油气管道基于极限状态设计方法应用研究.doc

。中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司科学研究与技术开发项目开题设计报告课 题 名 称：油气管道基于极限状态设计方法应用研究编 制 单 位：油气管道室编 写 人：2014年4月编 写 说 明1分公司科技计划项目均应按照分公司科技项目管理有关规定编写开题设计报告。2报告中所引用的外来语要同时用中文和原文表达，第一次出现的缩略词，应注明全称。3项目（课题）经理只能承担一个项目（课题），主要研发人员每年参加的课题不得超过2项，每个课题主要研发人员原则上不多于15人。4. 每个课题独立填写一份开题设计报告。5. 正文格式：宋体、小四、行距1.5倍，所用纸张规格为A4。2。一、生产需求和需要解决的关键技术问题1、生产需求1.1 采用油气管道基于极限状态设计方法是适应我国油气管道建设快速发展的需要随着经济和科学技术的发展，石油和天然气作为清洁能源、重要的化工原料得到越来越广泛的利用。能源安全是国民经济发展的最基本保证，中国石油天然气集团公司是中央直属大型国际能源公司，肩负着保证国家能源安全的重任。在当今世界能源危机的形势下，适时调整能源结构，极力推进 “以气代煤”工程，加大清洁能源利用比例，实现两个资源、两个市场的发展战略，扩大国际合作领域，共同开发世界范围内的石油、天然气等不可再生资源，保证能源安全意义重大、责任重大。我国经济增长将保持较高速度，工业化进程进一步加快，油气需求还将继续呈高速增长态势。我国石油资源分布不均衡，客观上形成了西油东运、北油南下、西气东输的基本配置格局。同时，我国油气资源的低丰度也决定了进口石油天然气是国家基本的能源战略措施之一。管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。广泛用于石油、天然气的长距离运输。管道运输可省去水运或陆运的中转坏节，缩短运输周期，降低运输成本，提高运输效率。当前管道运输的发展趋势是：管道的口径不断增大，运输能力大幅度提高；管道的运距迅速增加。中国经济巨大的石油需求、资源分布的不均衡、进口原油量急速增加，为我国油气管道工程建设行业的大发展提供了充足空间。据2013-2017年中国油气管道工程建设行业深度调研与投资战略规划分析报告数据显示，2011年底，我国油气管道总长约为9.1万千米。其中天然气管道约4.9万千米，原油管道2.3万千米，成品油1.9万千米。到2015年，国内油气管道总长度预计将达15万公里左右。未来5年，新建天然气管道将达3万公里以上，新建原油管道达1万公里以上，新建成品油管道1万至15万公里以上，油气管线共需投资约3500亿元，我国将迎来修建油气管线的高潮。管道建设耗用最多的原材料就是钢管。钢铁作为现代工业的筋骨，广泛用于建筑、桥梁、船舶、航天等各个部门。从人均指标来说，我国总体是一个铁矿资源匮乏的国家，每年需用外汇从国外进口大量的铁矿石。据统计，我国钢铁能耗占了全国的15%左右，工业废水、工业粉尘和二氧化硫排放量分别占全国工业污染物排放总量的10%、15%和10%，耗能和污染都排在前面。目前，我国对环保的重视日益增强，环保问题成为今年“两会”的焦点议题。为了减少钢材的用量，节能降耗，保障管道的安全可靠性，降低工程建设成本，采用基于可靠性的极限状态设计方法是油气管道建设的必然趋势，开展对油气管道基于极限状态设计方法应用研究已势在必行。1.2 采用油气管道基于极限状态设计方法是实施我国海外能源战略，扩大合作基础，确保能源安全的需要2011年11月23日，中国国家主席胡锦涛与土库曼斯坦总统别尔德穆哈梅多夫在北京共同签署了中华人民共和国和土库曼斯坦关于土库曼斯坦向中华人民共和国增供天然气的协议。根据该协议土库曼斯坦对中国天然气年度供应量将增加250亿方，最终达到650亿方。目前，中国-中亚天然气管道A、B线已建成投产；C线即将建成投产；D线计划今年开工， 2016年建成通气。如果大力开展油气管道基于极限状态设计方法应用研究并加以运用，那么将带来油气管道建设的革命，高效、节能将为天然气行业带来巨大效益，率先开展油气管道基于极限状态设计方法应用研究，将占领油气管道设计创新的高端位置，为天然气工业发展存在巨大的科技效益，也是实施我国海外能源战略，确保能源安全的需要。