準差/mm壁厚均值/mm壁厚標準差/mm屈服強度均值/MPa屈服強度標準差/MPaX80Φ1219×18.412191.3318.860.4662027.6

3管道可靠度分析

3.1參數(shù)敏感性分析

圖2　參數(shù)敏感性曲線

由圖2分析可知,對管道可靠度影響最大的因素是操作壓力,其次是屈服強度,管徑和壁厚標準差的變化對可靠度基本沒有影響。所以主要研究對象是運行時的操作壓力。

3.2可靠度計算

管道在運行過程中,其承壓隨輸送氣量的變化而波動。統(tǒng)計結(jié)果顯示,我國在役長距離輸氣管道壓力基本滿足正態(tài)分布規(guī)律,變異系數(shù)為0.1,采用Monte-Carlo法計算管道的可靠度結(jié)果見圖3。

圖3　壓力變異系數(shù)為0.1的可靠度預(yù)測結(jié)果

根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道設(shè)計規(guī)范》,取該地區(qū)設(shè)計系數(shù)為0.8,得到管道操作壓力的計算公式為：

(5)

將管道的相關(guān)參數(shù)帶入式(5),計算得到管道的最大操作壓力為15.34 MPa,對應(yīng)圖3的可靠度為0.983 2,小于API 579《Fitness-For-Service》所給出的目標可靠度0.99,所以使用設(shè)計系數(shù)0.8計算得到的操作壓力來輸送天然氣無法達到安全標準。由上文可知,對管道可靠度影響最大的參數(shù)為操作壓力,為了保證在15.34 MPa下管道能安全運行,最可行的方法就是提高天然氣輸送的穩(wěn)定性,即降低壓力變異系數(shù)。將壓力變異系數(shù)取為0.09和0.08帶入程序,管道可靠度的計算結(jié)果見圖4～5。

圖4　壓力變異系數(shù)為0.09的可靠度預(yù)測結(jié)果

圖5　壓力變異系數(shù)為0.08的可靠度預(yù)測結(jié)果

由圖4可知,當最大操作壓力為15.34 MPa,變異系數(shù)為0.09時,可靠度為0.988 1,不能滿足低風險地區(qū)規(guī)定的目標可靠度0.99,無法達到安全輸送的標準；由圖5可知，當降低變異系數(shù)到0.08后,在15.34 MPa的操作壓力下,可靠度為0.991 1,滿足API 579《Fitness-For-Service》規(guī)定的目標可靠度。對于該地區(qū)正在服役的管道,如果只是簡單地提高設(shè)計系數(shù)到0.8,以此來提高輸氣壓力將會有很大的安全隱患,通過計算結(jié)果可知,最可行的方法是降低壓力波動,所以當有輸氣站將要暫停運輸時,可以提前減緩輸氣速率再停運,盡可能地減小停輸時的壓力波動才能滿足標準。

3.3設(shè)計系數(shù)反算

由式(3)變化可得：

(6)

管道設(shè)計系數(shù)的研究一直是國內(nèi)外的重要課題,以0.99為目標可靠度,將操作壓力帶入式(6)計算在不同壓力變異系數(shù)下的設(shè)計系數(shù),結(jié)果見表3。

表3設(shè)計系數(shù)計算結(jié)果

可靠度壓力變異系數(shù)極限操作壓力/MPa設(shè)計系數(shù)0.990.1015.030.7830.990.0915.280.7960.990.0815.510.8080.990.0715.720.819

目前我國已將設(shè)計系數(shù)0.8列入了相關(guān)的標準中,隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，設(shè)計系數(shù)可能會繼續(xù)提升。根據(jù)表3可知，提高設(shè)計系數(shù)最有效的方法就是提高壓力變異系數(shù)，即最大限度地減緩輸送過程中的壓力波動,對于已建管道今后需要研究降低壓力波動的方法來進一步提高管道設(shè)計系數(shù)。

