蔣慶梅 張小強(qiáng) 李寶華 何明杰

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

2中國(guó)石油新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)

中俄東線天然氣管道工程的黑河—長(zhǎng)嶺段干線線路全長(zhǎng)約715 km，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，設(shè)計(jì)輸量380×108m3/a，是我國(guó)迄今為止最大管徑的輸氣管道，采用X80M 管線鋼。目前X80M 鋼管生產(chǎn)技術(shù)成熟，生產(chǎn)設(shè)備能力滿足要求，并且已在西二線、西三線、中貴管道、中緬管道和中亞管道等大口徑、高壓力管道上進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用，但D1 422 mm、12 MPa大口徑高壓輸送是首次在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，工程建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。對(duì)此，國(guó)外如英國(guó)的BS 14161《Petroleum and natural gas industries -Pipeline transportation systems》標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際ISO13623《Petroleum and natural gas industries-Pipelinetransportationsystem》s（標(biāo)準(zhǔn)建議采用可靠性的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，該方法也已納入加拿大CSA Z662—2007 《Oil and Gas Pipeline Systems》標(biāo)準(zhǔn)中。相比目前設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的基于應(yīng)力設(shè)計(jì)的安全系數(shù)法，基于可靠性的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法可以直接反映管材的性能、施工和運(yùn)行維護(hù)水平，避免采用不合理或過(guò)于保守的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行操作的整合[1-5]。

考慮到國(guó)內(nèi)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)管材壁厚計(jì)算采用設(shè)計(jì)系數(shù)的強(qiáng)制性規(guī)定，針對(duì)目前設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定的管道參數(shù)，按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)、材料、施工和運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及水平，在建設(shè)期對(duì)干線管道進(jìn)行系統(tǒng)的危險(xiǎn)因素識(shí)別、數(shù)據(jù)收集整合和可靠性評(píng)價(jià)，以論證D1 422 mm管道的安全可靠度是否滿足要求，同時(shí)對(duì)管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行等提出優(yōu)化建議。

1 管材性能分析

中國(guó)石油天然氣股份有限公司在2013—2014年進(jìn)行了“D1 422 mm X80M 管線鋼管應(yīng)用技術(shù)研究” 專項(xiàng)課題，系統(tǒng)研究了D1 422 mm 鋼管技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵制造技術(shù)，并完成了部分產(chǎn)品試制和鑒定工作。中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段干線鋼管壁厚分別為21.4 mm、25.7 mm 和30.8 mm，其中21.4 mm 規(guī)格鋼管，國(guó)內(nèi)主要鋼管制造廠能夠生產(chǎn)螺旋縫及直縫兩種管型，25.7 mm 和30.8 mm 規(guī)格只能夠生產(chǎn)直縫埋弧焊鋼管。

圖1～圖3為國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)廠家的鋼管拉伸性能與沖擊韌性的統(tǒng)計(jì)分布，圖中橫線代表鋼管技術(shù)條件中要求的鋼管最低性能指標(biāo)。由圖1、圖2、圖3可知，鋼管實(shí)物指標(biāo)高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求數(shù)值，這也充分說(shuō)明了各廠家生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較好。

圖1 鋼管拉伸強(qiáng)度Fig.1 Pipe tensile strength

圖2 鋼管屈服強(qiáng)度Fig.2 Pipe yield strength

圖3 鋼管沖擊韌性Fig.3 Pipe impact toughness

對(duì)于三種壁厚規(guī)格鋼管的環(huán)焊縫，經(jīng)過(guò)不同焊接方法的適應(yīng)性評(píng)價(jià)及現(xiàn)場(chǎng)抽口試驗(yàn)（包括焊接接頭的拉伸性能、低溫韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試、焊縫裂紋敏感性等），發(fā)現(xiàn)其對(duì)焊接工藝適用性良好，各類指標(biāo)滿足規(guī)范要求。選取自動(dòng)焊環(huán)焊縫的焊縫中心和熔合線沖擊韌性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。Q/SY GD 0503.12—2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范第12 部分：線路焊接》明確指出，在設(shè)計(jì)要求溫度下，環(huán)焊縫與熔合線夏比沖擊功平均值最低為50 J，單個(gè)值最小為38 J（圖4 中橫線），由圖4可知，在-10 ℃試驗(yàn)溫度下，同一生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同一厚度鋼管因原材料采購(gòu)不同，其沖擊韌性略有差別，但各廠家生產(chǎn)的鋼管焊縫中心和熔合線位置的夏比沖擊性能均滿足要求。