随着中石油海外天然气业务的不断扩展，海外的天然气开发不断增多。油气管道基于极限状态设计方法的推广，这涉及到油气管道的设计、验收及运行管理维护等各方面的技术。迄今这方面国内还是空白，需要进行相关技术的研究，推进相关工作的发展。我国油气管道现行设计标准是采用安全系数的方法，并且现有的设计方法已经具有相当成熟的工程实践经验。使用传统的方法虽然能够确保安全性，但在某些情况下根据传统的设计方法确定的安全性水平的裕量过大，偏于保守。基于可靠性的极限状态设计方法是油气管道工程设计的发展趋势，已为国际上先进的管道工业标准所采用。与国际先进管道标准相比，我国的管道标准、规范还存在一定的差距，随着跨国管道工程建设和外商在我国投资管道建设工程，促进管道标准与国际接轨是非常必要的。2、国内外研究现状分析2. 1国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究初步调研情况经初步了解，国际标准化组织（ISO）目前有石油和天然气管道工业 管道输送系统 基于可靠性的极限状态方法（ISO 16708:2006）的设计标准。在海洋结构工程方面极具权威的标准化组织DNV 也将它的1981 年版海底管道系统规范更新为DNV96， DNV96 也是以极限状态哲学为设计原则的。此外，加拿大标准化组织也较早采用了极限状态的设计思想。国内分别于2012年12月31日发布和2013年7月1日实施了石油和天然气管道工业 管道输送系统 基于可靠性的极限状态方法（GB/T 29167-2012/ISO 16708:2006）。该标准使用翻译法等同采用石油和天然气管道工业 管道输送系统 基于可靠性的极限状态方法（ISO 16708:2006），只是对其前言和引言等作了编辑性修改。该标准规定了石油天然气工业中，为使用GB/T 24259-2009允许的基于可靠性的极限状态方法进行管道的设计、运行和再评定所需要的功能要求和原则。基于可靠性的极限状态方法为在设计和运行中预测管道的安全性提供了系统的方法。该标准适用于石油天然气工业中陆上和海上刚性金属管道。该标准是对GB/T 24259-2009的补充，在GB/T 24259-2009没有提供明确规定和可以应用极限状态方法的情况下采用。2.2国内油气管道基于极限状态设计方法应用现状虽然可靠性设计是一种更为合理的设计方法，但是目前在国内推广起来还存在困难，这主要表现在3 个方面：1）缺乏足够的统计数据。可靠性设计法是以大量统计数据为依据的。原有设计用的数据，由于当时的认识和要求不同，不一定能满足可靠性设计要求。有些可靠性设计要求的重要数据，可能没有进行很好地统计，或在长期的数据统计期间被遗漏。而可靠性数据的积累，需要长期大量细致的工作。2）工程设计人员对可靠性设计方法还不够熟悉。设计人员对各种设计任务，已经习惯于用传统的设计系数法进行设计。他们对概率统计的概念不太熟悉，对新的设计方法实行起来可能感到有些困难，难以抛弃原来的方法而用新的方法。而且任何新方法的应用都不免要承担一定的风险。3）验收上的困难。到目前为止，还没有一套行之有效的设计规范和验收标准，因此设计人员无章可循，而使用单位也难于判断管道工程结构是否达到了预期的目标。因此，基于极限状态设计方法尤其是收集来自管道工业各部门的基础数据有待进一步做工作。3、需要解决的关键技术问题根据对各方面的全面技术分析论证，本课题需要解决的关键技术问题如下：1）研究出极限状态下油气管道可靠性设计方法和应用技术；2）不同失效模式下的管道极限状态方程建立；3）建立管道可靠度设计计算模型及软件编制。二、研究目标和主要研究内容1. 研究目标1）总体研究目标通过本课题研究，掌握国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究的最新动向，建立符合可靠性设计要求的数据库，并对比分析与国外设计方法的差距，最终实现油气管道可靠性的极限状态设计方法的普及应用，促进设计水平与国际接轨，最大限度地降低油气管道的工程建设成本，保障管道的安全可靠性，提升公司在国内外天然气处理领域的整体竞争力，同时培育一批高水平的设计研究人才队伍，为国内外油气管道建设提供强有力的技术支撑。