基于可靠性方法的輸氣管道安全性評價分析

胥琴，姜旭，劉少東，張瀟涵，馬偉平

1.中油國際管道有限公司 中緬油氣管道項目（北京 100029）2.中國石油天然氣銷售 陜西分公司（陜西 西安 710000）3.中國石油天然氣銷售 廣西分公司（廣西 南寧 530000）4.甘肅中石油昆侖燃氣工程設計（咨詢）有限公司（甘肅 蘭州 730000）5.國家管網集團北方管道有限責任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

高寒、極地、沙漠等惡劣環境對管道設計和運行安全性提出更高要求[1]。國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》對于高鋼級、大口徑、高壓力輸氣管道是否適用，壁厚設計值能否保證管道系統的安全性需要深入研究[2]。我國在超大輸量天然氣管道設計、施工和運行方面經驗還不完善[3]。管道設計除保證管體機械強度和承壓能力，還應考慮管道服役中第三方破壞、腐蝕、材料制造與施工缺陷等失效因素的不確定性。本研究采用基于可靠性的設計與安全性評價方法，計算了西氣東輸二線、中俄東線天然氣管道的目標可靠度和失效概率，探討了GB 50251—2015 對于高鋼級、大口徑、高壓力輸氣管道的適用性，提出新建大型輸氣管道工程設計的合理化建議。

1 管道設計系數物理意義

我國天然氣管道按照基于第三強度理論的應力準則，即管道內壓產生的環向應力應小于等于管材許用應力，許用應力是管材最小屈服強度與設計系數的乘積。設計系數是將管材、施工、運行等方面的不確定性集中表征為一個經驗系數，不能真實反映管材性能及管道施工與運行維護水平。隨著管材性能、制造以及管道施工、運行技術進步，與設計系數相關的不確定因素降低，采用設計系數的理念存在一定局限性[4]。

式中:σ為管壁環向應力，MPa；p為管道輸送壓力，MPa；D為管徑，mm；t為壁厚，m；[σ] 為管材許用應力，MPa；F為設計系數；σy為管材最小屈服強度，MPa。

2 可靠性設計與評價方法研究現狀

為解決單一設計系數的局限性，國外提出基于可靠性的設計與評價方法，基本思想是定量計算和分析管道極限狀態下的載荷和抗力不確定性因素，針對管道實際失效形式進行設計和評價，避免不合理或過于保守設計，保證管道設計、材料、施工、運行和操作原則的統一性[5]。自20 世紀60年代，美國機械工程師協會（ASME）、英國天然氣公司和國際管道協會研究建立了含腐蝕缺陷管道剩余強度評價和壽命預測方法[6]，在此基礎上，國外管道可靠性設計與安全性評價方法已形成系統的、成熟的通用技術，已制定國際標準ISO 16708—2006《管道輸送系統-基于可靠性的極限狀態方法》。加拿大國家標準CSA Z662—2015《油氣管道系統》中規定了陸上非酸性天然氣管道基于可靠性的設計和評估方法。可靠性方法已應用于高寒、極地、山區和地震斷裂帶等特殊環境管道設計，以及應用于在役管道提高運行壓力和輸量的安全性評估，例如英國BPNorthstar 管道，加拿大Enbriidge-Norman Well 管道采用了基于應變的設計方法[7]。

2004年我國西氣東輸二線穿越強震區和活動斷層段采用了基于應變的管道強度設計方法[8]。從2012年開始，國內開展“天然氣管道基于可靠性的設計和評價方法”等重大專項課題研究，結合我國管道設計施工實踐、實際情況和失效因素，制定了天然氣管道可接受社會風險和個體風險，建立了基于腐蝕、第三方破壞和缺陷的天然氣管道可靠性模型和評價方法[9]。根據管材、施工、運行、腐蝕和內檢測數據，通過計算目標管道可靠度及失效概率，形成輸氣管道安全評價技術。

3 輸氣管道安全性評價

基于可靠性方法評估管道系統安全性的基本思路是，計算按照GB 50251—2015中設計系數和設計壁厚下的目標可靠度；根據管道設計參數和運行維護數據，計算管道失效概率；如不滿足目標可靠度，則需要微調設計參數，制定維修計劃，直至滿足目標可靠度。

3.1 確定管道設計系數和壁厚

GB 50251—2015 規定輸氣管道直管段管壁厚度按式（2）計算。

式中：δ為鋼管壁厚，mm；P為設計壓力，MPa；?為焊縫系數；t為溫度折減系數。西氣東輸二線和中俄東線天然氣管道一級、二級、三級地區強度設計系數F分別為0.72、0.6和0.5，計算壁厚見表1。

