（环境工程专业论文）燃气管道使用寿命综合评价.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 燃气管网使用寿命综合评价一文，对我国以及深圳市现有的燃气管道现 状进行了描述，深圳市燃气管道随着时间的推移，已经向“老龄化”行进，进入 了事故多发期。由于管道本身的老化、腐蚀以及各种认为因素的破坏，致使管道 事故频繁发生，严重影响了管道的正常运行和周围的自然环境，管道的安全性问 题日益突出。因此，有必要对燃气管道的使用寿命进行综合评价。根据美国专家 的风险打分系统的结论，烃类管道的风险分值在3 0 0 分左右，属于高危险管道。 对每一段管道而言，其所处的环境不同，引起失效的时间也会不同，对周围环境 的影响也会不问。影响管道使用寿命的因素主要有四方面：一是管道所处的环境， 具体地是指土壤的理化特性，土壤电阻率、p h 值、细菌情况、杂散电流等对管 道的影响二：是防腐效果，理地管道使用不同的防腐层对管道进行保护，防腐效果 的好坏对管道的使用寿命起到决定性作用。通常为提高保护效果，采用防腐层与 阴极保护双重保护。常用的防腐层有聚乙烯胶带、环氧粉末、煤焦油沥青等，文 章对这些防腐层的性能进行了比较。第三方面的影响是管道材质和制造因素。最 后是管道运行过程中的压力。要想评价埋地管道的使用情况，检测是必须的，用 于防腐层破损的检测使用p e a r s o n 检测法f p s ) 、直流电压剃度测试法( d c v 0 1 、 a 字架法，用于阴极保护参数的检测使用标准管地电位检测法( p s ) 、密间歇电位 检测法( c l p s ) ；用于防腐绝缘层电阻率的检测使用多频管中电流法( p c m ) 、电流 电位法、变频选频法。对于采用多频管中电流检测技术进行管道检测时，提出了 利用电流衰减率对管道的防腐层进行分级的方法。深圳市即将迎来天然气，对存 在破损点的管道，是否可以承受天然气的运行压力，文章对此进行了计算。通过 文章的整体论述，可以得知，深圳市燃气管道由于腐蚀造成的壁厚减少对管道母 体金属的承压影响不大，文章所依据的是对运行了8 年的燃气管道开挖检测后的 数据，对于更长时间或壁厚减少更多的则缺乏实际数据。文章建议对运行超过1 0 年的管道除直接进行壁厚检测外，还应对管道焊缝和母体金属性能进行检测。对 所有在用的埋地管道建立运行档案，使管道系统处于受控状态。 关键词：风险，腐蚀，寿命，检测 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l eg a v ead e s c r i p t i o no f t h ea c t u a l i t ya b o u tg a sp i p e sn e t w o r kw h i c hn o w i ns h e n z h e na n dt h ew h o l ec o u n t r y , a st i m eg o e so n ，t h eg a sp i p en e t w o r ki ns h e n z h e n i sb e i n ga g e da n dm o v ei n t oap e r i o dw h e na c c i d e n to c c m i e dv e r yo f e n s i n c et h ea g i n g a n de r o d i n go f n e t w o r ki t s e l f a n dd e s t r o y i n gc a u s e db ya l lk i n d so f a r t i f i c i a lf a c t o r s ，i t l e a d st h a tt h ea c c i d e n t so c c u r r e df r e q u e n t l ya n dh a si n f h e n c es e r i o u s l yo nt h en o r m a l f u n c t i o na n de n v i r o n m e n ta r o u n d t h es e c u r i t yo fn e t w o r kg i v ep r o m i n e n c et o i n c r e a s i n g l y s oi t sv e r yn e c e s s a r yt om a k ei n t e g r a t i o no f e s t i m a t i o nf o rt h es e r v i c el i f e o fg a sp i p en e t w o r k a sc o n c l u s i o nw h i c h c o m e sf r o mv e n t u r eg r a d es y s t e mo fus e x p e r t s ，s u c hh y d r o c a r b o np i p en e t w o r kw h i c hv e n t u r ea c c o u n ti sa b o u t3 0 0a n d b e l o n gt os e r i o u s l yd a n g e r o u s a i