基于蒙特卡洛方法的油田管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)安全評價(jià)及預(yù)測

王宏軍 國濱 宮彥雙 馬義來 吳超 安超

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403001

摘 要 隨著管道長時(shí)間運(yùn)行，油氣管道內(nèi)壁會出現(xiàn)不同程度的腐蝕、凹點(diǎn)、裂紋、結(jié)垢及磨蝕等缺陷，需要及時(shí)維修或者更換。針對油田管道內(nèi)壁腐蝕特點(diǎn)，提出了一種新的基于蒙特卡洛方法的管道安全評估模型。首先用管道內(nèi)檢測儀器對目標(biāo)管道進(jìn)行內(nèi)檢測，獲取相關(guān)缺陷的具體數(shù)據(jù)，然后在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上預(yù)測腐蝕缺陷生長規(guī)律，最后基于安全預(yù)警模型對管道內(nèi)腐蝕進(jìn)行安全評價(jià)，預(yù)判管道失效年限。

關(guān)鍵詞 油田管道 內(nèi)壁腐蝕 管道內(nèi)檢測 綜合評價(jià) 安全預(yù)警

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0325?07

Safety Evaluation and Prediction of Corrosion Status of the Inner

Wall of Oilfield Pipeline Based on Monte Carlo Method

WANG Hong?jun1， GUO Bin2， GONG Yan?shuang1， MA Yi?lai2， WU Chao1， AN Chao1

（1. Tarim Oilfield Oil and Gas Engineering Research Institute; 2. China Special Equipment

Inspection & Research Institute）

Abstract?? With the long?term operation of the pipeline， the inner wall of the oil & gas pipeline encounters with different corrosions， concave points， cracks， scaling， abrasion and other defects， which need to be repaired or replaced in time. In this paper， a new pipeline safety evaluation model based on Monte Carlo method was proposed， in which， having the target pipeline inspected by the in?pipe detector to obtain specific data of related defects， and then， on the basis of analyzing these data， the growth law of corrosion defects was predicted and finally， based on the safety warning model， the internal corrosion of the pipeline was evaluated and its failure time was predicted.

Key words??? oilfield pipeline， inner wall corrosion， in?pipe inspection， comprehensive evaluation， safety warning

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：2018YFF0215000）資助的課題。

作者簡介：王宏軍（1968-），高級工程師，從事油氣管道和站場完整性技術(shù)研究工作。

通訊作者：馬義來（1987-），高級工程師，從事油氣管道無損檢測技術(shù)的研究及設(shè)備研發(fā)工作，chantal1314@163.com。

引用本文：王宏軍，國濱，宮彥雙，等.基于蒙特卡洛方法的油田管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)安全評價(jià)及預(yù)測[J].化工機(jī)械，2024，

51（3）：325-331.

近年來，中國已成為世界范圍內(nèi)最大的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國，能源利用效率逐年穩(wěn)步提升。在能源儲運(yùn)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍最廣且可以保證安全的運(yùn)輸方式為管道運(yùn)輸。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，我國油氣管道總里程已經(jīng)達(dá)到16.5萬公里，其中原油管線為3.1萬公里，成品油管線3.2萬公里，天然氣管道10.2萬公里，全國油氣管線已基本成網(wǎng)。但油氣管道運(yùn)行安全問題日益增多，影響油氣管道運(yùn)行安全的因素諸多[1～4]，其中腐蝕、第三方破壞、施工缺陷、材料失效等原因引發(fā)的泄漏事故頻頻發(fā)生，造成管道失效的主要原因是腐蝕、材料失效和設(shè)備失效。因此，根據(jù)管道內(nèi)檢測結(jié)果，分析管道內(nèi)壁缺陷發(fā)生規(guī)律，對在役管道的安全性進(jìn)行評價(jià)顯得尤為重要。

