（油气储运工程专业论文）海底管道完整性评估技术研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：兰糊 日期：f f 年r 月孑1 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：w f f 年 日期：w l 年 歹月弓1 日 j 月弓1 日 摘要 对管道进行内检测与剩余强度计算，确认管道运行风险大小，在确保海底管道安全 稳定运行方面有着重要的作用。本文主要内容就是运用a n s y s 软件研究海底腐蚀管道 二维和三维的漏磁场，计算海底管道的剩余强度，分析管道受力状况，并对海底管道进 行风险评估，研究结论主要有如下几条： 一、对缺陷漏磁场开展了二维研究，得到的结论有：缺陷越深漏磁信号泄漏越多； 通过研究漏磁信号分布规律来判断缺陷尺寸是合理的，但是想用信号峰值来直接描述缺 陷尺寸有很大难度；探头提离值的变大会使检测到的漏磁信号强度减小，它们之间成单 调反相关；不同形状缺陷有着相似的漏磁信号分布规律，很难在二维基础上研究缺陷形 状和漏磁信号的关系。 二、用三维方法研究了缺陷漏磁场，得到的结论有： ( 1 ) 漏磁场三维矢量图证明了缺陷和漏磁之间有密切联系；探头能检测到的漏磁 信号强度与缺陷的三维尺寸有关，缺陷越深，检测到的信号强度越大；最强漏磁信号并 非产生于缺陷中心处，而是分布在对称于缺陷中心的两侧；缺陷中心处漏磁信号值随缺 陷开口半径的变化趋势与缺陷漏磁信号最大值随缺陷开口半径的变化趋势并不相同。 ( 2 ) 提出了最小提离值概念，只有当提离值小于最小提离值时探头才能检测到有 价值的漏磁信号的结论；对于开口和内表面圆滑的缺陷，最小提离值与缺陷开口面积有 关；对于开口和内表面不平滑的缺陷，最小提离值与缺陷深度大致相等；缺陷的三维形 状直接影响着缺陷所产生的漏磁信号，我们可以通过缺陷漏磁场信号的径向、轴向和周 向分量辨别缺陷的三维形状。 三、通过对腐蚀管道的受力分析发现，在内压作用下，管道在缺陷处并非在各个方 向上的位移量都是最大，缺陷两侧轴向位移最大，缺陷处径向和周向位移最大，管壁其 他区域，变形量较小；轴向分布的缺陷要比周向分布的缺陷对海底管道的安全性威胁更 大；缺陷深度和长度比缺陷宽度对管道受力有更大的影响，它们值的增加都会导致管道 应力的增加；改进的b 3 1 g 剩余强度计算方法相对于a n s y s 计算方法结果要小；对b z 2 6 2 海底管道进行了定性和半定量的风险评估，评估发现b z 2 6 2 海底管道为一条中等风险 管道。 关键词：海底管道，漏磁场，剩余强度，风险评估，a n s y s t h ea p p l i e dr e s e a r c ho fs u b m a r i n e p i p e l i n ei n t e g r a t e de v a l u a t i o n t e c h n o l o g y w a r t yy m g g u o ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c a ox u e w e n a b s t r a c t t h ei n s p e c t i o na n dr i s ka s s e s s m e n ta r ei m p o r t a n tf o re v a l u a t i n gr e l i a b i l i t yo fs u b m a r i n e p i p e l i n e t h er e s i d u a ls t r e n g t ho fp i p e l i n e sc o r r u p t e dm u s tb ee v a l u a t e ds ot h a tt h ec o r r e c t d e c i s i o n sc a l lb em a k i n g a l lo ft h e s eh a v ei m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h es a f ea n ds t a b l e o p e r a t i o no fs u b m a r i n ep i p e l i n e t h i sp a p e rm a i n l yc o n t e n ti su s i n ga n s y ss o f c w a r e r e s e a r c hc o r r o s i o nt h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l do fc o r r o s i o nb a s e do n2 一da n d3 - d ，e v a l u a t et h e r e s i d u a ls t r e n g t ho fs u b m a r i n ep i p e l i n ea n da n a l y s i si t ss t r e s ss t a t ef o rr i s ka s s