在役原油长输管道安全评定及寿命评估.doc

本文由guozj408贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第卷第期 年月 石油化工设备 文章编号：（） 在役原油长输管道安全评定及寿命评估 赵保兴，郭志军 （中石化物资装备部，北京；兰州石油机械研究所，甘肃兰州 ） 摘要：简要介绍了石油天然气长输管道缺陷评定和寿命评估方法。对条使用多年的长输管 道通过现场检测、失效分析和实物样品理化性能检测，基于“合于使用”的原则，用法并采用 和内压疲劳试验确定了管道继续使用的参数和剩余寿命。 关键词：长输管道；安全评定；寿命分析 中图分类号： 文献标志码： 石油天然气长输管道为压力管道，是在使用中 可能引起燃爆和重大环境灾难的危险性较大的特种 设备。截止到年，我国在役石油天然气长输管 道有 。一般长输管道经过的地理环境 较为复杂，施工难度大，其焊接质量较难控制，管道 内外壁腐蚀较为普遍。随着管道数量的增加和运行 时间的延长，管道事故发生频率增高。为保障管道 安全运行，建立长输管道监检测和寿命、安全评估体 系是非常必要的。 和泄漏检测纳入计算机监控系统。 基于“合于使用”和“最薄弱”原则来判别含缺陷 的承压设备在规定的使用工况条件下能否继续安全 使用，已在国内外得到广泛应用。油气输送管 道缺陷评定方法主要有以设计曲线为依据的 评定方法和基于的评定方法两类。对于 剩余强度计算，国外一般采用非线性有限差分计算 法，并开发出计算机程序来完成损坏模型及其极限 强度分析，预测已损试件的剩余强度及引发应 力。文献对管道腐蚀的剩余强度进行有限 元分析，得出了腐蚀区应力分布及应力随载荷变化 的历程曲线、腐蚀区尺寸对剩余强度的影响，分析了 应力腐蚀环境下临界应力强度因子。的含义，给 出了含缺陷构件的应力腐蚀失效判据。结果 表明，工程计算方法所得计算结果与实验测定结果 吻合较好，可用于压力管道等含缺陷构件的安全评 定。对于土壤环境下钢质管道可靠度的预测，可通 过分析埋地管道的腐蚀情况，依随机变量极小值的 统计分布理论建立管道腐蚀时的可靠度模型，利用 软件编程计算各参数及埋地管道的可靠度， 估算任何时刻的可靠度。 在对埋地管道的应力应变分析中，节点摩擦力 循环迭代法和土壤弹塑性分区计算方法解决了土壤 与管道相互作用的问题，文献建立了埋地输油 管道三维梁单元有限元应力应变计算力学模型并给 出了求解方法，给出了考虑管道内压时管道综合应 力的计算方法。 长输管道缺陷诊断和评价技术发展现状 管道的设计寿命一般为 ，线路阀门寿 命小于 ，我国有一半的油气管道运营时间已经 超过 ，进入了事故多发期。为了保障管道安全 高效运行，西方发达国家均采取对埋地管道进行有 效管理和定期检测维护制度，使管道的故障率降低 至可接受的水平，欧美各国已制定了相应的法规和 标准，我国也已开始试行。管道完整性评价的 方法有可靠性分析、风险评估和管道剩余寿命评价 种，评价依据是管道检测结果，目标是预测管道的 剩余寿命。 与设计寿命密切相关的是油气管道的诊断问 题，对管道内、外部进行早期诊断，可预测管道剩余 使用寿命。通常主要采用智能清管器对管道内表面 的各种缺陷位置、大小进行比较精确的检测。德国 采用统计分析法，对历年来的管道缺陷进行系统的 统计分析和计算机模拟研究。美国则把管道的腐蚀 收稿日期： 作者简介：赵保兴（一），男，吉林榆树人，工程师，在读硕士，从事设备管理工作。 万 方数据 第期 赵保兴，等：在役原油长输管道安全评定及寿命评估 疲劳破坏是长输管道破坏的基本形式之一，国 内外以弹塑性断裂理论为基础，提出了基于积分 的疲劳裂纹扩展率工程计算方法，并推导出了胁 模型下的疲劳寿命工程计算公式。从理论上讲，用 该方法估算疲劳寿命，比使用基于线弹性理论得到 的疲劳寿命计算公式更为合理。 灰色预测是灰色理论的主要内容之一，与一般 概率统计评估方法相比，灰色评估是一种小样本评 估方法，由数学模型计算处理后得到结果。