油气管道结构全寿命周期可靠性优化方法

2012年第28 卷第 3期 石油化工安全环保技术 PE TR O C HE M IC AL S AFE TY AND E NVIR O NM E NTALPR O TE C TIO N TE C HNO L OG Y 21 收稿日期: 2012 -04-10 作者简介:王军，男，2007年中国石油大学(华东) 油气储运专业毕业，学士，主要从事油气长输管道 方面的设计工作，助理工程师E - mai l j c q1986 68 16 3. co m 油 气 管 道 结 构 全 寿 命 周 期 可 靠 性 优 化 方 法 王军 1，罗为民2 ( 1. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，山东东营 257026; 2. 中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司，江苏扬州 225000) 摘要: 对油气管道结构的优化设计方法进行了新的探讨，得到了以油气管道结构生命全 过程的动态可靠性为约束，以油气管道结构初始投资失效损失和维修加固费用之和为目标 函数的油气管道结构优化设计表达式该方法对油气管道结构的设计和管理具有一定的参考 价值 关键词: 油气管道结构优化设计可靠性 油气管道结构设计的目的是使所设计的油气 管道结构不仅安全可靠，而且经济适用基于 可靠性理论的油气管道结构设计方法代替了过去 凭经验定值地给定安全系数的容许应力设计法 这种方法是把油气管道结构的抗力 和荷载效应 都作为随机变量，根据概率分析来确定油气管 道结构的破坏概率，从而使设计的油气管道结构 具有明确的安全度 基于可靠性理论的优化方法与传统的优化方 法相比，具有较大的改进如何合理地解决经济 性和可靠性的矛盾，也一直是人们研究的重要课 题在以往的研究中，人们往往注重于油气管道 结构设计期的经济性和可靠性的分析，局限于油 气管道结构的初始状态，而对油气管道结构服役 期的工作状态熟视无睹，即忽视了除建造时油气 管道的初始成本外，尚有油气管道服役期巨大的 维修加固费用在使用过程中，由于油气管道结 构本身的质量缺陷以及环境和荷载的共同作用， 油气管道结构的性能会随时间逐渐恶化，人们通 过经常性的维修来延长其使用寿命或维护其使用 功能由于油气管道结构生命过程中的可靠度也 随着时间变化，所以解决油气管道结构设计的经 济性和可靠性之间的矛盾，应着眼于油气管道结 构生命的全过程，要考虑服役期间维修费用的发 生在很多情况下，油气管道结构服役期间总的 维修费用会超过它的初始造价鉴于此，提出了 一种基于油气管道结构动态可靠性评估方法和维 修策略 ( ) = ( ， ) 0， ， ( 1) 式中， 为油气管道结构服役分析时刻，动态变 量; 为服役基准期; ( ， ) 为考虑油气管道 结构 时刻预期技术状况影响的功能函数，为随 机过程，可表示为: ( ， )= ( ， ) - ( ， )( 2) 其中， ( ， ) 为考虑 时刻预期油气管道结 构状态修正的抗力随机过程，可取为非平稳随机 过程，其任意时点分布为对数正态分布; ( ， ) 为考虑 时刻预期油气管道结构工作状态修正 和后续服役基准期变化的荷载效应随机过程，可 取为平稳二项随机过程，其任意时点分布为极值 I型 为简化计算，且偏于安全，也可采用后续服 役基准期内的最小抗力和最大荷载效应的概率分 布，将上述全随机过程模型转化为 随机变量 模型 = ( - ) 0 ( 3) 式中， 为后续服役基准期 -内最小抗力随机 : 22 石油化工安全环保技术2012 年第28 卷第3期 变量; 为后续服役基准期 -内最大荷载效应 随机变量 1可靠性优化设计分析 基于可靠性的优化模式是由 Forse l l最先提出 来的Forse l l把将总耗费控制在最小作为优化目 标这里所指的总耗费是初始投资与期望损失值 ( 与失效概率有关的期望破坏损失) 之和M orse 首先探讨了基于可靠性的优化设计，主要研究了 可靠性与优化之间的关系;其次指出用整个结构 失效概率作为功能约束的优化过程，应该产生出 更加平衡与合理的安全度相一致的设计; 同时指 出优化设计应该考虑结构在各种荷载作用下的性 能以及可能的强度衰减 油气管道结构的服役期很长，不加维修的情 况下，它的功能必然会衰退，故应采取及时必 要的维修和加固措施一般地，油气管道结构设 计可靠度水准越高，建造油气管道结构的初始成 本越高，油气管道结构失效期望损失值和维修加 固费用越低，如图 1 所示因此，存在一个将油 气管道结构服役期间的总耗费控制在最小的最优 设计可靠度 图1油气管道结构可靠度与费用关系 由此，基于动态可靠性的油气管道结构全寿 命周期可靠性优化问题可表达为: C = C 0+C+C( ) ( ) 0 ( 4) 式中， ( ) 为油气管道结构动态失效概率， ( ) = 1 - ( ) ; 0 为油气管道结构允许失效概 率;C 为油气管道结构生命全过程的总耗资;C 0 为油气管道结构初始投资;C 为油气管道结构服 役期间的维修加固费用;C 为油气管道结构破坏 所造成的损失值，C ( ) 则为油气管道结构破坏 所造成的损失期望值 其中， 0可由油气管道结构目标可靠度 0 ( 或目标可靠性指标 0) 得到 0 = 1 - 0 = 1 - ( 0) ( 5) 油气管道结构初始投资C 0是由可靠度设计水 准决定的，即油气管道结构设计可靠度 1 的 函数 C 0= C0( 1) ( 6) 其中，C 0并不直接表示为 1的函数，而是 通过管道长度单位管道长度的初始投资等经济 指标来表示，即 C ( 1) = F( 1) ( 7) 式中， 为管道长度; F ( 1) 为单位长度管道的 初始投资 假设在油气管道结构服役期间进行 次维修 加固，则 C = = 1 C ( 8) 其中，第 次维修加固费用 C 是油气管道结 构维修加固后的可靠度 ( ， ) ( 简记为 ) 与维修加固前的可靠度 ( ， ) ( 简记为 ) 之 差， = ( ， ) - ( ， ) = - 的函 数，即 C = C( ) ， = 1， 2， 设 = (1 + ) ，或 = 则C = C( ) ， = 1， 2， 为在第 年经过维修加固使管道结构可靠度提 高的程度，C ( ) 可由文献 1 的方法求得 为了使问题简化，假设当管道结构动态失 效概率达到临界状态，即管道结构允许失效概 率 0时，则进行维修加固，其结果是把管道结 构可靠度水准提高到设计可靠度水准 1，如图 2 所示 图2管道结构动态可靠性示意 这样，可得到: = = ( 1- 0) / 0， C = = 1 C = C( 0) ， = 1， 2， 设定管道结构允许失效概率 0 ，则 : 王军等.油气管道结构全寿命周期可靠性优化方法 2012年第28卷第3期 23 C = C( ) ，C( ) = F( ) 令 0= F ( ) / F( 1) 其中，F ( ) 为单位长度管道的维修加固费 用; 0为维修加固费用与管道建设初始投资的比 值，可由管道建设管理的经验和统计数据给出 所以 C = 0 F( 1) 管道结构破坏所造成的损失期望值 C ，包 括管道结构失效带来的自身损失期望值 C 1 ，管 道结构失效造成的交通输送费用损失期望值 C 2 和管 道结 构失 效 造成 的 产 业关 联 损失 期 望 值 C 3 C = C 1 + C 2 + C 3 设管道失效的直接损失为 D，则由管道失效 所引起的单位造价的直接损失 = D / C 0的概率分 布密度函数为 ( ) 满足: ( )= 0 1 0 1 ( ) = 1 考虑到管道失效与损失程度两个事件相互独 立，管道失效所引起的单位造价 期望直接损 失为: C = 0 - 0 1 ( ) ( ) = 0 - ( ) 0 1 ( ) = 式中， 为 的期望值; ( ) 为 的概率密度 分布函数 考虑固定资产的折旧，管道失效直接损失期 望值为: C 1 = C 0 ( ) 式中， ( ) 为管道折旧系数，可设为常数或解 析式 2 管道输送费用损失包括输送量减少损失其 他输送方式的输送费用增加损失和输送转移损 失由文献 3 可得输送量减少损失: 1 = C 10 式中， 1为输送减少量; C分别为管道无损 时的单位长度输送费用和输送距离; 0 为管道修 复时间 其他输送方式的输送费用增加损失: 2 = ( C - C) 20 式中，C 分别为管道有损时的单位长度输送 费用和输送距离; 2管道损坏后的输送量 输送转移损失: 3 = ( C - C) 30 式中，C 分别为新输送方式的单位长度输送 费用和输送距离; 3为输送转移量 显然， 与管道损失程度 D 成正比，则 = AD 式中，A为常系数 从而得到管道输送费用损失如: = 1 + 2 + 3 = ( A1- A2- A3) C + A2C + A3C 0D 交通运输费用损失期望值为: C 2 = ( A1- A2- A3) C + A2C + A3C 0C 1 由于国民经济中各个产业/ 部门间对油气需 求越来越强，管道输送能力降低引起的产业/ 部 门关联损失可由下式计算 3 : = = 1 D 式中， 为第 产业/ 部门对管道输送的关联系 数; 为第 产业/ 部门的产业关联损失系数; 为输送份额折减系数，其值简单的取为管道输送 量与总输送量的比值; D 为管道损失程度 产业关联损失期望值为: C 3 = C 1 = 1 综上所述，则油气管道失效引起的期望损失 表达如: C = C 1 + C 2 + C 3 = 1 + ( A1- A2- A3) C + A2C+ A3C 0 + = 1 C 1 = C 1 = C 0 ( ) ( 9) 式中， = 1 + ( A1- A2- A3) C + A2C + A3C 0 + = 1 由于结构服役期间失效概率 ( ) 始终维持 在 0， 1 ，故可近似取 ( ) 为 ( ) = ( 0 + 1) 2 = 1 - ( 0 + 1) 2 = 1 - 2 + 2 + 2 1 (10) 将式( 6) ( 8) ( 9) ( 10) 代入( 4) 式，得 到基于结构动态可靠性的优化设计表达式 ( 下转第29 页) 潘永东等.