4結(jié)論

對目前西氣東輸工程中使用最多的X 80管道建立了極限狀態(tài)方程,采用Monte-Carlo法對管道進行了可靠性分析,并以API 579《Fitness-For-Service》提出的管道目標可靠度作為評價依據(jù)。通過對參數(shù)敏感性分析可知,對管道可靠度影響最大的參數(shù)是操作壓力,屈服強度、壁厚和管徑對管道可靠度幾乎沒有影響。以0.8為設(shè)計系數(shù)計算出的壓力為運行壓力時,只有將壓力變異系數(shù)降低至0.08時才能滿足安全運行要求。以0.99為目標可靠度,反算出不同壓力變異系數(shù)下的設(shè)計系數(shù),為今后設(shè)計系數(shù)研究提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1] 吳琋瑛.大數(shù)據(jù)在管道運行中的應(yīng)用探討[J].天然氣與石油,2015,33(3):15-17.

Wu Xiying. Application of Big Data in Pipeline Operation [J]. Natural Gas and Oil, 2015, 33 (3): 15-17.

[2] 高明野,王震,范天驍.清潔能源天然氣市場現(xiàn)狀及分析[J].天然氣與石油,2015,33(1):36-39.

Gao Mingye, Wang Zhen, Fan Tianxiao. Present Situation of Domestic Natural Gas Market and Its Analysis [J]. Natural Gas and Oil, 2015, 33 (1): 36-39.

[3] 趙新偉,張廣利,羅金恒,等.提高設(shè)計系數(shù)對天然氣管道安全可靠性影響及可行性分析[C]//中國機械工程學會壓力容器分會、合肥通用機械研究院,壓力容器先進技術(shù)——第七屆全國壓力容器學術(shù)會議論文集.無錫：中國機械工程學會壓力容器分會，合肥通用機械研究院,2009:465-470.

Zhao Xinwei, Zhang Guangli, Luo Jinheng, et al. Impact of Improving Design Factor over 0.72 On the Safety and Reliability of Gas Pipelines and Feasibility Justification [C]//Pressure Vessel Branch of Chinese Mechanical Engineering Society, Hefei General Machinery Research Institute. Pressure Vessel Advanced Technology-The Seventh National Symposium on Pressure Vessel. Wuxi: Pressure Vessel Branch of China Mechanical Engineering Society, Hefei General Machinery Research Institute, 2009: 465-470.

[4] 王曉香,李延豐.高強度管線鋼管開發(fā)在中國的新進展[J].鋼管,2011,40(1):12-18.

Wang Xiaoxiang, Li Yanfeng. Recent Progress of Domestic R & D of Hi-Strength Steel Linepipe Technology [J]. Steel Pipe, 2011, 40 (1): 12-18.

[5] 趙新偉,羅金恒,張廣利,等.0.8設(shè)計系數(shù)下天然氣管道用焊管關(guān)鍵性能指標[J].油氣儲運,2013,32(4):355-359.

Zhao Xinwei, Luo Jinheng, Zhang Guangli, et al. Key Performance Indicators of Welded Pipe for Natural Gas Pipeline with Design Factor of 0.8 [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2013, 32 (4): 355-359.

[6] 吳宏,羅金恒,張對紅.西氣東輸三線0.8設(shè)計系數(shù)試驗段水壓試壓方法及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2013,33(8):102-107.

Wu Hong, Luo Jinheng, Zhang Duihong. Hydrostatic Testing Pressure Determination of the Test Pipe Section with a 0.8 Design Factor in the West-to-East China Gas Pipeline Ⅲ [J]. Natural Gas Industry, 2013, 33 (8): 102-107.

[7] 向波,諶貴宇,向熠星,等.西三線一級地區(qū)設(shè)計系數(shù)的選擇[J].天然氣與石油,2011,29(5):1-5.

Xiang Bo, Shen Guiyu, Xiang Yixing, et al. Selection of Design Coefficient of Pipeline Segment Passing Through Grade I Area of West-to-East Gas Pipeline Ⅲ [J]. Natural Gas and Oil, 2011, 29 (5): 1-5.