ma te a c hs e g m e n to ft h ep i p e ，t h ed i f f e r e n c eo ft h e c o n d i t i o nb r i n g st h ed i f f e r e n c eo fi n v a l i d a t i o nt i m ea n di n f l u e n c eo nt h ee n v i r o n m e n t s u r r o u n d i n g s ，t h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ei t ss e r v i c el i f ea r ef o u rs i d e s ：f i r s ti st h e c o n d i t i o na r o u n d j u s tl i k et h ep h y s i c a lc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i co ft h es o i l ，s o i l e l e c t r i c i t yr e s i s t a n c e ，p hv a l u e ，b a c t e r i ai n s t a n c e ，m o t t l ee l e c t r i c i t y , e t c ；s e c o n di st h e e f f e c t so fa n t i s e p s i s ，b e c a u s ed i f f e r e n t k i n d so fa n t i s e p s i sl a y e ru s e dt op r o t e c tt h e u n d e r g r o u n dp i p e ，t h ee f f e c t si sd e c i s i v et o s e r v i c el i f eo ft h ep i p e g e n e r a l l y , a n t i s e p s i sa n dc a t h e d r a lp r o t e c t i o na r eb o t hu s e dt og e td o u b l es a f e g u a r dt oe n h a n c e t h ee f f e c t s t h ea r t i c l ec o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t i s e p s i sl a y e rw h i c hu s e d v e r yo f t e n ，s u c ha sp v ca d h e s i v et a p e ，e p o x yp o w e r , c o a lt a rb i t u m e n ，e t c t h et h i r di s m a t e r i a la n di t sq u a l i t yo ft h ep i p ea n dm a n u f a c t u r ef a c t o r s t h el a s to n ei st h e p r e s s u r ed u r i n gt h er u n n i n go fp i p e f o re s t i m a t et h eu s i n go fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e ， d e t e c t i n g i s n e c e s s a r y p e r s o nm e t h o d ( p s ) ，d cp r e s s u r eg r a d sm e t h o d ( d c v g ) ，a f r a m em e t h o da r eu s e df o rb r e a k a g ed e t e c t i o no fa n t i s e p s i sl a y e r ；s t a n d a r dp i p e g r o u n dp o t e n t i a ld e t e c t i o nm e t h o d ，d e n s ei n t e r m i s s i o np o t e n t i a ld e t e c t i o nm e t h o da r e u s e df o rd e t e c t i o nt h ep a r a m e t e ro fc a t h o d ep r o t e c t i o n ；m u l t i p i p ec u r r e n tm e t h o d ， c u r r e n ta n dp o t e n t i a lm e t h o d ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n f r e q u e n c yc h o o s em e t h o du s e d f o rd e t e c t i o nr