長輸管道設計可靠性分析與方案優化

陳紅山

摘 要：當前，天然氣用量在逐年遞長，對長輸管道的需求也在不斷增加，據此，未來幾年中，大輸量管線的建設將會層出不窮。與此同時，主干線路的設計輸量普遍達到300億/立方米，也標志著國內輸氣管道建設新時代的到來，更加需要進一步提高輸送效率，滿足日新月異的要求。這些新的科學技術的出現必然帶來了管道從設計、施工到運行各個過程中的一系列的可靠性問題，需要引入新的基于可靠性的設計技術。

關鍵詞：天然氣管道;管道設計;可靠性問題;優化方案

天然氣管道迅速發展，必然帶來了管道從設計、施工到運行各個過程中的一系列的可靠性問題。本文介紹了新的基于可靠性的設計方法的原理和特點，通過與傳統方法的對比表明其優越性，同時對國內外研究情況進行了詳述，提出了本設計方法的研究重點和具體實施流程，并對其未來應用的前景進行展望。

1國內外研究現狀

1.1國內研究進展

隨著我國經濟的高速發展，天然氣需求量與日俱增，必須大力發展超大輸量管道，而為此提出的提高設計系數、增大管徑、提高鋼級等技術手段都需要使用基于可靠性的設計和評價方法，比如目前天然氣管道一級地區已經進行了0.8設計系數的相關研究，成果斐然，設計者調研管材性能指標等基礎數據，同時結合實際施工和運行水平，評價以保證管道的安全可靠運行。同時，國內剛剛將ISO 16708-2006-Petroleum and natural gas industries-Pipeline transportation systems-Reliability-based limit statemethods等同采用為國標，正式將可靠性設計的理念引入到國內管線的設計中，但是，由于該標準僅僅從定性角度對該理念進行闡述，距離真正在國內天然氣管道中使用，還需要更多深人的研究。

1.2國外研究進展

早在20世紀70年代，國際上就已經著眼于由于管道在設計、施工和運行中的不確定性因素造成的管道安全的影響，并提出了相應的基于可靠性的設計方法和標準。比如加拿大的油氣管道標準CSA 2662（2007）、挪威船級社的DNV-OS-F101（2000）、（（ Petroleum and natural gas

industries-Pipeline transportation systems-Reliability-basedlimit state methods ））（ISO 16708-2006）都納人了可靠性設計的相關內容，同時其對國內輸氣管道的適應性也有待進一步研究。加拿大C-FER公司從20世紀90年代開始進行有關管道的可靠性問題的研究，并取得了廣泛的研究成果，也開發了諸如PRISMPYRAMID可靠性計算分析軟件，軟件采用蒙特卡洛迭代算法，通過高頻次循環，以求解隨時間變化帶來的管道可靠性變化問題，并在多條北美管道建設及評價中得到了應用。總之，國外相比國內研究開展較早，技術相對成熟，但目前仍處于不斷完善階段。

2方法概述

當前，陸上天然氣管道普遍采用基于應力的設計方法，該方法將材料、制造、施工、運行等方面的不確定性，均考慮在統一的安全系數中。該系數的確定主要依靠設計人員的經驗和風險定性評估的結果，目前已被行業規范，甚至法律、法規所采納。盡管這種方法有著直觀、簡單、便于應用、為人們廣泛接受等優點，但是隨著人們對管道材料認知、失效機理的理解日益加深，管道服役環境的日益復雜，其局限性也日益顯著。如：1）推薦使用的安全系數不能完全反映管材性能水平，其有效性無法證實和量化;2）管道運營維護技術和運行作業的進步不能完全考慮;3）服役環境，如地震、滑坡等地段的設計不能全部納入其中;4）對由于技術進步帶來的超出規范要求的部分無法考慮。

為此，需要尋求更加合理的設計方法，基于可靠性的設計方法的實質是針對天然氣管道，通過大量的調研數據，制定合理的目標可靠度作為衡量依據，同時對新建管道中的不確定因素進行定量分析，并利用分析結果，使用概率的方法計算安全可靠度，再與目標可靠度比較并進一步修正設計，最終得到最安全合理的設計方案。

3方法流程

天然氣管道基于可靠性設計方法的核心是目標可靠度的確定、不確定性參數的分析、極限狀態方程的選擇和建立、可靠度的計算。本文針對該方法在實際應用中的特點，與各地區等級、環境下的管道假設具體情況相結合，天然氣管道使用可靠性的設計方法要通過5個步驟：首先，采集基本數據，為了準確有效的對階段進行分析研究，需要對該段線路的數據，并對數據進行相關概率分析，明確輸入條件其次，定義可靠度目標：作為可靠度設計的衡量依據，根據管道全生命周期各階段所面臨的問題，設計中而要考慮全部三種類型的極限狀態，即UfS（即極端極限狀態）、LLS（泄漏極限狀態）與SLs（服役極限狀態）。對以上3種狀態的分析可確保最終的設計能夠使得管道在其整個壽命周期內，可滿足所有極限狀態類可靠性目標。

再次，極限狀態的選用：在與所考慮的管線及其運行條件相聯系的載荷條件的基礎上，明確識別與給定管道相關的極限狀態。根據目前管道中面臨的問題列出主要的極限狀態的列表，然后根據程序確定這此極限狀態是否適用于本次管道的設計：首光根據從本數據提供的自然條件和社會條件的概況，判斷有哪種極限狀態適用于該管道如果與主要道路和高速公路并無交叉則不考慮管道覆層表面載荷過載的極限狀態;或者在管道線路上沒有不穩定斜坡，則不考慮邊坡失穩的極限狀態。若線路中不通過含富冰土壤的地區則不號慮凍脹的極限狀態;同時。類似地上管道橫跨、風載等不適合埋地管道情況。也予以排除。其次，在適合的極限狀態中考慮全生命周期內哪些是可以通過其他的特定的操作手段予以解決的。尤其注意運輸階段和施工階段的多個極限狀態，經過定性定量分析后，將認為可以解決的極限狀態排除，但需提出具體的解決措施最后在上述兩個步驟之后。得到最終管道設計的主要極限狀態列表，并以此為基準進行計算。

4結束語

本文研究介紹了天然氣輸送管道應用基于可靠性方法的具體步驟。該流程給出了為滿足管道設計與運行安全性，必須實行的具體步驟以及各步驟的詳細研究內容，按照所述過程，可以用于指導未來更高鋼級、更大管徑和更高設計系數的管道可靠性設計方案的制定和優化，并可以為管材生產、施工安裝和運行維護等提出相關改進建議，以便確保管道的可靠度水平，在保障管道安全運行的前提下可以帶來明顯的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 海底管道可靠性設計方法及施工程序編制方法[J]. 徐東永.中國新技術新產品. 2016（04）