缺陷管道適用性評價技術研究進展

朱晏萱

(克拉瑪依職業(yè)技術學院機械工程系)

隨著斷裂力學的發(fā)展，國際上已經(jīng)發(fā)展了一系列適用性安全評價方法，但是這些規(guī)范和方法只針對核工業(yè)及壓力容器，1991年美國機械工程師學會提出了ASME-B31G《確定腐蝕管線的剩余強度手冊》，但該規(guī)范僅適用于評價體積型腐蝕缺陷，在使用效果上達不到評價的目的。管道適用性評價技術是對含缺陷管道能否繼續(xù)使用、如何使用和使用時間進行判定的技術，它是建立于現(xiàn)代斷裂力學、彈塑性力學及可靠性理論基礎上，可以對管道缺陷進行嚴格的理論分析，對缺陷從形核、擴展、失效及失效后果做出判斷，最終形成處理意見。國內在管道適用性評價方面的研究起步較晚，對缺陷管道的適用性評價只是在近年才開始研究[1～4]，根據(jù)國內油氣管道的腐蝕特點有必要探索出適用范圍較廣、評價可靠性更高的適用性安全評價方法。

1 管道適用性評價內容

管道適用性評價的內容一般包含管道的剩余強度分析、剩余壽命預測、可靠性分析及風險管理等，管道剩余強度評價的目的是研究某一缺陷在給定壓力下能否存在，其評價是在檢測的基礎上，通過嚴格的理論分析，達到科學地指導管道的維修計劃和安全生產(chǎn)管理的目的[3，4]。管道剩余壽命預測則是預測在役管道的安全服役時間，它建立在缺陷動力學和材料力學性能及性能退化規(guī)律之上，能夠為設備科學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)定時間內某項功能(如輸送量、輸送壓力和溫度)的概率。其影響因素與剩余強度和剩余壽命的影響因素類似。風險管理是當前安全評估的研究熱點，應用于管道上即指通過管道運行中風險的識別和評價來制定相應的風險控制措施，通過不斷地改進，使風險降到可接受的水平。

2 管道的剩余強度評價

2.1 ASME-B31G準則方法

基本的ASME-B31G準則是利用Kiefner和Vieth編譯的86個數(shù)據(jù)庫，用ASME-B31G準則對管線的失效壓力或最大允許工作壓力進行預測[4～10]，但該方法預測剩余強度和允許工作壓力偏保守，隨后Kiefner和Vieth進行了改進，對流變應力σf進行修改，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)。宋旭等認為無論是ASME B31G：1984標準中還是ASME B31G：1991標準中，流變應力的結果均偏保守[11]，建議將流變應力變?yōu)棣襢=(σs+σb)/2。初飛雪等則認為應用樣條曲線求解腐蝕剖面曲線投影面積可以提高B31G公式的預測精度，降低B31G的保守程度[12]。

2.2 彈性極限法與塑性理論法

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

2.3 有限元分析

對管道采用有限元分析可以精確地進行剩余強度評價，駱華鋒等在考慮幾何非線性和材料非線性時建立線彈性模型，將計算結果與模擬實驗進行對比后，曲線族非常吻合[15]。帥健等利用有限元分析方法對腐蝕過程進行了模擬，得到了管道在未來確定時間的剩余強度，同時對剩余壽命與可靠性進行了預測[16]。魏化中等對組合缺陷管道采用有限元分析進行了剩余強度分析，分析中同樣考慮了材料的非線性和幾何非線性[17]。

3 管道剩余壽命的預測

3.1 基于缺陷尺寸的剩余壽命計算

該方法通過對缺陷尺寸進行檢測，再對缺陷的應力進行分析，結合材料性能計算出給定失效準則(LBB、YBB)腐蝕缺陷的臨界尺寸，再根據(jù)裂紋擴展的數(shù)學模型計算出臨界缺陷尺寸的導數(shù)關系，最后確定給定時間下的腐蝕缺陷尺寸參數(shù)，趙金洲等對灰色遺傳算法、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡、高木-關野NNGA和正規(guī)化NNGA法進行了應用比較研究[4]。

3.2 基于概率統(tǒng)計的剩余壽命計算

管道在使用過程中受周圍環(huán)境和介質腐蝕的影響，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分布為：

F1(y)=exp{-exp[-(x-λ)/α]}

(4)

式中F1(y)——最大腐蝕深度不超過x的概率；

x——最大腐蝕深度的隨機變量；

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個試樣的腐蝕平均值為：

(5)

3.3 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡預測管道剩余壽命

不通過缺陷尺寸對缺陷管道進行壽命預測可以運用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡進行[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、改進的Rumelhart和MBP神經(jīng)網(wǎng)絡，對注水管道的剩余壽命進行了預測[18]。結果表明，CVDA-84規(guī)范偏保守，采用BP以及改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測的剩余壽命和觀測值基本一致，采用改進的Rumelhart和MBP神經(jīng)網(wǎng)絡能有效地提高預測速度，改善網(wǎng)絡的收斂性，并且使預測精度有所提高。