e s i s t a n c er a t i oo ft h ea n t i s e p s i sa n di n s u l a t e dl a y e r i ti sb r i n gf o r w a r d t h a tc u r r e n ta t t e n u a t i o nr a t i oc o u l db e u s e dt o g r a d et h ea n t i s e p s i sl a y e ri np i p e d e t e c t i o nw h e nt h ec u r r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u ea d o p t si nm u l t i p i p e t h ee p o c ho f n a t u r a lg a si sv e r yn e a ri ns h e n z h e n ，i th a sc a l c u l a t e di nt h ea r t i c l ew h e t h e ri tc o u l d e n d u r ef o rt h ef u n c t i o np r e s s u r ew h i c hh a sb r e a k a g es o m e w h e r e a sy o uk n o wf r o mt h e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a r t i c l et h a tt h ed e c r e m e n to fw a l jt h i c k n e s sh a sn o ti n f l u e n c et h em a t r i xm e t a lv e r y m u c h t h ed a t au s e di nt h ea r t i c l ei sa c c o r d i n gt ot h ed i g g e rg a sp i p ew h i c hi sm i n e d o v e r8y e a r s ，t h ea c t u a ld a t ai sl a c k i n gf o rt i m el o n g e ro rw a l lt h i c k n e s sd e c r e a s e d m o r et h es u g g e s t i o ni sb r i n gf o r w a r di nt h ea r t i c l et h a tw es h o u l dm a k ed e t e c t i o nn o t l e s so nt h ew a l lt h i c k n e s so f t h ep i p ew h i c hi sb e i n gu s e do v e r1 0y e a r s ，b u ta l s oo nt h e w e l d i n gl i n ea n dm a t r i xm e t a lc a p a b i l i t yo ft h ep i p e ，a n dr u n n i n ga r c h i v e ss h o u l d e s t a b l i s hf o ra l lt h ep i p eu n d e r g r o u n ds ot h a tt h ep i p es y s t e mc o u l db ei nc o n t r o l k e y w o r d s ：r i s k ，c o r r o s i v e ，s e r v i c el i f e ，d e t e c t i o n l t i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 但影响管道安全性的因素很多，管道运行期间第三方破坏，腐蚀穿孔、自然 灾害、误操作或管道设计施工遗留的缺陷、损伤等任何一种因素都可能引发严重 的燃气事故，造成人员伤亡及财产损失。尤其是随着管道使用年限的增加，管道 不可避免的要面临着老化问题，老化的管道的安全性究竟如何? 还能够再使用多 少年? 这都是管理者所关心的。通过对管道的检测、维护以及借助管道系统的可 靠性分析研究来尽量延长管道的使用寿命，这对燃气公司和全社会来讲都是具有 意义的。对于管理者而言，也许最棘手的问题不在于事故后如何采取补救措施， 而是不知道何时、何地会发生下一个事故，以及下一个事故后果的严重程度。这 种不能确定的潜在事故就是管道运营面对的风险。虽然下一个事故是无法预测的， 但对风险进行评估后，采取必要的措施减少一定时期内事故发生的频率和严重性 却是可以做到的。 风险管理是指燃气公司通过对管道运营中风险的识别和评价，制订相应的风 险控制对策，不断识别到不利的影响因素，从而将管道运营的风险水平控制在合 理的、可接受的范围内，达到减少事故发生、经济合理地保证管道安全运营的目 的。因此，风险管理的实质是，评价不断变化的管道系统的风险，并对相应的安 全维护活动做出调整。 