目前，常見的油氣管道評價(jià)準(zhǔn)則有ASME B31G準(zhǔn)則、DNV?RP?F101準(zhǔn)則和PCORRC準(zhǔn)則。其中，ASME B31G準(zhǔn)則是以彈塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，采用分級評價(jià)方法，適于評價(jià)帶有軸向裂紋、腐蝕缺陷的管道。DNV?RP?F101準(zhǔn)則考慮了軸壓和彎曲載荷的影響形成一種管道評價(jià)體系。PCORRC準(zhǔn)則主要考慮了腐蝕深度和軸向長度對剩余強(qiáng)度的影響，忽略了腐蝕寬度，保守性較小，準(zhǔn)確度較高。因此，筆者采用以上3種方法進(jìn)行小管徑管道的缺陷安全失效應(yīng)力計(jì)算，并基于蒙特卡洛大數(shù)規(guī)律來統(tǒng)計(jì)管道失效概率次數(shù)，對油田管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測。最后，以實(shí)際工程為背景，基于以上理論對某油氣田的管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行安全評價(jià)和預(yù)測，預(yù)判管道失效年限。

1 評價(jià)方法

1.1 ASME B31G方法

ASME B31G方法[5]是美國機(jī)械工程協(xié)會于1984年提出的，主要預(yù)測管道單一表面缺陷的失效壓力值。基于ASME B31G方法預(yù)測的管道環(huán)向失效應(yīng)力計(jì)算公式為：

p′=（1）

式中 A——腐蝕缺陷剖面投影面積，mm2;

A——腐蝕缺陷處管道壁面積，mm2;

M——膨脹系數(shù)，大小與腐蝕缺陷軸向長度、壁厚和管徑相關(guān);

S——管道運(yùn)行的流變應(yīng)力，取管道屈服應(yīng)力值即可，MPa。

膨脹系數(shù)M的計(jì)算式為：

M

=

，≤50

M

=0.032+3.3

，>50（2）

式中 B——管壁厚度，mm;

D——管道直徑，mm;

L——腐蝕缺陷軸向長度，mm。

當(dāng)≤20時(shí)，A=dL，A=BL，當(dāng)>20時(shí)，A=dL，A=BL（d為腐蝕剖面缺陷深度）。因此，根據(jù)管道環(huán)向失效應(yīng)力和失效壓力轉(zhuǎn)換公式p=計(jì)算得到管道失效壓力p：

p=S（3）

1.2 DNV?RP?F101方法

DNV?RP?F101方法[6]是挪威船級社和英國燃?xì)夤竞献髀?lián)合推出解決海洋管道腐蝕引發(fā)的應(yīng)力失效問題的一種較為可靠的評價(jià)方法。普遍適用于管道腐蝕情況預(yù)測和失效應(yīng)力的計(jì)算。DNV?RP?F101方法的原理是使用腐蝕缺陷的軸向長度、深度等參量，判別管道目前的安全失效狀態(tài)。基于DNV?RP?F101方法預(yù)測失效壓力計(jì)算式為：

p=S（4）

其中M為該方法的膨脹系數(shù)，其計(jì)算式為：

M=（5）

1.3 PCORRC方法

PCORRC方法[7]是Stephens提出的該方法采用有限元軟件計(jì)算管道缺陷的殼體從而獲得極限狀態(tài)函數(shù)，利用管道缺陷的軸向長度、深度等參量，判別管道剩余強(qiáng)度壓力。基于PCORRC方法預(yù)測失效壓力計(jì)算式為：

p=S1-

M

（6）

其中，M為PCORRC方法的膨脹系數(shù)，其計(jì)算式為：

M=1-exp??????? （7）

2 失效概率

對管道失效概率的評估是定量評價(jià)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)，為了更加準(zhǔn)確地評價(jià)影響油氣管道失效因素，降低不確定因素的影響，引入失效概率這一概念。

2.1 失效狀態(tài)模型

p為管道運(yùn)行壓力，失效狀態(tài)模型適用于其缺陷深度不超過國標(biāo)規(guī)定的80%壁厚的管道的評價(jià)，若缺陷深度超過其限定值，管道發(fā)生泄漏的概率會增加。基于可靠性理論計(jì)算管道失效概率。當(dāng)管道失效概率超過目標(biāo)失效概率時(shí)，管道會發(fā)生失效，管道失效概率與可靠度目標(biāo)之和為1，建立失效狀態(tài)方程的模型為：