2）年度研究目标2014年：（1）完成课题立项及开题报告；（2）完成课题的技术查新报告；（3）完成满足可靠性要求的数据收集调研报告编制；（4）完成对国内外基于极限状态设计标准规范的对比研究；（5）完成极限状态下油气管道可靠性设计方法和应用技术的研究。2015年：（1）完成管道可靠度设计计算模型建立以及计算分析软件的编制；（2）完成用于指导油气管道工程极限状态下油气管道可靠性设计的设计导则；（3）形成油气管道基于极限状态设计方法应用研究报告。2. 主要研究内容结合国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究的现状，根据对各方面全面技术分析论证，本课题拟开展如下研究：专题一：国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究调研通过与国内外相关咨询研究单位合作及对国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究调研，掌握国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究动向并形成国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究调研报告。调研报告内容如下：1）国内外的相关标准规范；2）国内外基于极限状态的设计思想。专题二：国内外油气管道基于极限状态设计方法应用实例分析。根据专题一对国内外油气管道基于极限状态设计方法应用调研的内容，对比分析目前西南分公司承担的设计项目与国际大型油气管道设计思想上的差别，并指出今后改进方向。专题三：油气管道基于极限状态设计方法应用研究收集来自管道工业各部门满足可靠性要求的基础数据，建立不同失效模式下的管道极限状态方程，进而建立管道可靠度设计计算模型以及编制计算分析软件。具体研究内容如下：1）满足可靠性要求的基础数据分析研究2）管道可靠度设计计算模型以及计算分析软件研究三、技术创新点和研究路线1技术创新点1）国内首次结合国内管道基础数据进行油气管道基于极限状态设计方法的研究；2）国内首次开发适合于我国油气管道发展现状的油气管道基于极限状态设计和验收方法。2. 技术研究路线（方案）1）通过对国际上油气管道基于极限状态设计方法应用进行调研，确定在国内应用基于极限状态设计方法的思路，对国内外基于极限状态设计标准规范进行对比研究；2）从管道工业各部门收集满足可靠性要求的基础数据；3）建立不同失效模式下的管道极限状态方程；4）建立管道可靠度设计计算模型；5）编制管道可靠度设计计算软件；6）编制适合中国国情的用于指导油气管道基于极限状态设计方法的设计导则；7）研究采用油气管道基于极限状态设计方法设计管道的验收技术；8）形成油气管道基于极限状态设计方法应用研究成果及研究报告。四、预期成果和考核指标1. 预期成果与关键技术（1）形成国内外国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究调研报告；（2）形成极限状态下油气管道可靠性设计的设计导则；（3）建立管道可靠度设计计算模型及编制完成计算分析软件；（4）形成企业标准1项，为： 极限状态下油气管道可靠性设计的设计导则；（5）形成国内外国内外油气管道基于极限状态设计方法应用研究报告； （6）培养一批掌握油气管道基于极限状态设计方法的设计人员2. 技术经济考核指标较采用传统的设计系数法设计的同类管道项目，节约投资10%。3. 知识产权考核指标形成专有技术1项：油气管道基于极限状态设计方法设计管道的验收技术。4. 预期应用前景本课题的研究成果将为分公司的海外管道建设项目提供全方位的技术支持，实现减少钢材的用量，节能降耗，保障管道的安全可靠性，降低工程建设成本，达到国内领先水平。对于保证国家能源安全、优化国内能源结构和满足能源需求、推动集团公司海外天然气资源利用和业务发展、保证两个资源两个市场策略的实现，带动和推进我国管道设计的技术进步，提高中石油在管道建设领域的竞争力有着非常重要的历史性意义，同时随着中国石油天然气管道