工程设计中遵循的“浴盆”型事故曲线见图l ，同样适用于管道供气，管道 在投入运行后，所发生的事故都要经历“浴盆曲线”中的三个阶段：即管道投产 初期的事故多发阶段、管道进入稳定工作期的事故稳定阶段、因管道结构和设各 老化导致事故率上升的阶段。管理者通过借助对管道系统的风险分析，尽量延长 图1 ”1 中的低概率部分，从而延长管道的使用寿命。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 早期 运营年限 图11 管道运行年限 f i g1 1p i p e l i n er u n n m gy e a r 1 2 国外风险管理运用情况 风险评价技术最早是在金融、保险、投资等领域里投入使用的，是经济学的 一项决策技术。2 0 世纪7 0 年代，随着核电技术的迅速发展，公众对核电站的安 全性要求越来越高，促使风险评价技术在该领域的研究迅速兴起，1 9 7 5 年，美国 原子能委员会反应堆机构已将风险评价技术广泛地应用于核工业领域，随后在航 空、航天、石化、交通等工业领域里推广应用。同期，欧美等工业发达国家在二 战以后兴建的大量油气管道已进入老龄期，各种事故频繁发生，造成了巨大的经 济损失和人员伤亡，大大降低了各管道经营公司的盈利水平，同时也严重影响了 上游气( 油) 田的正常生产。为此，美国首先开始借鉴经济学和其它工业领域中的 风险评价技术来评价油气管道的风险性，以期最大限度地减少油气管道的事故发 生频率和尽可能地延长重要干线管道的使用寿命，合理地分配有限的管道维护费 用，经过几十年的发展和应用，目前许多国家已经逐步建立起管道风险评价体系 和各种总有效的评价方法，大大提了管道运行的安全性和经济性。国外管道风险 管理起源于美国，至2 0 世纪9 0 年代初期，美国的许多油气管道都应用了风险管 理技术来指导管道的维护工作。随后加拿大、墨西哥等国家也先后于9 0 年代加入 了管道风险管理技术的开发和应用行列。由于风险管理评估了可能诱发管道事故 的各种风险因素，并制订了控制措施，进而合理地分配了维护管道安全的资源， 改管道的盲目维护为预见性的积极维护，这不仅最大程度地减少了管道土法事故 造成的综合经济损失，而且优化了管道维护费用，因此其综合经济效益十分显著， 这使得风险管理技术自2 0 世纪7 0 年代应用于管道后迅速得到推广。可以认为， 目前国外的管道风险管理技术正在向成熟应用接管过度。 最早将管道风险评价技术介绍到国内的是我国著名的油气储运专家潘家华教 授，他在1 9 9 5 年向国内读者介绍美国著名管道风险专家w k e n t m u h l b e a u e r 提出 的管道风险专家评分法，引起国内学术界的广泛关注。近几年，国内一些科研人 重庆大学硕士学位论文1 绪论 员在各种学术研讨会上相继发表了一定数量的研究论文，提出了许多使用有效的 评价方法。国内些石油院校和油气田一起合作，对气田长输管道成功地进行了 全线的风险分析与评价，这都标志着目前国际上通行的评分指标体系发已经在我 国现役输气管道上达到实际应用水平。中国石油天然气公司石油管材技术研究所、 中国石油管道公司与四川石油管道局联合开展的管道安全技术评价研究，也取得 了多项成果，建立了现役油气管道安全评价的基本模型和技术方法。该技术在四 川省内多条油气管道上进行了剩余强度和寿命的定量预测评价工作，效果显著， 为在役油气管道的检测、维护和更换提供了科学依据。目前，研究单位正在采用 国内、外最新的研究成果对管道安全评价技术进行完善和修正。以提高其适用性、 准确性和预见性。 但从整体看，目前我国有关管道的风险管理仍停留在风险评价技术的研究阶 段，而见于应用的风险评价基本上处于半定量化分析的水平上，主要采用的方法 是国际通用的专家评分指标体系法，实际应用水平普遍较低，没有制订出针对我 国管道实际情况的风险评价技术标准，也没有相应的管道信息数据库标准。我国 油气管道的概率定量风险评价技术尚停留在探索阶段，主要由于缺乏大量的基础 研究和实测数据支持，没有对油气管道所承受各种载荷的概率模型进行系统研究， 主要随机模型难以确定。因此，现阶段进行油气管道定量风险评价必然面i 临着用 什么概率模型去描述油气管道的各种随机载荷的问题。对于城市燃气管道而言， 尽管长输管线中的风险管理方法可以借鉴，但并不适用，所以应当对影响城市燃 气管道系统的寿命从新进行评价。 1 3 本文的主要工作 作为城市管网而言，由于输送介质的特殊性，而且相对于油气管道来说，敷 设在城市内的燃气管道，具有地一f 管线复杂、周边环境复杂、一旦发生泄漏，危 害面较大等特性，因此对燃气管道的安全性提出越来越高的要求。对现役管道进 行安全性评价确定其是否处于勉险状态、是否需要更换、是否可以进行升压运 行等问题。对燃气管道进行评价，国内各燃气公司还属于较先进的管理方法，因 此，方法相对而言，属于探索阶段，本文将根据风险分析常用的集中方法，对深 圳市的地下燃气管道进行风险分析、风险评价、风险可接收准则研究，从而对燃气 管网的使用寿命进行综合评价。 风险的评价主要有以下几种方法： 1 风险的定性分级评价法故障类型、影响和致命度分析 2 失效树分析 3 事件树分析 重庆大学硕士学位论文1 绪论 根据风险分析的结果，对管道系统进行风险评价最后根据风险分析和风险评 价的结果，制订风险可接收准则。对于城市燃气管网而言，长输管道的各种评价 方法只能给管道一个安全性能的定性评价。