輸氣干線系統失效模式研究

謝青青

摘 要：管道輸氣已經成為世界上天然氣輸送的最主要方式，也是一種高效和安全的輸送方式，其運行可靠性對于世界的能源供應起著重要的作用。輸氣干線系統中各個基本單元的失效模式研究作為可靠性分析的基礎，對于后續分析整體系統可靠性有重要意義。管道單元、壓氣站單元以及自控系統是輸氣干線系統中的基本單元，而輸氣干線系統中不同基本單元的失效模式各不相同，所以需要在系統基本組成單元失效模式的定義與基本內涵的基礎上，對單元的失效模式分別進行研究。今后在進行輸氣系統可靠性評價時，需要明確各個單元的失效模式，以對系統可靠性作出最為準確的判斷

關 鍵 詞：輸氣干線系統；失效模式；管道單元；壓氣站單元

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1711-04

Research on the Failure Mode of Transmission System

XIE Qing-qing

（China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 100249，China）

Abstract： Using pipeline to transport gas has become the main way of gas transportation in the world， and it also is a kind of efficient and safe way of transportation. At the same time， the operation reliability of transmission system plays an important role for the world's energy supply. Failure mode research on each basic unit of the transmission system as the basis of reliability analysis is important for analysis of the overall system reliability. Transmission system consists of pipeline unit， compression station unit and control system， and the failure modes of each unit are not the same. As a result， it is necessary to define the failure modes of each unit before analyzing. For further research on the reliability assessment of transmission system， it is necessary to make the failure mode of each unit clear and definite in order to judge the reliability of the system.

Key words： transmission system；failure mode；pipeline unit；compression station unit

目前，運用管道輸氣已經成為世界上輸送天然氣的最主要方式，也是一種高效安全的輸送方式。天然氣管網對天然氣生產和供應非常重要，因為一旦管網發生故障，就會直接影響天然氣氣田生產以及供氣質量。隨著我國天然氣管道的迅速發展，到目前為止已經建成并運營的天然氣輸送管線總長已經超過了4萬km，天然氣管道運行可靠性已得到高度重視[1]。天然氣管輸工藝流程雖然不復雜，但由于使用各種控制儀表和自動化裝置，以及天然氣為易燃易爆介質等原因，使得管道系統從工藝以及設備來看，需要較高的可靠性水平。如果發生事故，很可能是災難性的，不僅污染環境，最主要的是會影響到天然氣的供給。因此，對天然氣管道系統中各個單元的失效模式研究十分必要。

輸氣干線系統的失效模式研究是指將輸氣干線系統分為獨立的單元——管道單元、壓氣站單元、自控系統單元進行分析研究。輸氣干線系統的失效模式研究可以為設計人員、管理人員提供改進和管理管道的依據，使他們對系統運行和系統行為有更加深入的了解。

1 管道單元失效模式

管道單元“失效”一般是指管道發生故障而不能發揮原有功能的現象，也就是說失效是指管道單元部分或完全失去輸氣能力的現象，這種現象可以分為異常失效和自然失效兩種情況。其中自然失效就是在管道使用周期達到使用壽命時，而發生失效的現象；異常失效是指由于管道在設計、制造、安裝和運行過程中存在問題而導致的失效，例如人為誤操作、自然災害、腐蝕等導致的失效。管道單元失效具體表現形式就是管道單元的失效模式。一般來說，輸氣管道單元的失效模式主要包括：腐蝕、斷裂和變形。管道單元主要的失效因素已在表1中列出。

表1 管道單元主要失效模式[2]分類

Table 1 Main failure modes classification of pipeline unit

失效因素 具體因素

斷裂 韌性斷裂

脆性斷裂

變形 膨脹、伸長、凹坑

外力引起的壓扁

焊接引起的過度變形

泄漏 機械損傷、腐蝕損傷

管道單元的失效主要取決于管道本身和外界這兩類因素。其中，管道單元本身主要是指管道自身質量，包括鋼管自身質量、防腐層的質量以及施工好壞等。外界因素主要指使用條件如輸送氣體成分、氣體溫度以及氣體壓力等，還包括管道外界環境，如管道所經地區等級、土壤性質等。失效模式隨著管道所處的內外部條件的不同而不同，需依據實際情況加以分析。