[8] Bisaggio H D C, Netto T A. Predictive Analyses of the Integrity of Corroded Pipelines Based on Concepts of Structural Reliability and Bayesian Inference [J]. Marine Structures, 2015, 41: 180-199.

[9] Valle-Molina C, Alamilla J L, Sánchez-Moreno J, et al. Reliability Functions for Buried Submarine Pipelines in Clay Subjected to Upheaval Buckling [J]. Applied Ocean Research, 2014, 48: 308-321.

[10] McLamb M, Hopkins P, Marley M, et al. A Justification for Designing and Operating Pipelines up to Stresses of 80% SMYS [C]//ASME. Proceedings of 2002 4thInternational Pipeline Conference. New York: ASME, 2002: 745-757.

[11] 鞠成科,黃剛,喬貴民,等.海底管道腐蝕失效概率定量計算方法研究[J].物流技術(shù),2014,33(13):146-149.

Ju Chenke, Huan Gang, Qiao Guimin, et al. Study on Quantitative Measurement of Corrosion and Failure Probability of Seafloor Pipelines [J]. Logistics Technology, 2014, 33 (13): 146-149.

[12] 帥健.油氣管道可靠性的極限狀態(tài)設(shè)計方法[J].石油規(guī)劃設(shè)計,2002,13(1):18-21.

Shuai Jian. The Reliability-Based Limit-State Design Method [J]. Petroleum Planning & Engineering, 2002, 13 (1): 18-21.

[13] 羅金恒,趙新偉,韓曉毅,等.西氣東輸管道可靠度預(yù)評估[J].焊管,2005,28(3):62-65.

Luo Jinheng, Zhao Xinwei, Han Xiaoyi, et al. Pre Evaluation on Reliability of West-East Gas Transmission Pipeline [J]. Welded Pipe and Tube, 2005, 28 (3): 62-65.

[14] British Standards Institution. BS 7910-1999 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures [S]. London: British Standards Institution, 1999.

[15] Milne I, Ainsworth R A, Dowling A R, et al. Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects: Central Electricity Generating Board Report [J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 1988, 32 (2): 103-104.

[16] British Standards Institution. BSI PD 6493-1991 Guidance on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures [S]. London: British Standards Institution, 1991.

[17] 張宏,顧曉婷,趙麗恒.基于可靠性的油氣管道設(shè)計系數(shù)研究[J].焊管,2011,34(4):58-62.

Zhang Hong, Gu Xiaoting, Zhao Liheng. Research on Design Coefficient of Oil and Gas Pipeline Based on Reliability [J]. Welded Pipe and Tube, 2011, 34 (4): 58-62.

[18] 沙曉東,陳曉輝,黃坤,等.輸氣管道應(yīng)力影響因素分析[J].天然氣與石油,2013,31(1):1-4.

Sha Xiaodong, Chen Xiaohui, Huang Kun. et al. Analysis on Factors Affecting Stress in Gas Pipeline [J]. Natural Gas and Oil, 2013 (1): 1-4.

[19] 蔡良君.基于模糊層次分析法的管道風險因素權(quán)重分析[J].天然氣與石油,2010,28(2):1-3.

Cai Liangjun. Weight Analysis on Pipeline Risk Factor Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process [J]. Natural Gas and Oil, 2010, 28 (2): 1-3.

[20] 溫凱,張文偉,宮敬,等.天然氣管道可靠性的計算方法[J].油氣儲運,2014,33(7):729-733.

Wen Kai, Zhang Wenwei, Gong Jing, et al. Computation of Gas Pipeline Reliability [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2014, 33 (7): 729-733.

收稿日期：2015-12-01

基金項目：湖北省教育廳科學技術(shù)研究項目“提高輸氣管道設(shè)計系數(shù)的理論研究”(Q 20151309)

作者簡介：王立航(1992-)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向為油氣管道可靠性和安全分析。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.003