埋地输 油管道是一个影响因素众多且彼此关系不很明确的 灰色系统，如何对该系统进行风险管理和风险等级 评估以及确定系统内诸因子对该势态的影响权重是 目前研究的热门领域，它适合解决诸如管道腐 蚀势态等目前难以解决的复杂腐蚀体系综合性评估 问题。在解决实际问题时，模糊理论与灰色理论结 合，分析结果将更接近实际情况。 腐蚀长度超过 的大面积腐蚀，全线未发现壁厚 减薄量大于 的点。开挖结果表明，多数壁 厚减薄为管道施工时造成的机械损伤，只在起点附 近存在处较严重的大面积中度腐蚀，其他腐蚀分 布较分散。 外壁防腐层未进行过大修，阴极保护系统工作 不正常。但管道保护电位正常，保护电流密度总体 较小，说明管道外壁防腐层基本完好，管道外壁腐蚀 不严重。 样品宏观检查和无损探伤 在处重点部位进行取样分析，样品外壁防腐 电火花检漏未发现针孔，防腐层下 层完好， 金属无明显腐蚀，部分表面上的凹坑均为机械损伤。 管内壁可见较多的密集或链状腐蚀坑，蚀坑直径小 于 ，最大蚀坑深度约 ，实测管道平均壁 厚 。环焊缝最大错边量 ，螺旋焊缝 最大错边量 。焊缝射线检测结果表明全有 在役长输管道安全评定和寿命分析实例 未焊透缺陷，环焊缝缺陷最长 ，螺旋焊缝缺 陷最长 。 管道状况 某公司的原油 线于年建成投产，该管 管道材质理化检验 管道材质化学成分和力学性能检测结果均符合 普通碳素结构钢技术条件中有关 道经多年运行，发生过多次泄漏事故，并停用多 年。因生产能力的扩大，现急需重新投用该管道。 管道总长 ，为 的螺旋焊 （）的标准。按照 （石油化工企 业管道设计器材选用通则，该材质已经不适用于目 前的操作条件。螺旋焊缝弯曲试验性能不合格，试 样沿焊缝中间开裂，断面有大量夹渣、气孑、未焊透 等缺陷。 金相检验母材组织均匀，组织中的非金属夹杂 物主要为条带状分布的硫化物和少量的球状夹杂 物，硬度 。 管，受当时条件限制，管道材质由原设计改为 （）。输运量 时泵输出压力 ，操 作温度，设计寿命 。 该管道虽然较短，但经过的地理环境较为复杂， 绝大部分采用埋地敷设，埋地深度一般为 ，穿 越铁路时采用砼涵洞方式。管道公路穿越段是整个 管道最薄弱和事故多发段。管道在分段组装后采用 自由滑坡下管的方法下沟。 管道投产初期连续运行，最高工作压力为 左右，输送量 环焊缝根部存在最大约板厚的未焊透或未 填满，有对接缝隙，缝隙沿熔合线向焊缝发展，尖端 圆钝，高倍下观察裂纹内部充满氧化物。螺旋焊缝、 环焊缝区的金相组织正常，焊缝区硬度均小于 。 。工作温 ，压力波 度小于，输油前按暖管。近年来管道 主要是间歇式运行，最大输送量 动较频繁，最高工作压力 ，工作温度低于 ，不暖线。原油中硫质量分数 ，酸值高，盐分（）一。 该管道的断裂大多发生在道路下方附近的管道 焊缝上，个别泄漏处可见腐蚀坑。 管道腐蚀检测 利用管道智能漏磁检测装置进行检测，发现管 道腐蚀比较均匀，壁厚减薄量在 的 有处、 以下的有处，其中有几处是 金相检验样品中未发现应力腐蚀或腐蚀疲劳裂 纹，电镜分析焊缝未焊透根部、夹杂缺陷和腐蚀坑底 部无扩展裂纹。 内压疲劳试验和爆破试验 按管道最高设计压力的倍取内压疲劳试验 的最高压力为 ，最小压力为 ，正弦 波变化加载周期为 。以压力波动 次考 核管道 的使用寿命。经过 次疲劳试验 之后检查焊缝无渗漏现象，外形未发现宏观变形和 万 方数据 石油化工设备 裂纹。 年第卷 现操作工况下最大工作压力和寿命分析 按照 （在用含缺陷压力容 疲劳试验后进行爆破压力为 的爆破 试验。起爆点在母材，爆破口沿管道的轴线长约 器安全评定对试样进行安全性评定。按法 对缺陷进行评估。由于在对接环焊缝和螺旋焊缝上 存在严重的未焊透及错边等缺陷，因此对两种缺陷 进行了评定，其中缺陷位于对接环焊缝上，长 ，电镜分析断口为典型的韧性破坏。爆破试 验后解剖检查，当环焊缝上错边和未焊透缺陷较大 时，在缺陷根部有疲劳裂纹扩展，扩展深度大约为 。在未焊透缺陷小于 的部位未发现 、深 、错边 ；缺陷位于螺 疲劳裂纹。 旋焊缝上，长 、深 、错边 ，螺 旋焊缝与管子轴线夹角。两种缺陷均属于表面 缺陷，且按裂纹处理。 