圖4 自動(dòng)焊環(huán)焊縫沖擊韌性Fig.4 Girth weld impact toughness of automatic welding

2 管道可靠性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

可靠性評(píng)價(jià)方法即概率評(píng)價(jià)法[6-7]是管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的高級(jí)方法（圖5），是目前管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，它需要大量管道信息和數(shù)據(jù)資料收集以及數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科的知識(shí)。其評(píng)價(jià)結(jié)果的精度取決于數(shù)據(jù)資料的完整性和精度、數(shù)學(xué)模型和分析方法的合理性[8-9]。

圖5 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法分類Fig.5 Classification of pipeline risk assessment methods

2.2 評(píng)價(jià)流程

SY/T 6859—2012《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》指出，完整的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程包括數(shù)據(jù)收集與整合、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定。黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道采用的可靠性評(píng)價(jià)方法基本與之相同，主要包括管道系統(tǒng)的分段、數(shù)據(jù)收集與處理、危險(xiǎn)因素的識(shí)別、失效概率和失效后果計(jì)算等，其核心是管道失效概率和失效后果的計(jì)算，可靠性評(píng)價(jià)流程如圖6所示。進(jìn)行評(píng)價(jià)后，如果管道的可靠性不滿足要求，應(yīng)對(duì)管道的壁厚、管材性能指標(biāo)、管道敷設(shè)施工和運(yùn)行維護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行參數(shù)，并納入設(shè)計(jì)文件進(jìn)行明確。

黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道的校核主要針對(duì)兩個(gè)方面，一方面根據(jù)目前確定的壁厚，選取適當(dāng)?shù)臉O限狀態(tài)，進(jìn)行可靠性校核，評(píng)估管道的可靠性是否滿足要求；另一方面，根據(jù)1 422 mm 管道高后果區(qū)影響半徑，針對(duì)沿線村莊比較密集的人口密集地段，進(jìn)行單獨(dú)的可靠性校核，以判斷是否需要在原有的壁厚基礎(chǔ)上增加壁厚，或者采取其他措施提高可靠度水平。

2.3 可靠性評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

管道評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐挚梢园凑展艿涝O(shè)計(jì)基本參數(shù)和沿線環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，也可根據(jù)人口密度進(jìn)行管道分段。由于本工程劃分在地區(qū)等級(jí)時(shí)，已經(jīng)充分考慮了管道沿線人口密度情況，所以管段單元?jiǎng)澐职凑展艿涝O(shè)計(jì)基本參數(shù)和沿線環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分段。根據(jù)“同一管段的屬性應(yīng)完全一致，任一屬性發(fā)生變化時(shí)，管段應(yīng)重新進(jìn)行劃分”的原則進(jìn)行管段劃分。河流溝渠小型穿越和低等級(jí)道路穿越不單獨(dú)進(jìn)行劃分，黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道共計(jì)劃分為105個(gè)評(píng)價(jià)管段，具體如表1所示。

2.4 管道目標(biāo)可靠度

管道目標(biāo)可靠度應(yīng)根據(jù)管道直徑、運(yùn)行壓力、管線所處位置和重要程度，統(tǒng)籌考慮工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，綜合確定管道的目標(biāo)可靠度。目標(biāo)可靠度作為管道安全性的衡量準(zhǔn)則，主要考慮的是管道在極端極限狀態(tài)失效后（大泄漏、破裂等）對(duì)周?chē)h(huán)境和人員的安全影響[10-11]?；陲L(fēng)險(xiǎn)方法的管道極端極限狀態(tài)目標(biāo)可靠度RT由下式計(jì)算