Z=p-p（8）

2.2 失效概率分析

根據(jù)以上各個(gè)評價(jià)方法可知，影響管道失效的隨機(jī)變量的幾何參數(shù)有管道外徑、壁厚、缺陷深度及缺陷長度等參數(shù)，由此可建立失效狀態(tài)方程，設(shè)隨機(jī)變量為X=[X1，X2，X3，X4]=（D，B，L，d），X代表變量參數(shù)，概率分布函數(shù)為f（X），i=1，2，

3，4。

將已知參數(shù)代入，并且利用蒙特卡洛[8～10]大數(shù)定律來統(tǒng)計(jì)失效概率次數(shù)，判斷Z<0的情況。若在Γ次循環(huán)中，有n次出現(xiàn)Z<0的情況;根據(jù)大數(shù)定律，失效次數(shù)n與總循環(huán)次數(shù)Γ的比值即為管道失效概率P，即：

P=（9）

由可靠性理論可知管道失效概率與管道可靠性之和為1。管道失效概率與管道的可靠性成反比，當(dāng)可靠性降低時(shí)管道的風(fēng)險(xiǎn)等級增加，需要及時(shí)去維修保護(hù)。國標(biāo)API 579將管道風(fēng)險(xiǎn)等級分為5類，分別為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)。管道的可靠性風(fēng)險(xiǎn)的劃分見表1。

3 某油田背景

研究某油田管道失效時(shí)，必須明確管道失效時(shí)的參數(shù)量分布，如明確幾何參數(shù)、材料參數(shù)、載荷參數(shù)等這些主要的變量，某油田的參數(shù)見表2。

由表2可知，主要影響管道失效的幾何參數(shù)有管道外徑、管道壁厚、缺陷長度、缺陷深度，各參數(shù)的概率分布呈現(xiàn)正態(tài)分布，結(jié)果如圖1所示。

4 對某油田評價(jià)

4.1 管道缺陷失效壓力計(jì)算

使用ASME B31G方法、DNV?RP?F101方法、PCORRC方法對管道失效壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3～5。不同管道缺陷失效壓力評價(jià)方法計(jì)算結(jié)果比較如圖2所示。

由圖2可知，3種評價(jià)方法中ASME B31G方法計(jì)算管道缺陷失效壓力值最小，5個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)值范圍在32.0～32.5 MPa;PCORRC方法計(jì)算值略高于前者，5個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)值范圍在32.5～33.0 MPa;DNV?RP?F101方法計(jì)算值較高，5個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)值范圍在34.7～35.2 MPa。

4.2 失效概率

按表1中的安全可靠性風(fēng)險(xiǎn)等級劃分，運(yùn)用MATLAB軟件編程并進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算，設(shè)置管道初始使用年限和服役年限。其中初始使用年限為20年，服役年限為55年。MATLAB解析過程中以服役10年為一階段，進(jìn)行仿真運(yùn)算。

使用MATLAB軟件結(jié)合ASME B31G方法預(yù)測管道失效概率，運(yùn)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，達(dá)到所設(shè)置的管道目標(biāo)安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為8.2～10.1年、10.1～11.5年、11.5～13年、13～14.2年、14.2年以上，管道失效預(yù)警等級與預(yù)警關(guān)系見表6。

從表6可看出，當(dāng)管道服役年限為8.2～10.1年時(shí)，管壁會發(fā)生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時(shí)發(fā)布紫色警告即可;當(dāng)服役年限為10.1～11.5年，管道腐蝕速率增加，管道可能發(fā)生意外，在此服役階段屬于低預(yù)警級別，管道需要定期檢查，發(fā)布綠色警告;當(dāng)服役年限在11.5～13年，管道腐蝕速度繼續(xù)增加，管壁進(jìn)一步減薄，泄漏可能性較大，此服役階段為中度預(yù)警級別，需要發(fā)布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關(guān)注;服役年限在13～14.2年時(shí)，管道可能存在泄漏點(diǎn)，管理和操作部門需要時(shí)刻關(guān)注管道，及時(shí)進(jìn)行管道減壓，多頻定期復(fù)檢和維護(hù)保養(yǎng)，需發(fā)布紅色警告;服役年限在14.2年以上，管道腐蝕嚴(yán)重，發(fā)生泄漏失效，需及時(shí)更換管道，發(fā)布黑藍(lán)色警告。