含硫化氢天然气安全防护若干问题探讨 2012年第28卷第3期 29 围内，对员工健康并无伤害当然，人体在硫化 氢中毒和环境缺氧的双重危害下，其反应将会更 加严重，但目前未见相应试验数据从这一点 看，自吸过滤式防毒面具更适用于天然气中硫化 氢浓度大于150 mg/ m 3( 100 mL/ m3) 的油气生产 储运装置初始泄漏应急逃生的需求，而在低浓度 含硫天然气生产作业场所配置意义并不明显 3 .3 气体监测设备周期检定 含硫油气田硫化氢监测与人身安全防护规 程( SY / T 6277- 2005) 4.1.5规定 : “硫化氢监测 仪在使用过程中要定期校验固定式硫化氢监测 仪一年校验一次，携带式硫化氢监测仪半年校验 一次 “ ;石油天然气工程可燃气体检测报警系 统安全技术规范( SY 6503- 2008) 9.2.2 也明确 规定 “ 已投入使用的可燃气体检测报警器的检定 周期不应超过一年“ 基于这些要求，油气生产 单位往往是按照上述两个标准或依据检定机构规 定的下次检定日期送检，却忽视了计量器具检定 周期的调整原则 2000 年 10 月 23日，国家质量技术监督局印 发了 关于加强调整强制检定工作计量器具检定 周期管理工作的通知 ( 质技监局量发 2000 182 号) 文件，明确规定 “ 国家计量检定规程或部 门地方计量检定规程中规定的检定周期是常规 条件下的最长检定周期“ ，并取决于计量器具重 要性仪器稳定度使用频繁程度维护保养 使用环境等因素，而影响气体监测设备检定周期 最为重要的因素则是监测环境的可燃气体或有毒 气体浓度，这就要求使用单位应根据气体检测报 警装置的维护保养情况和使用环境等，按照 计 量器具检验周期确定原则和方法( JJF 1139- 2005) 及时调整检定周期，确保检测仪器运行可 靠事实上 ， 含硫油气田硫化氢监测与人身安 全防护规程也有 “在超过满量程浓度的环境使 用后应重新校验“的规定，但并未引起管理人员 的重视 4结语 含硫天然气安全防护不仅是技术问题，更是 管理和教育问题在这方面，发达国家有着较为 成熟的经验政府有关部门应加大含硫油气田的 开发建设监管力度，统筹规划安全防护技术标准 体系，充分发挥行业企业在含硫天然气安全防 护方面的技术优势，加大安全技术投入，解决生 产实际中存在的各种复杂环境所带来的难题同 时，企业应加强含硫油气田安全管理，建立完善 应急管理体系，提升员工应对事故的能力，确保 员工和公众安全 ( 上接第 23页) 2结论 优化是一个综合的决策过程，单从油气管道 结构方面考虑是不够的，而应全面考虑许多其它 方面的因素，如因油气管道结构破坏所导致的财 产损失人员伤亡生产停顿以及重建费用等都 是不可忽视的因素，即使是油气管道结构的优 化，也应从整个油气管道整体考虑，从油气管道 生命全过程来考虑虽然优化设计式所包含的参 数大部分是近似的，但基本上反映了各因素 式( 4) 具有很大的适应性，其形式可以用到 任何类型的油气管道结构的优化设计，且可以采 用一般的优化理论优化式( 4) 的重要意义还在 于，它不但考虑了建设时的经济条件，而且也考 虑了未来服役期间的经济影响，并最后统一为油 气管道结构设计可靠度的优化函数 参考文献: 1M in Shul ian g，Liu Ji . Thegl obale con omic con t rolme t hod f or t he ase i smi c de sign an d main t e n an ceofR . C . Sin gl e - st orBuil din gs A . Proc ofIn ts m Pon C on fE n g C . Nan ji n g: 1991. 2R ose n bl ue t h E ， M e n do a E . R e l iabi l it O pt i - mi at i on in Isost at i c St ruct ure s J . Journ al of E n gin e e rin g M e chan ics D ivision ，ASC E ， 1971， 6(87) . 