评定结果为，在 下，缺陷的。 口。 取样管段断裂韧度测试 该管道的最大安全隐患在于环焊缝的焊接质 量。使用 电液伺服材料疲劳试验机，按 （金属材料疲劳裂纹扩展速率试 ，即可能发生断裂。缺陷 验方法对环焊缝进行断裂韧度试验。断裂韧度试 验中的最大应力 ，最小应力 ，载 荷变化频率为 ，环境温度，载荷波 形为正弦波。试验测得焊缝纹扩展门槛值。 的一 。 ，即缺陷是允许 的。在 下，缺陷的。一 铀一 ，即在此压力下缺陷不会发生断裂。 腐蚀产物分析和腐蚀研究 对样品管道内壁的附着物进行能谱分析，结果 “，管道裂纹的扩展速率 （）一。按冲击功估算材料断裂韧度 下限值，其中螺旋焊缝的。 “， 母材的。 “。 表 见表。射线衍射分析结果为：。、。可 见管道内壁腐蚀产物以。为主，表明管道内壁 主要受到水的腐蚀。 管道内壁腐蚀产物成分能谱分析结果 管道焊缝组织正常，硬度值低于，符合 在湿：环境下防止碳钢应力腐蚀开裂对焊接接 头硬度的控制指标，检验也未发现应力腐蚀和腐蚀 疲劳特征，腐蚀产物无硫化物。因此，可认为该管道 不存在：应力腐蚀开裂危险。考虑到管道内表 面局部有一定的腐蚀坑，原油中一和。质量分 数高，因此进行了管道母材抗酸性湿。全面腐蚀 性能试验。试验介质按照 标准配 制，时间 ，温度。试验测定腐蚀速率为 表面上加有垂直向下的载荷（图），调整载荷大小 使管道位移达到所需值。采用有限元分析 软件进行计算。整个计算模型共划分为 个 单元， 个节点。计算结果见图，结果表明由 于路面下沉导致原油管道变形引起的应力很大，直 埋横穿公路的管道有个危险点，即公路中间点 和两侧各点。 范围内管道中心的相对位移 不允许超过 ，当管道中间相对两端的位移达 到 时会发生断裂。 ，可见有必要严格控制原油中的水分 和游离水的值。 穿越公路段管道应力分析 管道材料弹性模量 ，断裂强度 ，屈服强度 ，许用应力 ， 泊松比。取南方常见土壤的性能数据，管道内 压 。假设原油管道已发生了下沉，分析确 定不同下沉量时管道的应力。 假定管道周围土壤相同，取土壤长 、宽 、高 ，管道位于距土壤表面 处。长方 图 体上表面为自由面，其他个面加对称约束，在自由 管道模型约束和加载情况 万 方数据 第期 赵保兴，等：在役原油长输管道安全评定及寿命评估 承压能力的不良影响。经过分析评定，在最高允许 工作压力为 ，应力波动为次的情况 下， 原油管道剩余疲劳寿命为 。 参考文献： 郭奎建年特种设备综合统计分析中国锅炉压力容 器安全，（） 严大凡，翁永基，董绍华油气长输管道风险评价与完整性管理 北京：化学工业出版社， 俞树荣，马欣，刘展，等在役长输管道不同时期可靠性安 全评价兰州理工大学学报，（）： 图最大位移 时管道底部应力分布 ， 管道寿命评估 对环焊缝中已有深 、长 、错边 ，： ， ，在用含缺陷压力容器安全评定 曲文卿。张鹏，张彦华石油天然气输送管道的缺陷评定方 法及应用焊管，（）： 蔡文军，陈国明，潘东民腐蚀管道剩余强度的非线性分析 石油大学学报（自然科学版），（）： 蔡文军，陈国明，潘东民，等腐蚀管线剩余强度评估的研究进 展石油机械，（）： 胡兆吉，卢黎明，邓 腾，等含缺陷压力管道的应力腐蚀断裂 的未焊透缺陷进行疲劳寿命估算。计算得 出在 的工作压力下缺陷处的最大应力值 为 ，交变应力强度 ，由 钢制压力容器分析设计标准表一可 知，其设计疲劳寿命约次。该管道已使用约 ，按每天开停次计算，其剩余疲劳寿命余 。 次，即 及其安全评定腐蚀科学与防护技术，。（）， 计算时笔者仅考虑了内压的作用，而其他方面 的影响由于不定因素太多而无法考虑， 中表是根据疲劳设计曲线转化 而来的，此曲线有倍的安全系数，因此推测该管 道在 内发生疲劳破坏的可能性不大。 王智平，李霞，刘 展，等埋地管道受到腐蚀的可靠度分析 与计算机械强度，（）： 赵吉，姜民政，李春红埋地输油管道在线大修应力应变分 析石油矿场机械，（）： 申振荣，郎福元，龚俊，等疲劳裂纹扩展率的工程计算方法 甘肃科学学报，（）： 结语 埋地油气管道遭受众多内在和外在因素的作 ： ， 刘展，王智平，俞树荣，等压力管道风险管理理论研究 压力管道风险理论及其关键技术研究（）石油化工设备， ，（）：。 