e s s m e n t t h e m a j o rc o n t e n t sa r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 t h ec o n c l u s i o n sb a s e do nt w o d i m e n s i o n a lr e s e a r c ho ft h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l do f d e f e c t sa r ea sf o l l o w s ：t h ed e e p e ro fd e f e c t s ，t h em o r eo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l s ； t h r o u g hs t u d y i n gt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l st oj u d g et h es i z eo fd e f e c t i sr e a s o n a b l e ，b u ts t i l lh a v eg r e a td i f f i c u l t yt oa c h i e v eaa c c u r a t e l yd e t e r m i n a t i o n ；t h eg r e a r t e r o ft h el i f t - o f fv a l u e ，t h el e s so ft h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l sa r ed e t e c t e d ；d i f f e r e n ts h a p e d e f e c t sh a v es i m i l a rm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l s ，i ti sd i f f i c u l tt os t u d yd e f e c ts h a p ea n d m a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l sr e l a t i o n s h i pb a s eo n2 一d 2 w i t h i nt h r e e - d i m e n s i o n a lm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l do f d e f e c t ，w ec a ng e tt h em a j o rc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ev e c t o rp l o to f3 - dl e a k a g em a g n e t i cf i e l dc a l lp r o v et h a tt h ed e f e c t sh a dab i g i m p a c to nt h em a g n e t i cl e a k a g e t h et h r e ed i m e n s i o n a ls h a p e so fd e f e c t sh a v ei m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l ，t h ed e e p e ro fd e f e c t s ，t h em o r eo f m a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l s t h es t r o n g e s tm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l si sn o tt o o kp l a c ei n t h ec e n t e ro fd e f e c t ，b u ti nt h eb o t hs i d e so ft h ec e n t e r w i t ht h er a d i u so fd e f e c tc h a n g e ，t h e f i e n do ft h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a lv a l u ei nd e f e c tc e n t e rp o i n ta n dm a x i m u mm a g n e t i c f l u xl e a k a g es i g n a lv a l u ea r ed i f f e r e n t ( 2 ) t h ea r t i c l es u p p l i e dt h en o t i o no fm i n i m u ml i f t - o