1.1 斷裂

（1）韌性斷裂。在制造管道過程中，金屬材料中很有可能會存在裂紋等常見缺陷，隨著管道的運行，管道整體或局部在進入屈服狀態時，就會產生較為明顯的塑性變形，使得管道裂紋擴展。管道裂紋的擴展會使得管道的宏觀形狀發生變化，如果這種變形沒有被發現，塑性變形將會繼續積累。當管道的塑形變形的能力達到極限值，管道就會發生通常意義上的韌性斷裂。

（2）脆性斷裂。脆性斷裂通常是指管道在沒有經過明顯的變形的情況下，直接發生斷裂。斷裂時在管道上幾乎看不到管道的塑性變形，塑形變形是指：直徑增大、壁厚減薄等現象。管道在脆性斷裂時常常會形成碎片，這是脆性斷裂的特定，通常發生在溫度較低的情況下。管材本身具有的脆性是引起管道脆性斷裂的最重要原因。目前在我國這樣的氣候條件下，隨著國內冶金水平的提高，一般都不具備發生脆性斷裂的條件。輸氣管道的斷裂模式會直接地影響管道的質量，還會影響其安全可靠性、使用壽命。關于這方面的研究國內外目前已經做了很多，而且還在深入。

1.2 變形

輸氣管道變形包括：（1）由于管道過熱或者負荷過載而引起的管道管體的膨脹、伸長、凹坑等現象；（2）外力引起的壓扁；（3）焊接引起的變形。本文所指變形是由于管道的變形影響正常輸氣時的變形，不包括管道的破裂，僅僅指管道形狀的改變。

地下管道的變形特征會受很多因素的影響，周圍的土質以及上部載荷等都會影響管道變形特征。管道上部載荷大小、管道之間相對位置關系以及管道的埋深等因素，都在一定程度上影響著管道位移分布、管道受力狀態[3]。為此，應加強管道地下部分的監控，防止管道因過度變形而導致故障。

1.3 泄漏

泄漏主要包括兩種情況：即管道機械損傷引起的泄漏；管道腐蝕損傷引起的泄漏。泄露這種故障模式是輸氣管道中最為常見的故障模式。目前調查研究表明，導致管道發生泄漏的原因主要有管道腐蝕、管道機械損傷以及第三方損害管道。目前國內外對腐蝕管道泄漏的研究較為深入，已經形成管道結構強度可靠性理論，建立了結構可靠性模型。對于機械損傷等其他因素導致的管道泄漏目前只停留在事故數據統計階段，具體的研究還不是太深入。

1.4 復合失效因素

在實際情況中，以上三種管道失效模式存在轉換，例如管道失效開始時可能是孔洞泄漏，隨后由于某種原因逐漸發展成管道斷裂。由于不同的失效模式之間相互關聯，所以要及時找出管道中存在缺陷的部位，及時進行維修，防止發生重大事故。

具體的管道單元失效形式通常是復雜的，往往是上述幾種管道失效模式的組合[4]導致的復合失效。以下較為全面地總結了管道發生故障的原因，通常輸氣管道失效因素可劃分為六種：外部干擾因素、腐蝕因素、材料缺陷因素、設備因素和操作因素以及其他原因，如表2所示。

表2 管道失效因素分類[3]

Table 2 Classification of pipeline failure factors

輸氣管道失效因素 具體因素

外部干擾 第三方造成的機械損傷，通常是人為的

地面壓力造成的疲勞失效

地震等自然災害造成的管道損壞

腐蝕 內腐蝕：由輸送介質引起

外腐蝕：由外部環境引起

焊接和材料缺陷 焊接缺陷

材料缺陷

設備和操作 設備故障

違章操作

其他原因 未知原因

管道失效后其氣體損失量的大小以及后果由管道的失效模式及失效原因共同決定，劃分為四種氣體損失情況：微孔泄漏、孔洞泄漏、管道斷裂、漏氣爆炸。微孔泄漏和孔洞泄漏是管道失效后果較輕的情況，但微孔和孔洞泄漏總會演變為管道的開裂，產生嚴重后果，在可靠性分析中應注重分析其經濟損失。