4 管道的可靠性分析

管道的可靠性計算目的是從管道運行安全性及經(jīng)濟性考慮選材、運行參數(shù)等，通過概率斷裂力學方法分析管道的可靠性。可靠性指標有可靠度、失效概率和失效率。

4.1 管道模糊可靠度的計算方法

利用一階二矩法計算可靠度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表示，為了解決極限狀態(tài)方程缺乏統(tǒng)一性的問題，Hasofer和Lind提出了改進的一階二矩法，改進的一階二矩法明確了β的物理意義，即β值等于標準正態(tài)化空間中從原點到極限狀態(tài)曲面的最短距離。

4.2 改進的Monte-Carlo數(shù)值模擬法

標準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，失效概率變小時則不適用。所以對Monte-Carlo數(shù)值模擬法從減少隨機模擬變量、重要性抽樣法和分布擬合法進行了改進，該法集標準Monte-Carlo數(shù)值模擬法及一階二矩法的優(yōu)點，具有較大的適用性。

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法

求解非線性最優(yōu)化問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，需要對目標函數(shù)求導，但在陷入局部收斂時得不到全局收斂的最優(yōu)解，從而無法計算失效概率。遺傳算法具有全局優(yōu)化好的特點，可以用于計算可靠性[20～22]。

5 管道風險管理技術

風險評估是國內學者目前的研究熱點，通過計算管道的失效概率和失效后果給出管道的風險水平，風險評估分為定性和定量兩種。定性風險評估主要基于基礎資料分類評價，定量風險評估需要采集設備的建造基礎數(shù)據(jù)、工藝物流分析數(shù)據(jù)及檢驗數(shù)據(jù)等，定量風險評估是對設備進行完整的安全評估，利于企業(yè)制定合理的檢維修計劃。

5.1 定性風險評估

5.1.1故障類型、影響和致命度分析(FMECA)

采用系統(tǒng)分割的方法將評價目標、體系分割為若干子系統(tǒng)，對子系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障及其原因等進行逐個分析，根據(jù)故障的影響程度劃分類型等級做出風險矩陣，事故概率級別及事故后果級別分為4個級別，對于高風險設備再進行致命度C的計算，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為檢測難易程度、β為修復難易程度，計算完畢后再根據(jù)評價結果采取預防性措施[4，23]。

5.1.2專家評分法

專家評分法是由Wuhlbauer W K提出的定性評價方法，該方法易于操作，適合基層管理人員進行打分評價，其基本步驟為根據(jù)現(xiàn)場基礎資料和調查資料進行評分，將評分相加，再計算泄漏沖擊指數(shù)，最后進行綜合計算，計算相對風險數(shù)[24]。胡燈明等采用多因素敏感性分析法，對Muhlbauer W K指數(shù)評價法模型本身的影響因素進行敏感性分析，確定各影響因素對管道評價指數(shù)影響的大小[25]。張艷橋和趙薇則認為將模糊數(shù)學與評分法相結合進行安全評定能更加客觀評價管道的風險[26]。

5.2 定量風險評估

定量風險計算一般包括失效概率計算與失效后果計算，失效概率計算前需采集管道的設計、安裝、環(huán)境、運行以及檢驗等資料[27]，再按照相關計算方法計算各單元的失效概率，目前國外許多國家均建立了管道失效數(shù)據(jù)庫，失效后果計算需確定代表性的流體和流體物流組分，特別是腐蝕性雜質的組分，結合前面采集的基礎數(shù)據(jù)進行最終計算。目前中國特種設備檢測研究中心和合肥通用機械研究院開展的定量風險評估技術逐漸成熟，同時對國外軟件本土化提出了一些建設性的意見，隨著一些技術規(guī)程將該方法陸續(xù)納入，風險檢驗評估在國內會快速得到發(fā)展[28～32]。

5.3 半定量風險評價

由于定量的風險評價技術耗費大量時間、人力、財力，半定量風險評價不需要定量風險評價的大量數(shù)據(jù)，通過半定量風險評價指出高風險區(qū)域，API581的后果模型簡化了存量，后果面積是按照結果類別進行劃分的，而營業(yè)中斷和環(huán)境后果不包含在該評價方法中，在可能性風險分析中，技術模塊子系數(shù)值通過簡單的可能性類別進行分配。

6 結束語

缺陷管道適用性評價技術正不斷研究與發(fā)展，相關研究單位、研究人員已形成了一套有效的評估體系，隨著斷裂力學的不斷發(fā)展及計算機應用軟件的逐漸完善，管道適用性評價方法與完整性管理會逐漸標準化、體系化。在學習國外的標準和規(guī)范的基礎上，消化吸收先進的研究方法，改進已有評估方法的局限性，使之適合國內管道的運行現(xiàn)狀，擴大應用范圍，也為建立和完善我國適用性、完整性評價技術、規(guī)范打下基礎。

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