式中：RT為管道目標(biāo)可靠度；Pmax為最大容許失效概率；rmax為可接受風(fēng)險(xiǎn)；C為失效后果。

參 照 國(guó) 外CSA Z662—2007 《Oil and Gas Pipeline Systems》 和ISO 16708—2006《Petroleum and natural gas industries-Pipeline transportation systems-Reliability-based limit state methods》規(guī)定的可接受社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)及個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)水平，結(jié)合國(guó)內(nèi)已建管道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及失效后果模型[12]，通過(guò)擬合回歸，確定了國(guó)內(nèi)天然氣管道極端極限狀態(tài)（ULS）的目標(biāo)可靠度應(yīng)滿足式（3）規(guī)定。

式中：ρ為管段內(nèi)平均人口密度，人/km；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管直徑，mm。

對(duì)于式（3）中的人口密度，應(yīng)考慮到管道沿線未來(lái)人口發(fā)展趨勢(shì)[13]，按照GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的地區(qū)等級(jí)劃分原則，按規(guī)定的最大戶數(shù)計(jì)算人口密度，由于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)三級(jí)和四級(jí)地區(qū)沒(méi)有具體戶數(shù)要求，所以采用已有管道工程實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（3）計(jì)算的目標(biāo)可靠度結(jié)果如表2所示。

由于D 1422 mm管道高后果區(qū)潛在影響半徑達(dá)到488 m，以此作為統(tǒng)計(jì)范圍，調(diào)研管道沿線的人口密集地段，選取了一級(jí)二類地區(qū)、二級(jí)地區(qū)和三級(jí)地區(qū)有代表性的4處最大人口密集地段，計(jì)算目標(biāo)可靠度值如表3所示。

表2 各級(jí)地區(qū)目標(biāo)可靠度及最大允許失效概率Tab.2 Target reliability and maximum allowable failure probability of areas at all levels

表3 典型人口密集區(qū)目標(biāo)可靠度及允許失效概率Tab.3 Target reliability and allowable failure probability of typical densely populated areas

圖7 數(shù)據(jù)來(lái)源及收集Fig.7 Data source and collection

2.5 數(shù)據(jù)收集及處理

評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)主要包括管道設(shè)計(jì)參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、管材實(shí)際性能數(shù)據(jù)、管道施工數(shù)據(jù)、運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)等。由于中俄東線天然氣管道工程屬于新建工程，所以評(píng)價(jià)中所需數(shù)據(jù)除了來(lái)源于項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件、實(shí)際施工數(shù)據(jù)之外，還參考了已建項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)圖7。

對(duì)于收集到的管材性能、環(huán)焊縫性能、管道的內(nèi)外腐蝕等參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)的不確定性分析和概率建模，形成各種參數(shù)的分布類型和特征值。對(duì)極限狀態(tài)方程不敏感的參數(shù)，可選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的確定值。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用EXCEL、SPSS 和MATLAB軟件對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到每類數(shù)據(jù)的分布參數(shù)，作為計(jì)算輸入值。

2.6 極限狀態(tài)的確定

按照可靠性設(shè)計(jì)的理念，設(shè)計(jì)中需要考慮管道全生命周期的各個(gè)階段。運(yùn)輸過(guò)程中的極限狀態(tài)普遍認(rèn)為可以通過(guò)適當(dāng)?shù)牟僮骷右越鉀Q；在施工建造過(guò)程中，需要注意的是水壓試驗(yàn)中的管道膨脹屈服和過(guò)量塑形變形問(wèn)題；運(yùn)行中需要考慮的極限狀態(tài)包括由于內(nèi)部壓力下的無(wú)缺陷管道破裂、腐蝕、制造缺陷和第三方破壞造成的管道泄漏和破裂[14]。對(duì)于運(yùn)行溫度較高段，還需要考慮管道受限熱膨脹引起的屈曲失效。