2 壓氣站單元失效模式

壓氣站單元是輸氣干線管道系統中輸氣站場最重要的組成部分。本文對管道輸氣站場失效模式的分析重點放在對壓氣站單元失效模式的評定上。壓氣站單元失效是指壓氣站不能在規定的條件下完成規定的任務，即壓氣站單元部分或者完全失去輸氣能力的現象。壓氣站正常運行與否會直接影響到天然氣的輸送，因此必須保障壓氣站的運行安全[4]。對壓氣站中存在的危險因素進行分析研究，對提高壓氣站管理水平與維護水平具有重要的意義。

與管道單元相似，壓氣站的失效模式通常是指壓氣站失效的表現形式。一般認為壓氣站可分為表3所示的四個子系統，表中還列出了其失效因素。

表3 壓氣站內各個子系統失效模式[5]

Table 3 Failure modes of compressor station subsystem

壓氣站的內部單元 失效模式

清管區失效 泄漏、破裂

壓氣區失效 流體振動、機械振動、故障停機

閥門失效 泄漏

卡滯、閥體破裂、振動

工藝管道失效 斷裂、變形、泄漏

下面分別對壓氣站內各個子系統的失效模式及其后果進行分析。

2.1 清管區

收發清管球是清管器收發區的作用，因此對清管區進行分析即是對收發裝置進行分析。

清管區包含清管球、閥門、收發球筒等部件，其中收發球筒的故障模式主要是泄漏和破裂，其主要故障原因總結如下：（1）清管器材質不是耐腐蝕性材質；（2）材料的熱處理效果差；（3）閥門或者法蘭泄漏；（4）儀表、安全泄壓等裝置使用時間較長導致的失靈；（5）清管區的操作規程不正確，沒有日常維護程序。清管區失效會影響清管器的收發，一般情況下不會對輸氣系統造成太大的影響，但是如果清管區發生爆炸，就會造成嚴重后果。

2.2 壓氣區

壓氣區主要組成部分有：壓縮機、驅動設備，其中帶動壓縮機的驅動設備主要有兩種：電動輸氣機組和燃氣發動機組。壓氣區失效因素主要包括機械振動、流體振動和故障停機這三種情況。

機械振動是指設備內轉子、滾動軸承、聯軸器等零件的機械振動；流體振動則是指由于某種原因導致流量下降而導致的壓縮機出現喘振的現象。

這兩種故障模式會導致壓縮機出口流體流動參數發生變化，從而影響干線輸氣系統的輸氣能力。故障停機是最嚴重的故障事故，是指直接導致整個壓氣站的停運的故障，如供電系統崩潰、壓縮機組故障停機。下面對離心式壓縮機組的壓縮機與燃氣輪機兩個組成部分的失效因素做詳細描述：（1）壓縮機失效：壓縮機安裝不平衡；潤滑油管堵塞；軸承間隙不當；葉片加工質量差；齒面疲勞點蝕；氣道內落入雜志或者異物；電機故障等。（2）燃氣輪機失效：點火不通；軸承等熱處理差；管路冰堵；過載；噴嘴霧化不良；電路故障。

壓氣區是壓氣站內最重要的部分，它的失效有可能會導致整個壓氣站的停運，應從日常檢修和維護中提高其可靠性水平，以預防性維護來防止較大事故的發生。

2.3 閥門

閥門的失效模式對于閥門的可靠性研究具有重要意義。Lchakrabot在文獻[6]中介紹了閥門可靠性的評估方法：統計學方法和參數法。壓氣站單元中的閥門主要分為4大類：全站閥、機組閥、狀態閥、護站閥，閥門的故障模式主要是閥門振動、閥門卡死和閥門泄漏。導致各種故障模式的原因如下：