f fv a l u e ，o n l yw h e nt h el i f t o f f v a l u el e s st h a nm i n i m u mv a l u e ，t h ep r o b ec a nd e t e c tv a l u a b l em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l s ； f o rs m o o t ho p e n i n ga n dt h ei n n e rs u r f a c ed e f e c t ，t h em i n i m u ml i f t - o f fv a l u ei sr e l a t e dt o d e f e c to p e n i n ga r e a ；f o rt h ed e f e c tw h i c ho p e n i n g sa n dt h ei n n e rs u r f a c ei sn o ts m o o t h ，t h e m i n i m u ml i f t - o f fv a l u ei se q u a lt ot h ed e p t ho fd e f e c t ；t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p eo fd e f e c t d i r e c t l ya f f e c t t h eo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l s ，w ec a nd i s c r i m i n a t ed e f e c ts h a p et h r o u g h t h er a d i a l ，a x i a la n dc i r c u m f e r e n t i a lm a g n e t i cl e a k a g ef i e l ds i g n a l 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t r e s s i nc o r r o s i o np i p e l i n e ，w ef o u n dt h a tu n d e ri n t e r n a l p r e s s u r e ，t h eb i g g e s tr a d i a la n dc i r c u m f e r e n t i a ld i s p l a c e m e n to ft h ep i p e l i n et a k ep l a c ei n d e f e c ta r e a ，b u tt h eb i g g e s ta x i a ld i s p l a c e m e n tt a k ep l a c ei na r e aa r o u n dt h ed e f e c to nb o t l l s i d e s ，i no t h e ra r e a s ，t h ed i s p l a c e m e n ti sm u c hs m a l l e r t h ea x i a ld e f e c th a v em o r et h r e a t e n0 1 1 t h es a f e t yo fp i p e l i n et h a nt h ec i r c u m f e r e n t i a ld e f e c t d e p t ha n dw i d t ho ft h ed e f e c th a s g r e a t e ri m p a c to nt h es t r e s so fp i p e l i n et h a nl e n g t h ，t h ei n c r e a s e so ft h e i rv a l u ew i l ll e a dt ot h e i n c r e a s eo fs t r e s s ；t h er e s u l t sf i g u r eo u tb ym o d i f i e db 31gm e t h o dc o m p a r e dw i t ha n s y s m e t h o di s s m a l l e r ；b z 2 6 - 2s u b m a r i n ep i p e l i n e sq u a l i t a t i v ea n ds e m i - q u a n t i t a t i v er i s k a s s e s s m e n te v a l u a t i o nf o u n dt h a ti ti sam e d i u mr i s kp i p e l i n e k e yw o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ，t h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l d ，t h er i s ka s s e s s m e n t ，t h e r e s i d u a ls t r e n g t h ，a n s y s 目录 摘j l 兽i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论l 1 1 课题的来源与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 管道无损检测技术研究现状2 1 2 3 海底管道风险评估技术研究现状。