對(duì)于水壓試驗(yàn)過(guò)程中管道屈服和過(guò)度塑性變形因素，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到壁厚21.4 mm鋼管在水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力最大，為309 MPa，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度，所以在計(jì)算時(shí)可不考慮過(guò)量塑性變形極限狀態(tài)。對(duì)于受限熱膨脹作用下產(chǎn)生的局部縱彎的極限狀態(tài)，考慮到本工程施工具體所在環(huán)境溫度，管道按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，壁厚21.4、25.7、30.8 mm 鋼管對(duì)應(yīng)的縱向壓縮應(yīng)變?yōu)?.04%、0.05%、0.058%，僅相當(dāng)于極限壓縮應(yīng)變極限的4.7%、5%、4.9%，所以在評(píng)價(jià)時(shí)可不考慮受限熱膨脹極限狀態(tài)。結(jié)合本工程的特點(diǎn)和沿線實(shí)際，在可靠性計(jì)算時(shí)，采用的極限狀態(tài)如表4所示。確定極限狀態(tài)之后，則選擇相應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù)方程進(jìn)行失效概率計(jì)算。

2.7 可靠性計(jì)算

2.7.1 計(jì)算方法

對(duì)于腐蝕、第三方破壞和無(wú)缺陷管道破裂的失效概率，采用加拿大C-FER 公司的PRISM 軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬抽樣次數(shù)為1×108次，計(jì)算時(shí)間周期為30 年。在計(jì)算時(shí)，按照GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，新建管道應(yīng)當(dāng)在投產(chǎn)3 年內(nèi)進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)（也稱基線檢測(cè)），管道內(nèi)檢測(cè)周期不應(yīng)超過(guò)8 年。所以按照3 年進(jìn)行基線檢測(cè)、8年進(jìn)行一次內(nèi)檢測(cè)計(jì)算了不同年份的失效概率。對(duì)于環(huán)焊縫缺陷的失效概率，采用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的軟件計(jì)算，得出單道環(huán)焊縫的失效概率，應(yīng)將其折算成每公里/年的失效概率。一般正常敷設(shè)段管道軸向應(yīng)力僅受到內(nèi)壓和溫差的作用，約為0.3～0.5σs（σs為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度）。碰死口處環(huán)焊縫一般存在組裝應(yīng)力、殘余應(yīng)力和局部懸空等造成的彎曲應(yīng)力等，管道應(yīng)力較高，假定其軸向影響達(dá)到應(yīng)力上限0.9σs。因此，在計(jì)算管道環(huán)焊縫失效概率時(shí)只考慮碰死口處的環(huán)焊縫失效。

表4 評(píng)價(jià)用極限狀態(tài)Tab.4 Limit state for evaluation

對(duì)于由腐蝕、第三方破壞、無(wú)缺陷管道破裂和環(huán)焊縫缺陷引起的總失效概率計(jì)算，在國(guó)內(nèi)外的研究基礎(chǔ)上[15-16]，結(jié)合中石油集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法”研究成果，明確計(jì)算公式如下

式中：Rall為總的失效概率；PLL為大孔泄漏失效概率；PRU為破裂失效概率；PFR為內(nèi)壓導(dǎo)致的破裂失效概率；PGW為環(huán)焊縫失效概率；A為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.7.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）一般地段計(jì)算結(jié)果分析。在黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道失效概率計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算了105個(gè)評(píng)估單元在進(jìn)行8 年一次的內(nèi)檢測(cè)和維護(hù)情況下，第3年、第11年、第19年、第27年和第30年單種風(fēng)險(xiǎn)因素的失效概率，并進(jìn)行了總失效概率計(jì)算，管道沿線105 個(gè)評(píng)價(jià)管段失效概率分布如圖8 所示。圖中橫軸代表管道的位置，縱軸代表總失效概率，藍(lán)色實(shí)心實(shí)線代表允許失效概率值，上下起伏的線段代表各評(píng)價(jià)年份評(píng)價(jià)段的失效概率水平。

由圖8可知，黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道總體失效概率較低。在管道全生命周期內(nèi)，各評(píng)價(jià)管段總失效概率低于允許失效概率值。