相对于长输管道，城市燃气管网的地 下情况要更加复杂，因此，本文主要通过对土壤环境的检测、评价、管道防腐层 的检测、评价以及牺牲阳极保护的评价最后通过对管道强度的核算，初步估计管 道的最后使用寿命。最后介绍目前使用的较多的管道修复技术。 4 重庆大学硕士学位论文2 燃气管道系统的风险分析 2 燃气管道系统的风险分析 危险源、暴露和后果是风险的3 要素：( 1 ) 危险一般由于能量或毒物失去控制 而引起，在进行风险分析时，首先要确定危险源种类，如毒物释放、爆炸、火灾 等；( 2 ) 环境、人员或其它生态系统、建筑物或构筑物暴露于危险区域的程度；( 3 ) 危险一旦发生，对暴露目标的有害作用或可能造成损失。这三个因素称为风险链， 在进行风险分析时，要对链中的每个环节做具体分析，风险分析的方法很多，主 要有风险的定性分级评价法、失效树分析、事件树分析。本文将根据较为通用的 风险的定性分级评价法一故障类型、影响和致命度分析( f m e a ) 对燃气管道进行 风险分析。 2 1 风险分析的方法 风险的定性分级评价法一故障类型、影响和致命度分析( f m e a ) 失效模式和后果分析( f a i l u r em o d e sa n de f f e c t sa n a l y s i s ，f m e a ) 在风险分析 中占重要位置，是一种非常有用的方法，主要用于预防失效。但在试验、测试和 使用中又是一种有效的诊断工具。欧洲联合体i s o9 0 0 4 质量标准中，将它作为 保证产品设计和制造质量的有效工具【2 j 。 f m e a 是一种归纳法。对于一个系统内部每个部件的每一种可能的失效模式 或不正常运行模式都要进行详细分析，并推断它对于整个系统的影响、可能产生 的后果以及如何才能避免或减少损失。 进行f m e a 工作所涉及的主要问题是： ( 1 ) 失效 针对系统的具体情况，以设计文件或相关标准、规范为依据，从功能、工况 条件、工作时间、结构等确定本系统失效的定义，并确定表征失效的主要参数。 h e n l e y 和k u m a m o t o 3 ，4 1 对于过程装置如塔器、压力容器、压力管道和容器等， 提出构造f m e a 需要考察、校核的项目： 变量：流量、温度、压力、浓度、口h 值、饱和度等； 功能：加热、冷却、供电、供水、供空气、供n 2 、控制等： 状态：维修、开车、停车、更换催化剂等： 异常：很不正常、略有一些不正常、无不正常、位移、振荡、未混合、沉淀、 着火、腐蚀、断裂、泄漏、爆炸、磨损、液体溢出、超压等。仪表：灵敏度、安 放位置、响应时间等。 ( 2 ) 失效模式 重庆大学硕士学位论文 2 燃气管道系统的风险分析 考虑系统中各部件可能存在的隐患，依据具体内容确定失效模式。如： a 功能不符合技术条件要求： b 应力分析中发现的可能失效模式； c 动力学分析、结构分析或机构分析中发现可能失效的模式； d 试验中发生的失效，检验中发现的偏差； e 完整性评价、安全性分析确定的失效模式。 ( 3 ) 失效机理 根据所确定的失效模式，进行失效机理分析，并确定失效或危险发生的主要 控制因素。 ( 4 ) 失效后果 在进行失效后果分析时，应考虑任务目标，维修要求以及人员和设备的安全 性等。要考虑原始失效( 一次失效) 可能造成的从属失效( 二次失效) ；要考虑局部失 效可能造成的整体失效，要考虑对全系统工作、功能、状态产生的总后果。 在进行失效模式和后果分析时，应按照上述内容编制f m m a 表格| 2 隧项填 写。有些场合，也需要进行半定量分析。设定：失效发生频率程度、失效后果严 重程度、失效原因被检出程度3 个指标，根据经验或与所考察对象相似系统的失 效记录，用1 到1 0 数字标定。各指标标定值的乘积称为风险乘数( r i s kp r o d u c t n u m b e r ) 。风险乘数的大小表示不同失效模式的相对重要度【2 j 。 表2 1 为文献【2 】给出的f m e a 半定量分析各项指标参考值。 表21f m e a 半定量分析各项指标参考值 t a b l e21 a n a l y s i sr e f e rc o u n t i n g 等级失效发生频率程度失效后果严重程度失效原因被检出程度 不可能检出 1 0 微小 1l8 - - 9 小( 少) 2 32 - - 36 7 中等4 6 4 64 5 高 7 97 92 3 很高1 01 0l 风险分析的任务一般是失效原因分析、失效的探索和寻求主要影响因素对失 效后果进行估计。而风险评价则是针对具体危险源发生的概率和可能造成后果的 严重程度、性质等进行定量的评价。风险分祈重点在于探讨风险问题中的共性问 题；而风险评价则是研究风险问题中的个性问题。 重庆大学硕士学位论文3 风险评价 3 风险评价 长输管道大体上分为两类：输油管道和输油气管道。一旦出现事故，在同样 条件下，输油气管道造成的后果将比输油管道严重，即油气管道的风险性要比输 油管道为大。 长输管道风险评价，m u h l b a u e r 提出了风险评分方法p 】，它是近年兴起且受到 广泛重视的一种方法，是目前最为完善、系统的方法。它按四大类逐一评分。 i管道事故原因分类 f 1 1 第三方破坏一一第三方破坏与最小深埋，人在管道附近的活动状况，管道 地上设备状况，管道附近有无埋地设施，管道附近居民素质，管道沿线标志是否 清楚，沿线巡视频率等有关。