用，其寿命受到严重威胁。对于使用寿命已超过预 期、在管道运行初期缺乏必要的检测、管道制造质量 较差的管道，要全面预测其剩余寿命是困难的。对 个别管道的持续运行寿命进行诊断，不仅可预防未 来可能发生的故障，而且可对管道运行制度和预检 修措施进行正确规划。因此，应把对个别管道剩余 使用寿命的预测作为管道运行和技术维护管理系统 的组成部分。油气管道的诊断和管道结构可靠性研 究的关键是焊接部位，因而对管道可靠性的分析必 须建立在对管道金属和焊接强度特性的分析以及对 某一管段承受荷载范围的研究基础上。文中针对 刘 展，王智平，俞树荣，等基于解析分层的压力管道风险分 析技术研究压力管道风险理论及其关键技术研究（） 石油化工设备，（）： 刘展，李建华，王智平，等基于模糊理论的压力管道风险分 析技术研究压力管道风险理论及其关键技术研究（） 石油化工设备，（） 刘 展，王智平，俞树荣，等基于灰色理论的压力管道风险分 析技术研究一压力管道风险理论及其关键技术研究（）刀石 油化工设备，（）： 罗 逸，邓聚龙，郑家焱，等埋地输油管道腐蚀的灰分析方法 腐蚀科学与防护技术，（）， 潘家华油气管道的风险分析油气储运，（）： 管道个别管段进行了系统分析，提出了管道的剩 余寿命和使用条件。但由于研究的仅为局部管段， 因此不能排除管道中其他更严重缺陷对管道寿命和 （张编） 万 方数据 在役原油长输管道安全评定及寿命评估 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 赵保兴， 郭志军 赵保兴(中石化物资装备部,北京,100Q29)， 郭志军(兰州石油机械研究所,甘肃,兰州 ,730050) 石油化工设备 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT 2008，37(3) 0次 参考文献(20条) 1.郭奎建 2004年特种设备综合统计分析期刊论文-中国锅炉压力容器安全 2005(03) 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19.罗逸.邓聚龙.郑家焱 埋地输油管道腐蚀的灰分析方法期刊论文-腐蚀科学与防护技术 2002(02) 20.潘家华 油气管道的风险分析期刊论文-油气储运 1995(03) 相似文献(4条) 1.期刊论文 王晶禹.陈健.刘雪岭.WANG Jing-yu.CHEN Jian.LIU Xue-ling 在役长输管道动态数据源组件(ADO)技 术在剩余强度安全评定系统中的实现 -中国安全科学学报2009,19(5) 采用Bodand C+builder 6.0开发工具,以英国标准BS7910剩余强度评价规范为蓝本,并结合实际应用特点,提出动态数据源组件(ADO)技术在该案例的 应用,开发适用于以平面型缺陷为主的剩余强度安全评价系统.解决在役长输管道剩余强度安全评定系统中复杂数据的科学转换,实现软件接口的高效、通 用性数据访问.根据评定结果与实际实验数据对比表明,该应用与实际误差达到工程检测设计标准. 2.期刊论文 梁瑞.刘雪岭.LIANG Rui.LIU Xue-ling 在役长输管道剩余强度安全评定系统的软件开发 -兰州石化职 业技术学院学报2007,7(4) 采用Borland C + + builder6.0开发工具,以英国标准BS7910剩余强度评价规范为蓝本1,结合实际应用特点,开发适用于以平面型缺陷为主的剩余 强度安全评价系统,实现评定快捷、迅速,分析过程自动化和智能化. 3.期刊论文 董玉华.高惠临.周敬恩 长输管道环焊接头缺陷评定方法研究 -油气储运2001,20(7) 重点介绍了用于管道环焊接头缺陷安全评定的常用评定准则,并对这些评定准则进行了分析和比较.以COD设计曲线为基础的简化评定方法和以J积分 理论为基础的较复杂的评定方法各有其优缺点,但这两种评定方法在考虑焊接接头