在計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在管道運(yùn)行第3年時(shí)，失效概率主要受第三方破壞影響，外腐蝕的影響相對(duì)較小。在第11 年時(shí)，部分管段外腐蝕的失效概率超過(guò)了第三方破壞。即在管道運(yùn)行前期，第三方破壞占主導(dǎo)作用；在管道運(yùn)行后期，腐蝕是失效的主要影響因素，所以進(jìn)行8年一次的內(nèi)檢測(cè)和維護(hù)是必要的。

管道沿線各地區(qū)等級(jí)管道在不同年份的總失效概率最大值如表5所示。

黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道總體失效概率較低，第3年管道沿線最大失效概率為1.21×10-8/a·km，第11年管道沿線最大失效概率為1.9×10-8/a·km，按照8年進(jìn)行一次內(nèi)檢測(cè)和維護(hù)，則管道在第19 年和第27 年的總失效概率最大值分別為1.81×10-8和1.32×10-8，在第30 年總失效概率最大值為1.29×10-8。上述失效概率最大值均低于允許失效概率水平。

（2）典型地段計(jì)算結(jié)果分析。根據(jù)D1 422 mm管道的高后果區(qū)影響半徑，在管道沿線選取了4個(gè)人口密集地段進(jìn)行單獨(dú)分析，所選取的地段中包括了一級(jí)二類地區(qū)、二級(jí)地區(qū)和三級(jí)地區(qū)，這4處區(qū)域的選取是依據(jù)初步設(shè)計(jì)階段對(duì)于高后果區(qū)劃分的結(jié)果，能代表管道沿線村莊、學(xué)校和工業(yè)園區(qū)等高后果區(qū)的典型特點(diǎn)（表6）。

典型人口密集地段在管道服役的30 年內(nèi)，按照8年進(jìn)行一次內(nèi)檢測(cè)考慮，其最大失效概率如表7 所示。通過(guò)與表3 給出的失效概率允許值比較可以發(fā)現(xiàn)，典型地段管道的最大失效概率仍低于目標(biāo)允許值，這也證明了目前的設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)參數(shù)是可行的。

表5 管道在各評(píng)價(jià)年份最大總失效概率Tab.5 Maximum total failure probability of pipelines in each evaluation year

表6 管道沿線典型人口密集地段信息Tab.6 Information of typical densely populated areas along the pipeline

圖8 各評(píng)價(jià)年份管道沿線總失效概率分布Fig.8 Distribution of total failure probability along pipelines in each evaluation year

表7 典型人口密集地段最大失效概率Tab.7 Maximum failure probability of typical densely populated areas

3 結(jié)論

（1）黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道采用X80M、D1 422 mm 鋼管，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，目前X80M 鋼管生產(chǎn)技術(shù)成熟，生產(chǎn)設(shè)備能力滿足要求，但如此高壓力、大管徑鋼管在國(guó)內(nèi)是首次應(yīng)用，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，所以建議進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

（2）根據(jù)各管廠鋼管性能數(shù)據(jù)，鋼管實(shí)物技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)高于鋼管技術(shù)條件規(guī)定的指標(biāo)要求，并且各管廠鋼管性能指標(biāo)穩(wěn)定。對(duì)不同管型、不同壁厚鋼管的環(huán)焊縫，其各類力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，這說(shuō)明目前采用的焊接方法是可行的。

（3）黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道總體失效概率較低。在管道全生命周期內(nèi)，失效概率低于允許失效概率。根據(jù)管道服役特點(diǎn)，進(jìn)行8年一次的內(nèi)檢測(cè)和維護(hù)是必要的，按照目前設(shè)計(jì)、材料、施工和運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，黑河—長(zhǎng)嶺段干線管道線路段的可靠性能夠滿足可靠度要求。

（4）針對(duì)最靠近管道的4 段典型人口密集地段，進(jìn)行了管道生命周期內(nèi)的管道可靠性計(jì)算，其最大失效概率低于目標(biāo)允許值，這也說(shuō)明目前所取的設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。