第三方破坏在整条管道的风险评价上占有重要位置。 根据美国运输管理部统计，美国诸多管道事故中，第三方破坏占4 0 左右。 ( 2 ) 腐蚀一腐蚀分管内腐蚀和管外腐蚀。管内腐蚀与介质性质，管内保护层 和清管排除杂物有关。管外腐蚀与阴极保护状况，外涂层质量，土壤腐蚀，应力 腐蚀，管道附近有无埋设金属物，管道附近磁场、电场情况等有关。 ( 3 ) 设计方面因素一一设计方面因素与钢管选材、安全系数，疲劳因素，水击 可能性，水压试验状况，土壤移动状况( 滑坡，上凸，下陷，土壤结冰，土壤膨胀) 等有关。 f 4 ) 操作因素一一操作因素分施工误操作、运行误操作和维修误操作等。 i i 介质危险性评定 介质危险性分为急剧发生的危险和缓慢发生的危险两类。前者如爆炸、火灾、 剧毒泄漏等，应根据可燃性、毒性等进行评分。后者如水源污染，潜在致癌物的 扩散等。美国环保部门根据介质性质的不同，推荐评分标准见表3 1 表3 1 介质危险性评分 t a b l e31 j u d g m e n to f m e d i u md a n g e r o u s 急剧发生的危险，分 介质名称沸点，缓慢发生的危险，分 毒性可燃性活化性 薤8 0 0 023o8 r 二烯- 4 4 02 4 2l o 丁烷 一o5 614o 重庆大学硕士学位论文3 风险评价 续上表 一一氧化碳一1 9 20 024o2 氯30o8 乙烷 8 88 81402 乙醇7 83 00304 乙基苯1 3 4 0 023o4 乙烯一1 0 40 01422 乙二醇】9 7 0 0l1o6 l “g 柴油 1 5 1 _ 3 0 1o2o6 氢- 2 5 2o oo 4 0 0 硫化氢 6 0o o 3 4o6 异丁烯1 l6 014o2 异戊烷2 80 0l4o6 喷气机燃料b 1 d 0 6 喷气机燃料a 及 o2o6 a l 煤油 1 5 】1 3 0 102o6 甲烷 - 1 6 2o o1402 矿物油3 6 0 0 0o1o6 萘 2 1 80 02206 氮o000 原油13o6 丙烷 4 2 0 0l402 丙烯 4 70 0l412 甲苯1 1 1 0 023o4 氯乙烯1 40 02411 0 水1 0 0 0 0o000 i 泄漏指数计算 泄漏指数由介质的危险性和影响面的大小综合评定。介质危险性按”i i ”求得。 影响面的大小视介质为气体、液体、地区、人口分布状况等的不同而不同。表3 2 为气体或强挥发性液体泄漏评分数据。表3 3 为土壤渗透率评分数据。 影响系数= 泄漏得分人中状况得分 重庆大学硕士学位论文 3 风险评价 泄漏指数= 介质危险得分影响系数 根据美国资料，泄漏指数在0 2 0 8 8 之间变化卦。如果发生事故的概率相同， 由于后果相差很大，其相对风险性可有8 8 0 2 0 = 4 4 0 倍差别。 表3 2 气体或强挥发性液体泄漏评分数据 t a b l e3 2j u d g m e n t o f t h e g a so r v o l a t i t i e s t l i q o d e l e a k i n g 每1 0 分钟泄漏量公斤数 分子量 o 2 3 0 02 3 0 0 2 3 7 0 02 3 7 0 0 2 2 6 8 0 0 2 2 6 8 0 0 大于等于 4321 5 0 2 8 4 9 5432 小于等于2 76543 【 数字代表评分 表33 土壤渗透率评分数据 t a b l e3 3j u d g m e n to f t h es o i lp e r m e a b i l i t y 土壤类型渗透率，c m s 1 评分 不渗透 05 粘土、夯实土、无断裂岩石 1 0 - 3l 相对风险系数的计算 相对风险系= 事故原凶分数总和泄漏指数 其中事故原因分数总和= 第三方破坏分数+ 腐蚀原因分数+ 设计原因分析+ 操作原因分数。 事故原因分数包括四类原因，每类最坏情况分数为零，最好情况为1 0 0 。 文献【3 】所给出的统计数据如表3 4 示。 表3 a 相对风险系数计算结果 t a b l e3 4r e s u l t o f r e l a t i v i t yr i s k p r o d u c t m u n b e r 评分结果 项目 最坏 最好 事故原因分数总和 o 4 0 0 泄漏指数 8 8o2 相对风险系数 02 0 0 0 9 重庆大学硕士学位论文3 风险评价 对管道风险评价结果，一般在f o ，2 0 0 0 范围内，数值越接近2 0 0 0 ，表明风险 越低。m u h l b a u e r 根据其实践经验，按该模型计算出大多数烃类管道的风险分值 在1 0 - 3 0 0 之间。风险分值低的管道，其失效概率高。 上述方法，主要用于长输管道的风险评价，对城市燃气管网而言，f e m a 的 方法可以用于对某段管道失效模式的判断，但在应用需要基础数据的搜集和设定， 如在设定失效发生频率程度时需要有基准测量数据；其管线的泄漏系数更难取准， 它与长输管线相比，经过的区域更加复杂，所受的影响也越多，因此相对而言， 它的失效概率也越高。风险评价法只是半定量化地对某段管道系统的安全性进行 评价，并不能准确地将管道的具体损失情况进行描述。 