使用MATLAB軟件結(jié)合PCORRC方法預(yù)測管道失效概率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，達(dá)到所設(shè)置的管道目標(biāo)安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為8.5～10.8年、10.8～12.7年、12.7～14.6年、14.6～15.9年、15.9年以上。管道失效預(yù)警等級與預(yù)警關(guān)系見表7。

由表7可看出，當(dāng)管道服役年限在8.5～10.8年，管壁會發(fā)生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時(shí)發(fā)布紫色警告即可;當(dāng)服役年限在10.8～12.7年，管道腐蝕速度增加，管道可能發(fā)生意外，在此時(shí)間階段屬于低預(yù)警級別，管道需要定期檢查，發(fā)布綠色警告;當(dāng)服役年限在12.7～14.6年，管道腐蝕速度繼續(xù)增加，管壁進(jìn)一步減薄，泄漏可能性較大，此時(shí)間階段為中度預(yù)警級別，需要發(fā)布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關(guān)注;服役年限在14.6～15.9年時(shí)，管道可能存在泄漏點(diǎn)，管理和操作部門需要時(shí)刻關(guān)注管道，及時(shí)進(jìn)行管道減壓，多頻定期復(fù)檢和維護(hù)保養(yǎng)，需發(fā)布紅色警告;服役年限在15.9年以上，管道腐蝕嚴(yán)重，發(fā)生泄漏失效，需及時(shí)更換管道，發(fā)布黑藍(lán)色警告。

使用MATLAB軟件結(jié)合DNV?RP?F101方法預(yù)測管道失效概率，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，達(dá)到所設(shè)置的管道目標(biāo)安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為11.1～17.2年、17.2～25年、25～36.1年、36.1～54.8年、54.8年以上。管道失效預(yù)警等級與預(yù)警關(guān)系見表8。

當(dāng)管道服役年限在11.1～17.2年，管壁會發(fā)生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時(shí)發(fā)布紫色警告即可;當(dāng)服役年限在17.2～250年，管道腐蝕速度增加，管道可能發(fā)生意外，在此時(shí)間階段屬于低預(yù)警級別，管道需要定期檢查，發(fā)布綠色警告;當(dāng)服役年限在25～36.1年，管道腐蝕速度繼續(xù)增加，管壁進(jìn)一步減薄，泄漏可能性較大，此時(shí)間階段為中度預(yù)警級別，需要發(fā)布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關(guān)注;服役年限在36.1～54.8年時(shí)，管道可能存在泄漏點(diǎn)，管理和操作部門需要時(shí)刻關(guān)注管道，及時(shí)進(jìn)行管道減壓，多頻定期復(fù)檢和維護(hù)保養(yǎng)，需發(fā)布紅色警告;服役年限在54.8年以上，管道腐蝕嚴(yán)重，發(fā)生泄漏失效，需及時(shí)更換管道，發(fā)布黑藍(lán)色警告。

5 結(jié)束語

管道服役期限越長，管道損傷問題越嚴(yán)重，影響著管道的生產(chǎn)安全。利用管道損傷的幾何輪廓是建立管道安全失效預(yù)警模型的核心。基于ASME B31G方法、DNV?RP?F101方法、PCORRC方法求解了某油田管道損傷的失效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)采用ASME B31G方法對管道失效的預(yù)測與真實(shí)管道運(yùn)行失效過程和時(shí)間接近，失效概率隨著時(shí)間推移逐年提升，柱狀圖趨勢平滑，可信度較大;采用DNV?RP?F101方法對管道失效的預(yù)測年限相較前兩者過大，柱狀圖顯示趨勢不穩(wěn)定，可信度較低;采用PCORRC方法對管道失效的預(yù)測年限稍大于ASME方法，柱狀圖趨勢平滑，有一定可信度。因此，上述3種方法中，PCORRC方法對某油田管道損傷的失效壓力計(jì)算效果最佳。并基于蒙特卡洛求解了管道損傷處的失效概率和可靠度，預(yù)測了管道損傷處的失效年限，對維護(hù)管道正常運(yùn)行，強(qiáng)化管道安全運(yùn)營監(jiān)管，夯實(shí)管道的安全運(yùn)輸事業(yè)有著重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-06-26，修回日期：2024-05-13）