（1）閥門卡死：主要是指閥桿活動受阻，有物理原因和化學原因兩種：應力蠕變造成的閥桿彎曲變形，這屬于物理原因；化學原因造成閥門導桿與導向件之間摩擦力過大，化學因素主要有腐蝕。閥門卡死會造成閥門前后的壓力變化，影響氣體流動穩定性，嚴重時還會影響整個站場的運行。

（2）閥門泄漏：閥門泄漏主要包括內部泄漏和外部泄漏兩種情況，原因是密封失效。失效因素有：閥門內部密封接觸面磨損或腐蝕造成缺陷；內部緊固件松動；密封件未壓緊等。閥門的泄漏在情況較輕是會造成大量流體損失，同時會造成能源損耗、環境污染，在情況較為嚴重時，會釀成重大事故，造成不可收拾的場面。

（3）閥門振動：介質流動過程中的振動會使得管道和閥門產生振動，這是閥門振動失效的主要原因，同時閥門的過度節流會導致其輸出信號不確定而產生振動，如果閥門的頻率與系統頻率接近，就會產生共振，這也會造成閥門震動失效。

（4）閥體破裂：閥體破裂失效的原因有：閥門材質內部存在砂眼、氣孔；鑄造局部強度未達到要求；閥門振動使得其自身出現裂紋；在低溫下閥體被凍裂等。

總之，閥門的失效模式主要有卡滯、泄漏和振動這三種，應當從理論角度對閥門的具體失效模式進行分析研究，提出提高閥門自身可靠性的方法。與此同時，應在設計和使用閥門過程中采集數據，對閥門失效機理展開深入研究。

2.4 工藝管線

壓氣站工藝管道按照敷設方式分為地面管道和埋地管道兩種，這兩種管道的失效模式相似，區別在于埋地管道只會受到土壤腐蝕，而地面管道只會受到大氣腐蝕。站內管線的失效模式同干線輸氣管道的失效模式相同，也分為斷裂、泄漏和變形，在這里不做贅述。引起站內管線失效的因素有：管道材質不耐腐；無泄壓裝置；內涂層失效；陰極保護失效；管道焊口組對差或者沒有焊透；管道搬運中受損；未考慮壓力波動；設計不合理等。

3 自控系統單元失效模式

自控系統是干線輸氣系統中實行監控以及管理的系統，能夠為可靠性分析提供數據來源。自控系統的可靠性水平不僅僅取決于系統中的硬件結構，還取決于系統軟件的通信設備，這一點不同于管道單元以及壓氣站單元。以下是輸氣干線系統中自控系統單元主要的失效模式：

（1）誤操作，使SCADA系統無法操作管道主系統；

（2）不能同應用軟件傳輸或交換正確數據；

（3）不能向硬、軟件存儲或調出數據；

（4）丟失數據故障。

4 結 論

本文是輸氣管道干線系統可靠性研究前的一篇探究性文章，可為今后深入研究輸氣系統可靠性提供參考與指導。建議在今后在對干線天然氣管道可靠性評價前，細致研究系統的失效模式，將每個單元的失效可能性進行量化，并利用管道系統運行模擬軟件來計算，提高計算速度與精度。

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（上接第1710頁）

采用大變形鋼管或增加壁厚的方法提高管道的許用應變，保證其適應土壤位移的能力。

5）加強凍土區管道沿線的溫度和位移檢測，及時進行安全性校核。

3 結束語

凍土區管道的安裝與運行面臨著諸多的風險與挑戰，國內外針對凍土區管道的設計與安全評價進行了大量的研究，尤其針對典型的危害形式取得了一定的成果，給出了基于數值計算或解析推導的管道設計方法，并總結了大量的工程防護措施，對工程實際有一定的指導作用。但同時需要意識到，凍土管道是具有重大戰略意義的復雜系統工程，還有許多問題解決，這需要政府與大型石油企業重視并長期資助相關科研單位、院所進行攻關研究。

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