1 0 重庆大学硕士学位论文4 燃气管道使用寿命综台评价 4 城市燃气管网的寿命分析 对于深圳市燃气管网而言，由于设备管理制度规范，管网压力级制单一，且 压力较低，操作失误引发事故的可能性极小，可以忽略。由于设计原因造成的管 道事故从深圳市开始建设燃气管道至今还未发现有，从历史抢修统计数据看，第 三方损坏以及管道腐蚀是造成燃气事故的主要原因。在1 9 9 8 年以前，第三方损坏 频繁，其原因主要由于市政建设高速发展，水、电、基建管理系统法规制度建设 滞后，相互间沟通不畅，其次是个别施工单位野蛮施工。燃气集团根据这些情况， 采取了针对性措施：1 、由政府主管部门发文，规定城市建设基建项目开工前必须 进行燃气管网确认并签订保护协议。2 、广泛进行管道安全宣传教育3 、加大管道 安全巡线频率，发现有在管道附近施工的工地，立即检查其对燃气管道可能造成 的影响。这些措施，有力地遏制了第三方损坏。 近年来，埋地管道腐蚀穿孔事故呈明显上升趋势。据不完全统计，1 9 9 8 年为 7 起，1 9 9 9 年为9 起，2 0 0 0 年为1 2 起，2 0 0 1 年为1 4 起，2 0 0 2 年1 5 起。从以上 数据可以看出，管道腐蚀造成的事故，应引起管理者的足够重视。 从深圳市目前在用的管网运行情况看，影响使用寿命的主要原因是管道腐蚀。 4 。1 管道腐蚀的分类和破坏形式 4 1 1 管道腐蚀分类 1 按腐蚀环境分类：可以分为化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀和土壤腐 蚀； 2 根据腐蚀过程的特点和机理分类 ( 1 ) 化学腐蚀：金属管道与介质发生的化学反应，特点是在反应过程中没有 电流产生。化学腐蚀有以下两种： a 气体腐蚀：金属管道在干燥气体中，表面没有湿气冷凝的腐蚀； b 电解质溶液中的腐蚀：金属管道在不导电非电解质溶液中的腐蚀； ( 2 ) 电化学腐蚀：金属管道与介质发生反应的过程中有电流产生。腐蚀反应 有一个阳极反应和阴极反应。电化学腐蚀是最常见和最普遍的腐蚀： ( 3 ) 物理腐蚀：金属管道由于单纯的物理溶解作用而引起的腐蚀： 4 1 2 金属管道腐蚀的破坏形式 按照腐蚀破坏形式，可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类 1 均匀腐蚀：也称全面腐蚀，整个管道表面均匀地发生腐蚀。这种腐蚀类 型造成的危害较小。 重庆大学硕士学位论文4 燃气管道使用寿命综合评价 2 局部腐蚀：指整个金属管道仅局限于一定的区域腐蚀，而其它部位几乎未 被腐蚀。局部腐蚀可分为如下类型： 1 ) 小孔腐蚀：又称点蚀，在金属管道某些部位，被腐蚀成一些小而深的孔， 严重时发生穿孔； 2 1 斑点腐蚀：腐蚀形态象斑点一样分布在金属管道表面上，腐蚀面积较大， 但不深； 3 ) 电偶腐蚀：两种不同电极电位的金属相接触，在一定的介质中发生的电化 学腐蚀； 4 1 应力腐蚀破裂：金属材料在拉应力和介质的共同作用下所引起的腐蚀破裂： 5 ) 晶间腐蚀：腐蚀发生在金属晶体的边缘上，晶粒问发结合力减小，内部组 织变得很松弛，从而机械强度大大降低； 6 1 选择性腐蚀：多元合金中的某一部分，由于腐蚀优先溶解到溶液中去，从 而造成其他组分富集在合金表面上； 7 ) 氢脆：金属在某些介质溶液中，因腐蚀或其他原因而产生的氢原子渗入金 属内部，使金属变脆，并在应力的作用下发生脆裂； 8 ) 磨损腐蚀：介质运动速度大或介质与金属管道相对运动速度大，而使金属 管道局部表面遭受严重腐蚀损坏； 9 1 细菌腐蚀：在细菌繁殖活动参与下发生的腐蚀。 4 2 金属腐蚀的原理 4 2 1 电化学腐蚀 金属管道的主要成分是钢铁，当钢铁接触到电解溶液发生原电池反应，即铁 原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀，这种腐蚀称为电化学腐蚀。通常金属管道 的腐蚀主要是电化学腐蚀作用的结果。 在潮湿的空气或土壤中，钢铁管道表面会吸附一层薄薄的水膜而促使管道腐 蚀。由于外界酸碱环境的差异，钢铁会发生吸氧或析氢腐蚀，一般以吸氧的电化 学腐蚀为主。 当水膜基本为中性时，钢铁与吸附在管道表面的溶有氧气的水膜构成原电池。 负极：f e 2 e = f e 2 + ( 钢铁溶解) 正极：2 h 2 0 + 0 2 + 4 e = 4 0 h - ( 吸收氧气) 而当水膜为酸性时，钢铁与吸附在管道表面的溶有c 0 2 ，的水膜构成原电池。 负极：f e - - 2 e = f e ”( 钢铁溶解) 正级：2 h + q - 2 e = h z ( 析出氢气) 如果这种电化学或原电池作用代表腐蚀的全部过程的话，我们应该在管壁上 重庆大学硕士学位论文4 燃气管道使用寿命综合评价 看到一个个的空泡。但在实际中，这些空泡经过一段时期后，变成了大小不均的 瘤状结垢，硬壳内充满了f e ( o h ) 3 和f e 2 ( o h ) 3 的混和物。这是因为，金属表面由 于氧化形成的二价氢氧化铁会继续被氧化形成三价铁，但它并不是永远贴附在管 壁上，保持静止。而是随着土壤中不断有氧气浸入，通过破裂的膜向内一层层运 动，把部分亚铁离于氧化成铁离子，经过段时间，这些氧化铁浓度超过一定的 比例，磁性氧化铁或其它亚铁化合物就会不断地析出，并产生酸性物质，后者继 续与金属作用，再产生新的亚铁盐，不断循环腐蚀结锈。 