3 1 3 内检测的法规与标准要求4 1 4 主要研究内容5 第二章海底管道内检测技术对比7 2 1 超声波和漏磁检测技术比较7 2 1 1 不同腐蚀深度缺陷检测方面7 2 1 2 不同类型管道检测方面7 2 1 3 不同类型缺陷检测方面8 2 1 4 不同运行情况检测方面9 2 1 5 不同输送介质检测方面9 2 2 其他几种管道内检测技术特点1 0 2 3 本章小结1 1 第三章海底管道漏磁模拟及剩余强度评估理论研究1 2 3 1 用三维方法模拟腐蚀缺陷漏磁场的理论基础1 2 3 2 腐蚀海底管道的剩余强度计算理论研究1 4 3 2 1a s m e b 3 1 g 标准计算方法1 4 3 2 2 建立在断裂力学基础上的计算方法。1 5 3 2 3 基于j 积分的断裂力学计算方法。1 7 3 3 本章小结1 8 第四章二维缺陷漏磁场有限元分析一1 9 4 1 腐蚀缺陷二维漏磁场a n s y s 模拟1 9 4 1 1 创建二维缺陷模型1 9 4 1 2 定义材料属性2 0 4 1 3 网格划分2 0 4 1 4 边界条件及载荷。2 1 4 1 5 求解和后处理2 l 4 2 腐蚀缺陷二维漏磁模拟结果分析2 3 4 2 1 二维腐蚀缺陷深度对漏磁信号分布的影响2 3 4 2 2 二维腐蚀缺陷长度对漏磁信号分布的影响2 4 4 2 3 二维模拟中提离值对漏磁信号分布的影响2 6 4 2 4 二维腐蚀缺陷形状对漏磁信号分布的影响2 6 4 3 本章小结2 8 第五章三维腐蚀缺陷漏磁信号模拟研究2 9 5 1 腐蚀缺陷三维漏磁场a n s y s 模拟2 9 5 1 1 创建腐蚀缺陷三维实体模型2 9 5 1 2 定义材料属性。3 0 5 1 3 划分网格3 0 5 1 4 施加载荷与求解3 1 5 2 腐蚀缺陷漏磁场三维有限元分析3 l 5 2 1 腐蚀缺陷漏磁场矢量图和磁场强度图3 l 5 2 2 特殊的路径设置方式3 3 5 2 3 腐蚀缺陷深度对探头检测最小提离值的影响。3 3 5 2 4 腐蚀缺陷深度对探头检测到的漏磁信号峰值的影响。3 7 5 2 5 腐蚀缺陷深度对缺陷中心漏磁信号的影响3 7 5 2 6 腐蚀缺陷开口半径对检测探头最小提离值的影响3 9 5 2 7 腐蚀缺陷开口半径对缺陷中心垂直面上漏磁信号分布的影响3 9 5 2 8 腐蚀缺陷开口半径对缺陷中心漏磁信号的影响4 3 5 2 9 腐蚀缺陷三维形状和尺寸对检测探头最小提离值的影响。4 4 5 2 10 本节小结4 6 5 3 腐蚀缺陷三维形状对漏磁场分布的影响4 7 5 3 1 不同形状缺陷三维建模4 7 5 3 2 特殊的路径设置方式4 7 5 3 3 开口圆滑腐蚀缺陷三维形状对漏磁场的影响4 8 5 3 4 开口非圆滑腐蚀缺陷三维形状对漏磁场的影响。5 l 5 3 5 本节小结5 3 5 4 本章小结5 4 第六章海底管道剩余强度计算和风险评估5 5 6 1 海底管道尺寸及运行参数5 5 6 2 海底管道内检测数据整理5 5 6 2 1 缺陷沿管道径向分布情况5 6 6 2 2 海底管道缺陷不同深度数量分布情况5 6 6 2 3 海底管道缺陷开口面积沿管道分布情况。5 7 6 2 4 海底管道体积最大缺陷统计情况。5 8 6 3 海底管道腐蚀缺陷分组方法5 9 6 3 1 缺陷间距为l ”分组方法5 9 v 6 3 2 最短凹坑的长度分组方法6 0 6 3 2 六倍的壁厚分组方法6 0 6 3 4 周向上六倍壁厚，轴向长度1 ”分组方法6 0 6 4 海底管道剩余强度三维有限元分析6 0 6 4 1 海底管道腐蚀缺陷应力场三维有限元模拟6 l 6 4 2 海底腐蚀管道位移图与应力图分析6 3 6 4 3 海底腐蚀管道失效分析6 5 6 4 4 其余腐蚀缺陷最大v o sm i s e s 应力计算6 5 6 4 5 腐蚀缺陷分布方位对管道应力的影响6 6 6 4 6 腐蚀缺陷深度、长度、宽度对管道受力的影响6 7 6 4 7 不同长度、宽度和深度的腐蚀缺陷应力沿管道分布情况6 9 6 4 8 不同面积和体积的腐蚀缺陷应力沿管道分布情况7 l 6 4 9a n s y s 计算方法与b 3 1 g 准则的对比7 2 6 5 海底管道失效的后果分析7 3 6 5 1 海底管道失效破坏程度分类7 3 6 5 2 海底管道失效后果分析。