葉嶸

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣作為清潔的化石能源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)當(dāng)中，其需求量迅猛增長(zhǎng)。天然氣管網(wǎng)作為連接上游氣源和下游市場(chǎng)的生命線，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源安全領(lǐng)域具有重要作用和意義。因此，確保供氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外常用的完整性管理在保證天然氣管道和站場(chǎng)安全中起到了重要作用。但是，由于研究的重點(diǎn)是元件和設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全，無(wú)法從系統(tǒng)層面衡量管網(wǎng)運(yùn)行狀況，更無(wú)法從用戶需求角度量化供氣保障能力。因此，有必要引入天然氣管網(wǎng)可靠性技術(shù)來(lái)對(duì)管網(wǎng)生產(chǎn)安全和供氣保障進(jìn)行指導(dǎo)和管理。鑒于此，本文主要分析探討了天然氣管網(wǎng)供氣可靠性評(píng)價(jià)方法，以供參閱。

關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng);供氣;可靠性;評(píng)價(jià)方法

引言

天然氣管網(wǎng)最基本的要求是安全，而可靠性研究則是對(duì)管網(wǎng)安全程度的定量分析。安全是管網(wǎng)存在的狀態(tài)描述，而可靠性是管網(wǎng)系統(tǒng)安全存在的前提下能夠穩(wěn)定并且執(zhí)行相應(yīng)功能的概率。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究的目標(biāo)，就是要將可靠性方法貫穿管道全生命周期，深化并發(fā)展管道完整性管理。故此，認(rèn)清天然氣管網(wǎng)可靠性的實(shí)質(zhì)與意義尤為重要。現(xiàn)階段，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道事業(yè)仍處于加速發(fā)展階段，但由于我國(guó)管道行業(yè)起步相對(duì)較晚，技術(shù)、人才、經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)不足，導(dǎo)致我國(guó)目前尚無(wú)完整的油氣管道可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)指標(biāo)體系。而管網(wǎng)評(píng)價(jià)周期的選擇與確定、不同工況條件的分類、任務(wù)輸量與設(shè)計(jì)輸量等指標(biāo)的確定等問(wèn)題都亟待解決，因此，建立天然氣管網(wǎng)可靠性定量評(píng)價(jià)方法或指標(biāo)體系迫在眉睫。

1天然氣管網(wǎng)可靠性的意義

根據(jù)天然氣管網(wǎng)的特點(diǎn)，可將天然氣管網(wǎng)可靠性分為管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性和管網(wǎng)供氣可靠性。管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性定義為管網(wǎng)中所有硬件及設(shè)施（含管段、站場(chǎng)、設(shè)備、閥室等）在一定條件下某時(shí)刻具有結(jié)構(gòu)完整性（含設(shè)備正常停機(jī)維檢修）的概率;管網(wǎng)供氣可靠性是指在一定評(píng)價(jià)周期內(nèi)，目標(biāo)用戶及市場(chǎng)能夠按時(shí)并足量獲得天然氣的概率。研究天然氣管網(wǎng)可靠性的目的是保障管網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)和供氣的安全及功能完整性，而安全及功能完整作為一種狀態(tài)，可靠性是對(duì)該狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在的量化。對(duì)管網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)可靠性的研究，是為了避免管網(wǎng)中硬件設(shè)施的失靈、失效事件發(fā)展為安全事故;而供氣可靠性的研究，則是為了得到并優(yōu)化管網(wǎng)的供氣能力，通過(guò)合理的運(yùn)行方案保障市場(chǎng)按時(shí)、足量獲得天然氣?？煽啃匝芯康氖窃谝?guī)定時(shí)間、規(guī)定條件下完成規(guī)定任務(wù)的能力的概率，這個(gè)概率與管網(wǎng)投資、運(yùn)行條件相關(guān)。在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制逐步完善的過(guò)程中，必然要求天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合，在保障國(guó)內(nèi)市場(chǎng)穩(wěn)定用氣的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益，落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀提出的“保民生、促發(fā)展”的要求。天然氣管網(wǎng)的可靠性與人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，管網(wǎng)系統(tǒng)的不可靠狀態(tài)會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的影響。因此，研究天然氣管網(wǎng)的可靠性一定程度上保障了國(guó)家的穩(wěn)定發(fā)展、社會(huì)的長(zhǎng)治久安及群眾的安居樂(lè)業(yè)。天然氣管網(wǎng)可靠性的要求是在其全生命周期內(nèi)，將可靠性保證在一定程度。運(yùn)行維護(hù)在天然氣管網(wǎng)全生生命周期中影響著可靠度的變化，因此，必須對(duì)管網(wǎng)可靠性進(jìn)行定量分析與評(píng)估，在理論指導(dǎo)下有效地對(duì)可靠性進(jìn)行保障，提高資源利用的有效性。管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠與供氣可靠是有機(jī)的整體。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性與管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了管網(wǎng)的供氣能力，而用氣市場(chǎng)只對(duì)供氣可靠性提出了要求。因此，研究天然氣管網(wǎng)可靠性時(shí)，應(yīng)該分別對(duì)物理結(jié)構(gòu)可靠性、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及供氣可靠性進(jìn)行研究與分析。分析天然氣管網(wǎng)可靠性的同時(shí)，亦應(yīng)分析相對(duì)應(yīng)不可靠狀態(tài)的事故結(jié)果及災(zāi)害，以描述在當(dāng)前可靠度狀態(tài)下，不可靠狀態(tài)可能造成的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境影響。結(jié)果表明，天然氣管道不可靠狀態(tài)極有可能對(duì)附近較大范圍的人群、設(shè)施、環(huán)境造成巨大傷害。