表1 中俄東線和西氣東輸二線天然氣管道計算壁厚

3.2 確定管道目標可靠度

目標可靠度是評價管道安全性的重要準則，主要考慮管道極端極限狀態失效后（管道大量泄漏、管體破裂等）對周圍環境和人員的安全影響。管道極端極限狀態的目標可靠度如下。

式中:RT為管道極端極限狀態的目標可靠度；ρ為人口密度，人/（104m2）。管道最大允許失效概率與管道目標可靠度之和為1。

GB 50251—2015 中居民戶數（建筑物）考慮我國實際情況，以（15～100）戶/（2 km×0.4 km）進行劃分。考慮管道沿線經濟發展和人口密度增長可能性[10]，每戶按照3.5 人計算，一級、二級、三級地區人口密度分別為0.66、4.34、12.03 人/（104m2）。西氣東輸二線、中俄東線管道最大允許失效概率見表2。在相同管道設計參數條件下，中俄東線管徑1 422 mm 相對西氣東輸二線管徑1 219 mm 管道目標可靠度要求略有降低，原因是管道壁厚增加，管道系統本質安全性和抗風險能力相應提高。

3.3 管道極限狀態方程及失效概率

統計我國管道事故原因主要是第三方破壞、外腐蝕、材料制造與施工缺陷、自然地質災害和地面移動等，其中開挖施工破壞和外腐蝕是管道失效的主要因素，占全部管道事故的60%～76%[11]。管道極限狀態主要考慮輸送壓力下外腐蝕造成的大量油氣泄漏、管道破裂以及第三方機械挖掘造成的管道失效。針對含腐蝕缺陷管道剩余強度計算法，國外開展大量研究并提出多種預測模型，國際管道協會根據103 組試驗數據進行比選驗證，選定C-FER方法建立了腐蝕管道爆裂極限狀態方程[12]。

式中：g為腐蝕管道爆破壓力修正值，MPa；pb為含腐蝕缺陷管道預測破裂壓力，MPa；p0為無缺陷管道預測破裂壓力，MPa；d為管道缺陷深度，mm；t0為管道壁厚，mm；σu為管材抗拉強度，MPa；Mt是Folias 系數；B1，B2是腐蝕管道爆裂模型誤差系數。

利用蒙特卡洛模擬方法對管道極端極限狀態失效概率進行計算，得到管道總體失效概率。

式中:cr是管道大量泄漏與管道破裂失效后果之比，PLL、PRU分別是管道大量泄漏、爆裂的失效概率，次/(km·a)。

西氣東輸二線、中俄東線總體失效概率見表3。管道總體失效概率均小于最大允許失效概率，說明按照GB 50251—2015 中設計系數和設計壁厚下中俄東線管道工程滿足目標可靠度要求，理論上可以保證管道安全運行。在相同管道設計參數條件下，管徑1 422 mm 相對管徑1 219 mm 管道失效概率更低，即管道壁厚增加，管道系統本質安全性和抗風險能力相應提高。

表3 西氣東輸二線、中俄東線管道總體失效概率

4 結論和建議

1）以管徑1 219 mm 和管徑1 422 mm 的大型輸氣管道為例，按照國家標準GB 50251—2015中設計系數要求和壁厚計算方法，管道系統滿足目標可靠度要求，驗證了GB 50251—2015管道設計方法對于大口徑、高鋼級、高壓力輸氣管道基本適用。

2）在相同管道設計參數條件下，管徑1 422 mm相對于管徑1 219 mm 管道目標可靠度要求略有降低，同時管道失效概率更低，管道系統本質安全性和抗風險能力相應提高，從而為管道運行管理提供了基本保證和安全裕量。

3）根據我國管道失效因素分析，加強第三方施工監管、建立外腐蝕監測評價程序可以有效降低管道失效概率，也是管道完整性管理的重要內容。

4）可靠性設計和評價方法是一種科學、合理的方法，管道失效形式和概率后果更符合管道實際情況，可以作為GB 50251—2015輸氣管道設計方法的有益補充。

5）新建輸氣管道設計基本原則是壁厚等級和應力水平首先應滿足GB 50251—2015規定的要求，同時分析計算設計參數下的目標可靠度，根據管道實際情況預測管道失效概率，并進一步優化調整設計參數，保證管道本質安全性。