7 4 6 6 海底管道风险分析7 5 6 6 1 海底管道风险评估划分方法7 5 6 6 2 海底管道风险评估7 7 6 5 本章小结7 8 结论8 0 参考文献8 2 攻读硕士期间取得的成果8 5 致谢8 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百y 匕 1 1 课题的来源与意义 海上石油与天然气的勘探开发已经成为我国石油工业很重要的一部分，海上油田与 陆上终端之间的海底管道时油气输送的生命线，对确保我国石油安全的稳定发挥着重要 作用，与之相应的海底管道的建设也达到了高峰。但是由于海底管道所处的环境复杂， 以及管道内部腐蚀等原因，海底管道发生事故概率大，尤其是一些老管线，容易因为管 道内存在的腐蚀缺陷，导致管道发生泄漏，维修维护要花费大量的人力物力，不但给石 油公司带来了巨大的经济损失，而且污染了环境。因此有必要对油气管道腐蚀进行失效 分析，发展高效可靠的管道内检测技术，对管道进行内检测与完整性评估，确认管道运 行风险大小，及时的对海底管道进行维护维修，确保海底管道安全稳定运行。 对海底管道进行内检测，评估管道安全性很重要的一环，海底管道的完整性评估要 以管道内检测数据为基础来进行。这几年来，海底管道内检测技术研究取得了巨大的发 展，各大公司研制出来具有很高精度的内检测设备。适用于管道的检测技术主要分为两 个大的方面，其一是管道外检测技术，其二是管道内检测技术。管道内检测技术能够运 用各种方法辨别管道内的缺陷和管壁变形，海底管道检测主要是用这一类技术。用内检 测设备对管道进行内检测，能够具体了解管道运行状况，检测管道腐蚀严重程度，制定 及时的维修维护方案，减小管道失效的风险，不但能够避免管道事故的发生，而且也能 延长海底管道的使用寿命i l 】。 目前国内外石油公司大多运用各种智能检测设备对管道进行在线检测，现今的智能 内检测设备在辨别缺陷类型、缺陷尺寸定量、检测长度及适应管道管径变化和弯管方面 有着很好的性能。虽然这些智能检测设备已经能够基本满足管道内检测的需要，但在很 多方面还有待改进和完善。漏磁和超声内检测技术，是世界上两种最主要的智能检测技 术。漏磁检测技术未来的发展方向是研制精确度高的三维成像漏磁技术，也就是通过内 检测后能很直观的看到腐蚀缺陷三维图像，这就需要对缺陷三维漏磁场进行研究，本文 的后几章将会具体介绍这种三维研究方法。 对海底管道进行内检测只是完整性评估中的一部分，通过内检测我们得到整条海底 管线的腐蚀缺陷位置与尺寸数据，以此为基础，再计算管道的失效压力和剩余强度，评 估管线的运行风险及可靠性，为进一步的维修维护提供重要依据。评价海底管的的剩余 强度的目的主要是证明腐蚀管道可靠性有多大，也就是计算管道在存在缺陷时能够承受 第一章绪论 多大的压力，管道的运行压力是否超过或接近这个极限压力；以及在加载正常的运行压 力下，管道能够承受的最大腐蚀严重程度，即导致管道失效的缺陷极限尺寸。对海底管 道进行剩余强度评价能够比较准确的计算出管道的承载能力，排查那些可靠性不高的管 段，及时的进行维修。对海底管道作风险评估，则是依据海管运行状况，分析存在的各 种风险因素，划分管道的风险等级，评估管道正常运行的可靠性，为整条管道的安全管 理提供技术支持，降低管道运行风险。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 管道无损检测技术研究现状 世界各国油气是欧美发达国家在很早以前就已经开展了对管道内检测技术的研究， 内检测设备的研制也越来越受到各大石油公司的重视。经过长时间研究，已经开发了好 几种有效的管道在线检测技术，除了前面所说的超声和漏磁内检测技术外，还有远场涡 流检测技术、射线内检测技术、电子内窥和视频检测技术等。 现在管道内检测设备的开发已经到了另外一个阶段，这个阶段就是发展高效且超高 精度的内检测设备，传统的普通内检测设备已经不能完全满足油气管道的大规模，模式 化检测的要求。具有高清晰度的管道漏磁内检测技术是当今世界上上最高端的技术之 一，这种技术在检测管道内金属损失缺陷方面有很大优势，适应性强，不受输送介质的 限制。 最近内检测技术的研究又取得了新的进展，有研究机构开发出一种新的内检测技 术，并入选了当年的国外石油科技十大进展，这种技术又名非接触式磁力断层摄影术， 能够有效的对管道进行内检测，评估管道完整性。这种技术与以往内检测技术完全不同， 它可以在不接触管壁的基础上，来检测磁场的变化，以此来辨别各种腐蚀缺陷，相比于 其他检测技术，这种技术有着更大的检测优势。在没有清管的前提下，m t m 技术也能够 顺利检测管道；清管后，m t m 技术的检测效果更好。 德国r o s e n 公司现在也开发出一种新型超声波检测设备，该检测设备运用电磁声波 传感技术( e m a t ) ，为我们提供了一种能够对裂纹进行高精确度检测的最新方法。这种 超声波技术最大的优点是能够在没有液体耦合剂条件下继续检测，所以可以全面应用于 输油管道和输气管道的内检测。 上世纪九十年代在我国国内就已经逐步开始了管道检测方面的研究，但是一直没有 取得比较大的成果，直到最近几年，随着我国石油工业的发展，管道内检测技术的研究， 设备的开发已经取得了很大的进步，基本上已经能与国际接轨。2 0 0 1 年胜利油田开展了 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 海底管道检测技术的课题研究，2 0 0 6 年首台漏磁检测仪研制成功。