2天然氣管網(wǎng)供氣可靠性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法

2.1評(píng)價(jià)方法

對(duì)于天然氣干線管道的結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)，一般是基于管道在極限狀態(tài)下，分析它在不同的運(yùn)行工況下，發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的概率。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，因腐蝕引起的管道缺陷是造成天然氣管道結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，根據(jù)失效后果的不同，將腐蝕引起的失效模式分為小孔泄漏和爆裂，后者又根據(jù)透壁缺陷是否會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定增長(zhǎng)，分為大孔泄漏和斷裂。國(guó)內(nèi)外對(duì)于腐蝕管道的結(jié)構(gòu)可靠性研究較為成熟，主要分為確定性的評(píng)價(jià)方法和概率性的評(píng)價(jià)方法。早期的研究主要是采用確定性評(píng)價(jià)方法，通過(guò)計(jì)算或是預(yù)測(cè)腐蝕管道的剩余強(qiáng)度來(lái)對(duì)管道的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是該方法存在諸多不足，管道的可靠性評(píng)價(jià)過(guò)程存在諸多不確定性，這些不確定性是由于預(yù)測(cè)管道行為所需要的參數(shù)值不夠準(zhǔn)確造成的。確定性方法通常采用安全因子對(duì)這些不確定性進(jìn)行處理，可能會(huì)對(duì)管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的描述。因此，目前更多的是采用基于概率性的方法對(duì)腐蝕管道可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)識(shí)別腐蝕管道可能的極限狀態(tài)，建立相應(yīng)的極限狀態(tài)方程對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行描述，針對(duì)管道可靠度評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的不確定性，采用隨機(jī)變量的形式進(jìn)行處理。最后使用解析法或數(shù)值抽樣法（如蒙特卡洛抽樣方法、一階和二階可靠性方法等）計(jì)算腐蝕管道在不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)可靠度。對(duì)于腐蝕管道極限狀態(tài)方程的選取、極限狀態(tài)方程中變量對(duì)管道可靠度的影響以及檢測(cè)和維修對(duì)腐蝕管道的作用機(jī)理等方面，很多學(xué)者已做了廣泛的研究。

2.2預(yù)測(cè)方法

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)，主要采用蒙特卡洛模擬法和故障樹分析法。蒙特卡羅法因其相對(duì)簡(jiǎn)單（具有一定的黑箱特性），物理意義比較明確，能夠建立與實(shí)際情況較接近的可行域與極限狀態(tài)方程，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的可靠性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。對(duì)于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，因其構(gòu)成復(fù)雜、運(yùn)行工況多變、影響因素繁多等不確定因素較多的特點(diǎn)，使用蒙特卡羅法可以避免量化一部分難以通過(guò)數(shù)學(xué)分析得到準(zhǔn)確影響程度的因素（如第三方破壞、自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)、政策法規(guī)等），直接依據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)自身的當(dāng)前狀況建立對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)極限狀態(tài)方程，通過(guò)多次重復(fù)模擬得到管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度。但是，由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，管材工藝類型、性能參數(shù)豐富，并且管道存在穿、跨越特殊施工工藝，導(dǎo)致不同單元的極限狀態(tài)方程不同，存在一定的關(guān)聯(lián)性，造成極限狀態(tài)方程組建立困難、模擬計(jì)算需求量大等不可避免的問(wèn)題。采用故障樹分析法需要對(duì)天然氣管網(wǎng)建立完備的故障樹模型，然后對(duì)管網(wǎng)失效事件最小割集進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)構(gòu)成事件的貢獻(xiàn)率、權(quán)值進(jìn)行定量計(jì)算，這些步驟均為較復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)與計(jì)算過(guò)程。但因故障樹邏輯關(guān)系明確，能夠較客觀地呈現(xiàn)管網(wǎng)失效及故障模式的事件組成、因果關(guān)系，進(jìn)而為事故預(yù)測(cè)、預(yù)排除及運(yùn)行優(yōu)化提供較明確的決策支持，在當(dāng)前設(shè)備、管道、管網(wǎng)等系統(tǒng)工程故障分析中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，天然氣管網(wǎng)是一個(gè)具有大量不確定性影響因素的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)分析方法對(duì)于研究管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)具有一定優(yōu)勢(shì)，但不能充分考慮其工藝特點(diǎn)。而且天然氣管網(wǎng)也并不是簡(jiǎn)單的串、并聯(lián)系統(tǒng)。將工程經(jīng)驗(yàn)與經(jīng)典理論統(tǒng)一起來(lái)，綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)與天然氣的傳輸過(guò)程，建立全面的系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)模型是推動(dòng)研究進(jìn)展的關(guān)鍵所在。

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