3R adojicic A，Bail e S F， B ruh i l e r E . Prob- abl i st ic mode l s ofcost s f or t heman age me n tof e ist in g st ruct ure C / ASC EL if e - C cl e C ostAn al sis an d D e si gn ( LC AD ) f or C ivi l In f rast ruct ureS st e m( C IS ) C . 2001. AB STRA C TS PETRO CH EM I CAL S AFETY AND ENV I RO NM ENTAL PRO TECTI O N TECH NO LO GY B . 20 J . 20 12 V .28 N . 3 B RIEF A N AL SIS ON SAFETC ON TROLOF D RIL L IN GEN G IN EERIN GINC HEN G D AO OIL FIEL D 18 Q ， P ， H F ， J - ， . S E P - R C SI NO PE C S O F ， D ， S ， 2550 0 0 A : T e ea e a ed e e e . T a e a a e e e a e a e a e c ede ， e c ， e - b c a d e c e e C e da O e d d e e e . I a a da e ee e c e e ec e a e . K :E e e de ;W e c ; S a e OPTIM ALD ESIG N M ETHOD FOR THE REL I- AB IL ITOF THE L IFE C C L E OF OILA ND G AS PIPEL INE STRUC TURE 21 J 1 ，L 2.1. S E 2. I E E J O ， ， J ， 2250 0 0 A : T a e b e e a de e d a d a e e c e . A d e - a de e a a d a e e c e b a e d b a ed a c e ab e e c ce a d a e e c ea ec - a a d a e e e e ， e a e a d e a e a c ec a d a e e c e a e b e c e c .T e d de c e a e e e c e ede a d a a e e a d a e e c e . K : O a d a e e c e ; O a de ; Re ab APPL IC ATION OF FU C OM PREHEN SIVE EVAL UATION M ETHODIN EX PL ORATOR W EL L C ONTROLRISK EVAL UA TION 24 J ， F C ， L G .S P - E ，C P ( H ) ， Q ，S ， 266 555 A : T e a c e c d a e e a ce a a d e e e a e b e e de c b e d e a e a a e .F c e e ee a a a e d b a e d - a e a c . T a e e eb a c c - e c e e ee a a e a b a d e d e a a de c ab e e e c d e e e . Ba e d e - e a c d a e a e a e e e d， e de e d e a ae e e c . T e e a cee a a e - a eb a c a c e e a c a . T e a a e d e d c e e ee - a a e d c ab e e d e a ae e e a e c . K :W e c ; R ;R e a a ; F c e e ee a a ; E a e D ISC USSION OF SEVERALISSUES ON SAFE- T PROTEC TIONOF N ATURA LG AS C ON- TA INING H2S 27 P ，L . P C H O C ， R ，H ，0 6 2552 A : A e eac c de 12. 23 Ka a ， C ， eG e e e e de d ee ab - e e c ca a da d e a b a e - e c a a a c c a H 2S a d e e a e d ec e d e c ca a da d cc e e . T de d