2 0 1 0 年6 月，这台 漏磁检测设备首次对实际运行管线进行内检测，靠水的驱动顺利完成了在胜利油田埕北 中心二号平台副线1 公里管线内的在线检测过程，共耗时一个多小时。这台海底管道漏 磁检测仪检测费用仅为国外专业公司的一半。这台检测仪由胜利油田自主研发，填补了 国内油田海底管道检测技术空白，打破了国外垄断。 1 2 2 海底管道剩余强度研究现状 对含有腐蚀缺陷的海底管道进行剩余强度计算是对整条管线进行完整性评估的极 其重要的一环，对保证海底管道的安全平稳运行有着不可替代的作用。管道剩余强度的 计算简单来说，就是计算在腐蚀管道没有失效的前提下，管道能够承受的最大作用力， 也就是它在失效时的工作压力即失效压力，然后看管道的运行压力是否有可能接近或超 过这个失效压力来判断整条管线的安全性；反过来，我们可以在知道管道极限承载压力 的情况下，计算出管道能够允许的最严重腐蚀情况，即腐蚀缺陷尺寸的最大值，然后我 们可以对比腐蚀缺陷尺寸有无接近或超过这个值，这样同样可以评估整条管线运行的可 靠度和安全性。 腐蚀缺陷的剩余强度计算问题，归根结底就是一个腐蚀管道力学失效问题。国内外 对管道剩余强度的研究1 2 - 6 ，多是基于经验或半经验公式【7 1 l 】，但是效率低，误差也较大。 随着数值计算技术的发展，为腐蚀管道剩余强度的研究提供了更新更有效的方法【1 2 1 ，即 有限元分析方法。加拿大的c h o u c h a o u iba ，p i c krj 和b i nf u ，m i k eg k i r k w o o d 等非 线性的基础上对腐蚀管道进行了剩余强度有限元分析1 3 。1 6 】。用有限元方法分析腐蚀管道 的剩余强度时，能够考虑更多外部作用条件，还可以模拟不同类型和尺寸的缺陷，计算 结果误差更小，反映管道真实情况程度最大。k l e v e rfj 等也提出了两种剩余强度计算 模型，这两种模型在假设管道受力满足弹性力学原则的基础上建立的，分别为平面应变 薄膜圆弧模型和连续力学模型【1 7 1 。最近，神经网络方法也被用来研究管道的剩余强度问 题。喻西崇等人提出了一种新的神经网络方法，这种方法能把遗传算法和b p 神经网络 联系起来，而且成功用于最大允许压力以及管道剩余强度的计算问题中【”】。 1 2 3 海底管道风险评估技术研究现状 评估海底管道的风险等级在指导管道安全管理方面有着重要的作用，对海底管道的 风险状况进行分析，根据分析结果指导生产能有效降低管道发生事故的危险性。 早在2 0 世纪7 0 年代，美国就开始了基于管道风险评估方面的研究。经过长时间的 3 第一章绪论 努力，国外取得了比较重要的成果，管道的风险评估技术已经由过去只能依靠定性的方 法分析发展到现在的可以对管道风险进行定量的评估，而且评估标准也开始规范化。 m u h l b a u e r w k 在1 9 9 2 年出版的管道风险管理手册【1 9 】就是一部具有规范化意义的著 作。风险评估技术在实际应用方面也取得了一定成效。英国健康与安全委员会开发出 了m i s h a p 软件，并成功用于计算实际管道失效风险大小【2 0 1 。 最近，国内在管道风险评估方面也做了大量研究，由其是在环境影响以及海洋平台 方面的风险评价已经有所积累【2 l - 2 3 ，但是总体上还处于定性分析的初级阶段。 1 3 内检测的法规与标准要求 ( 1 ) 国内标准 石油天然气管道安全监督与管理暂行规定( 2 0 0 0 年4 月2 4 日实施) 中华人民共和国国家经济贸易委员会令第1 7 号令 长输天然气管道清管作业规程( s y 厂r 6 3 8 3 1 9 9 9 ) 输油管线清管作业规程( s y t 6 1 4 8 1 9 9 5 ) 钢制管道内检测技术规范( s y t6 5 9 7 2 0 0 4 ) 天然气管道运行规范( s 岍5 9 2 2 2 0 0 3 ) 石油天然气管道安全规程( s y 6 1 8 6 1 9 9 6 ) 天然气管道检验规程( q s y9 3 2 0 0 4 ) 管道内检测工程施工及验收规范( q c n p c g d0 2 4 3 2 0 0 5 ) 钢制管道内检测执行技术规范( q s yj s 0 0 5 4 2 0 0 5 ) 根据中华人民共和国国家经济贸易委员会令第1 7 号令以及2 0 0 0 年4 月2 4 日 施行的石油天然气管道安全监督与管理暂行规定管道检测中有关规定，输油管线应 该定期实施全面检测，对于新建的管道，需在运行三年内进行全面检测，之后再根据管 道状况进行定期检测，检测相隔时间不能超过八年；石油相关单位必需对旗下石油管道 定期做普通性检测，对于新建的管线，在一年内要做检测，之后根据管道运行状况定期 对管道进行检测，检测周期为一年至三年。 ( 2 ) 国外标准 h r 3 6 0 9 p i p e l i n es a f e t yi m p r o v e m e n ta c to f2 0 0 2 a p i116 3 ( ( s p e c i f i c a t i o n sa n dr e q u i r e m e n tf o ri n t e l l i g e n t p i gi n s p e c t i o no f p i p e l i n e ) ) a p l 5 7 0 一19 9 8 p i p i n gi n s p e c t i o nc o d e ：i n s p e c t i o n ，r e p a i r , a l t e r a t i o n ， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a n dr e r a t i n go fi n - s e r v i c ep i p i n gs y s t e m s ) ) n a c er p010 2 2 0 0 2 r e c o m m e n d e dp r a c t i c ei n - l i n e i n s p e c t i o no f p i p e l i n e s ) ) a s m eb 31 8 s - 2 0 0 1 m a n a g i n gs y s t e mi n t e g r i t yo fg a sp i p e l i n e s ) ) a p i116 0 ( ( m a n a g i n gs y s t e mi n t e g r i t yf o rh a z a r d o u sl i q u i dp i p e l i n e s a s n ti l l - p q - 2 0 0 3i n l i n ei n s p e c t i o n p e r s o n n e l q u a l i f i c a t i o na n d c e r t i f i c a t i o n ) ) 2 0 0 2 年美国政府通过了( 2 0 0 2 年管道安全改进法，该法令要求，从法令颁布之日 开始，石油公司必需在十年之内对运行的油气输送管道和设备实施内检测，并评估管道 的完整性，作好管道管理规划。对于安全性较低的管道，必需在五年之内完成检测，保 证管道完整性。之后，石油公司必需周期性对管道实施内检测，并评估其完整性，评估 周期最长不能超过七年，根据完整性评估结果制定维修维护方案。 1 4 主要研究内容 本文主要是运用大型有限元软件a n s y s 对海底腐蚀管道的漏磁场和应力场进行了 二维和三维的仿真模拟，研究海底管道内检测和完整性评估方面存在的问题，并且分析 了海底管道的运行风险。本文的主要研究内容有如下几条。 ( 1 ) 对比分析了几种主要的管道内检测技术的性能，尤其是研究了管道漏磁检测 技术和超声波检测技术的优缺点。 ( 2 ) 对腐蚀缺陷漏磁检测的三维模拟和管道剩余强度评价展开了理论研究，建立 了缺陷漏磁场的三维有限元模型和腐蚀管道剩余强度计算的有限元模型，为之后的研究 做基础。 ( 3 ) 利用a n s y s 有限元分析软件建立了海底管道腐蚀缺陷漏磁场的二维和三维仿 真模型，分析了不同类型及尺寸的缺陷漏磁信号，不仅定性而且在定量的情况下研究了 它们之间的关系，包括二维长宽对漏磁信号的影响关系，三维长宽深对漏磁信号的影响 关系以及缺陷形状对缺陷漏磁场形状的影响，为缺陷的评估和检测信号的反演做准备。 建立缺陷数据库和编写缺陷有限元模拟a p d l 编写漏磁分析的命令流，方便及时快速对 不同类型缺陷进行分析。 ( 4 ) 通过海底管道内检测现场调研，对采集数据进行处理和分析，确定损伤部位 和缺陷类型。在考虑管线实际情况的基础上，建立腐蚀管道的剩余强度计算模型，对管 道进行剩余强度评估，研究缺陷类型及尺寸对管道受力的影响。最后综合各种因素对整 5 第一章绪论 体海底管道进行了风险评估，为海底管道维修维护和运行管理提供重要的技术支持。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章海底管道内检测技术对比 2 1 超声波和漏磁检测技术比较 漏磁检测技术主要是用来对输送介质冲刷和内外腐蚀造成的管壁缺陷进行探测的， 对一些危险性不大的小型缺陷也具有检测能力，但很难辨别出裂纹型缺陷。漏磁法检测 简单，对管道环境适用性强，可信度也比较高。 超声波内检测技术是通过探测超声波在缺陷处不同的反射状况来检测管道的。超声 波内检必需在液体介质中完成，所以检测气体管道是要添加耦合剂。超声波法在裂纹型 缺陷检测方面有着很好的检测效果。 漏磁内检测技术和超声波内检测技术是现在实际运用最常见也是最重要的的两种 技术，下面我们就具体的比较这两种技术在各个方面的优缺点。 2 1 1 不同腐蚀深度缺陷检测方面 漏磁内检测设备是以漏磁场的加载和漏磁信号的探测来达到腐蚀缺陷类型和尺寸 识别目的的，管道的材质、壁厚，缺陷的类型和尺寸都对漏磁场有很不同程度的影响， 确定缺陷的深度是一个复杂的过程，而且往往在考虑很多方面后仍不能准确测得缺陷的 深度。超声波内检测设备则是通过超声波的传播来检测缺陷的，能够直接测量管道的剩 余壁厚，精确度比较高。两者的检测精度描述方式也不尽相同，超声波法精确度是以长 度为基础的，多以毫米为单位，漏磁法一般用管壁厚度的百分比来表示，并不是通常意 义上的长度单位。 有研究表明，在其他外部条件相同的情况下，超声波存在一个检测盲区，当缺陷深 度