4 2 2 化学腐蚀 金属管道的腐蚀除电化腐蚀外，还有金属跟接触到的物质( 一般是非电解质) 直接发生化学反应而引起的一种腐蚀，称作化学腐蚀。这一类腐蚀的化学反应较 为简单，仅仅是铁等金属跟氧化剂之间的氧化还原反应。从本质上讲，电化腐蚀 和化学腐蚀都是铁等金属原子失去电子而被氧化的过程，但是电化腐蚀过程中有 电流产生，而化学腐蚀过程里都没有。在一般情况下，这两种腐蚀往往同时发生， 只是化学腐蚀远不如电化腐蚀普遍，对管道外壁的腐蚀作用也不大，在此不作详 述。 4 2 3 微生物腐蚀 微生物对金属的腐蚀，早在本世纪初就已被人们所发现。到了3 0 年代，荷兰 学者克尔提出硫酸盐还原菌参与金属腐蚀中阴极去极化理论后才开始受到重视。 6 0 年代以来，许多研究者对微生物腐蚀机理做了大量深入的研究工作。 4 23 1 参与金属管道腐蚀的微生物类群 虽然能够腐蚀金属管道的微生物包含许多属性，但是其中比较重要的是直接 参与自然界硫、铁和氮循环的微生物。参与硫循环的有硫氧化细菌和硫酸盐还原 菌，参与铁循环的有铁氧化细菌和铁细菌，参与氮循环的主要有硝化细菌和反硝 化细菌等。这些细菌按其生长发育中对氧的要求，又可分为好氧腐蚀菌和厌氧腐 蚀菌两大类。 f 1 ) 硫氧化菌 与腐蚀有关的硫氧化菌能氧化硫、硫酸盐以及亚硫酸盐等，产生代谢产物硫 酸。该类细菌在酸性土壤及含黄铁矿的矿区，能使土壤或矿水变酸导致对钢铁管 道的严重腐蚀。 ( 2 ) 硫酸盐还原菌 这类细菌是造成管道腐蚀的主要微生物。硫酸盐还原菌属厌气菌，能够将破 盐还原为硫化物。它们利用有机物为给氢体，在还原硫酸盐的过程中获取能量。 该类菌中最常见的是中温型的脱硫弧菌和高温型的脱硫肠状菌。 ( 3 ) 铁细菌 重庆大学硕士学位论文4 燃气管道使用寿命综合评价 该类菌形态多样，分布广泛，在富含铁的水中尤为普遍。铁细菌能把水中溶 解的亚铁氧化成高价铁形式，沉积于菌体鞘内或菌体周围，并从中取得能量同化 c 0 2 进行自养生活。 ( 4 ) 硝化细菌和反硝化细菌 硝化细菌能把氨氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸。而反硝化菌在通气不 良的环境中，能将硝酸还原为亚硝酸。因此，这类菌能在环境中积累一定量的硝 酸和亚硝酸，从而对金属管道造成腐蚀。 4 2 3 2 微生物对金属管道腐蚀的主要途径 ( 1 ) 形成氧差电池腐蚀金属管道 由于细菌在管壁表面形成菌落，消耗了周围环境中的氧，加上细菌尸体所吸 附的无机盐，沉积物覆盖了局部表而，造成管壁表面氧浓度成梯度分布。这样就 使管道表面形成的电位差，形成氧差腐蚀电池。另外由于原电池腐蚀，阳极区释 放的亚铁离子能为铁细菌作能源，因而吸引了该菌在阳极区聚集。其结果一方面 能加速亚铁氧化成高铁。促进阳极去极化过程；另一方面，菌在钢铁管壁表面形 成结瘤，又促进形成氧差腐蚀电他的过程。 ( 2 ) 代谢产物引起腐蚀 微生物的生命活动过程中生产的一些腐蚀的代谢产物，如硫酸还原菌的代谢 产物不仅可促进阳极去极化作用，使腐蚀不断行进，而且它的电位比铁还低，又 形成新的腐蚀电池。又如氧化硫硫杆菌在代谢过程中能产生1 0 一2 0 的硫酸， 从而强烈腐蚀管道。此外一些异差菌和真菌( 树脂技泡霉) 还能产生有机酸，氨等， 腐蚀金属管道。 4 3 常用的防腐措施 防治管道腐蚀的措施很多，但出于不同类型管道所处的环境及腐蚀种类都育 所差异，所以没有哪种方法在任何情况下都适用，一劳永逸。因此，在现实的防 府中，通常采用的是几种防腐措施配合适用的方法。 4 3 ，1 采用防腐层包敷在管道外部 常用防腐层包括沥青，煤焦油，环氧粉末，及聚乙烯防腐层等，目前国际上管线 防腐使用较多的新兴防腐材料有：挤塑聚乙烯、熔结环氧粉末、三层p e 等。其 中三层p e 是一种较为先进的一种防腐层，其底层为熔给环氧粉末，中间为一层 共聚粘胶剂，外面缠绕一层挤塑聚乙烯。因此，它具有熔结环氧粉末和挤塑聚乙 烯的双重优点，又能克服其不足，是一种各项性能优异的防腐层。 4 3 2 阴极保护电流 采用外部施加直流电源取得阴极极化以防止金属腐蚀的方法。被保护的金属 重庆大学硕士学位论文4 燃气管道使用寿命综合评价 管道接电源负极，电源正极接辅助电极。接通电源后，直流电源便向管道施以阴 极极化电流，使金属表面阴极化，当外加电流大于腐蚀电流时，受保护的管道表 面就能保持一个足够的负电位，防止管道腐蚀。为取得有效的保护，应保证l 、 在通电的情况下，管道饱和铜硫酸铜参比电极问的负电位至少为0 8 5 v ：2 、通 电情况下产生的最小负电位值与自然电位间的负偏移至少3 0 0 m v 。 4 3 ，3 采用牺牲阳极 采用一种可以提供阴极保护电流的金属或合金( 通常为锌、镁或铭，镁合金等) 与受保护的金属管道相连，使管道阴极化，阴极金属消耗，从而实现防止金属管 道腐蚀的效果。表41 是常用的牺牲阳极的电化学性能 表41 常用的牺牲阳极的电化学性能 t a b l e4l e l e c t r o n c h e m i s t yp e r f o r m a n c eo f t h es a c r i f i c ep o s i t i v e 性能 单位z n z n 台金 m g m g 合金 a 1 z n m n 密度 罾c 71 4l7 4 - i8 428 3 开路电位 v10 515 5 16 010 8 对钢的