天然气管道的完整性分析.pdf

2 0 1 4 钲 第6 期 管道技木 P i p e l i n eT e c h n i q u e 5 设 各 a n d E q u i p m e n t 2 0 1 4 N o ．6 天然气管道的完整性分析 赵永刚，杨涛涛，刘沛，田阳洋 西安石油大学，陕西西安7 1 0 0 6 5 摘要随着煤层气和页岩气等非常规天然气的大量开发，对管道安全提出了更高的要求。文中阐 述了管道完整性的理念和管理流程，对导致天然气管道失效的危险因素和爆炸事故后果进行了分析， 探讨了天然气管道完整性管理的关键技术，主要包括管道风险评价技术、基于风险的检测技术、管道完 整性评价、维修与维护。在此基础上，对国内天然气管道完整性管理的发展提出了具体的建议。 关键词天然气管道；完整性分析；管理流程；关键技术 中图分类号T E 8 8文献标识码A 文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 4 0 6 0 0 4 7 0 3 I n t e g r i t yA n a l y s i so fN a t u r a lG a sP i p e l i n e Z H A OY o n g g a n g ，Y A N GT a o t a o ，L I UP e i ，T I A NY a n g - y a n g X i ’a nS h i y o uU n i v e r s i t y ，X i ’a n7 1 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h el a r g ed e v e l o p m e n to fc o m b e dm e t h a n e ，s h a l eg a sa n do t h e ru n c o n v e n t i o n a ln a t u r a lg a s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rp i p e l i n e ss a f e t yh a v eb e e np u tf o r w a r d ．I nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p t so fp i p e l i n ei n t e g r i t ya n dt h em a n a g e m e n tp r o c e s s w e r ee x p l a i n e d ．T h er i s k sl e a d i n gt og a sp i p e l i n ei n v a l i d i t ya n dt h ea c c i d e n tc o n s e q u e n c e so fe x p l o s i o nw e r ea n a l y z e da n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h ei n t e g r i t ym a n a g e m e n tw e r ee x p l o r e d ，i n c l u d i n gp i p e l i n er i s ka s s e s s m e n tt e c h n o l o g y ，r i s k b a s e dt e s t i n gt e c h n o l o g y ，p i p e l i n ei n t e g r i t ya s s e s s m e n t ，r e p a i ra n dm a i n t e n a n c e ．O nt h i sb a s i s ，s p e c i f i cp r o p o s a l sw e r ep u tf o r w a r df o rd e v e l o p i n g t h ei n t e g r i t ym a n a g e m e n to fC h i n e s en a t u r a lg a sp i p e l i n e ． K e yw o r d s n a t u r a lg a sp i p e l i n e ；i n t e g r i t ya n a l y s i s ；m a n a g e m e n tp r o c e s s ；k e yt e c h n o l o g y 1 管道完整性理念 管道完整性 P i p e l i n eI n t e g r i t y ⋯是指管道始终 处于完全可靠的服役状态，其包括3 个方面的内容管 道在物理上和功能上是完整的；管道始终处于受控状 态；管道运营商已经并仍将不断采取措施防止管道失 效事故的发生。管道完整性与管道的设计、施工、运 行、维修维护和管理的各个过程密切相关。 2 管道完整性管理的流程 根据A S M EB 3 1 ．8 S 一2 0 0 1 的规定，输气管道完整 性管理流程主要包括5 个步骤 图1 ，各个步骤紧密 相连，持续循环，使其成为有机的整体。除了上述内 容，完整性管理还包括系统文件和体系文件的制定与 实施。 3 油气管道潜在危险因素的识别与分类 导致管道失效事故的原因有很多种，其中大多数 事故都是由2 种或2 种以上危险因素共同作用的结 果。国内外各管道公司和研究机构在收集了大量事 故数据的基础上，对引起管道失效的原因开展了深入 收稿1 3 期2 0 1 4 0 7 0 8收修改稿日期2 0 1 4 - 0 7 2 7 图1 输气管道完整性管理流程 的实验研究和分析工作，总结出了油气管道失效的原 因 图2 。 4 天然气管道完整性管理的关键技术 4 ．1管道风险评价技术 管道风险评价的方法通常可以分为3 类定性评 价、半定量评价和定量评价。 定性评价方法比较简单，易于理解和使用，需要 积累大量的经验做判断，易受主观因素的制约，主观 万方数据 4 8 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t N O V ．2 0 1 4 图2 油气管道失效的原因 性较强，可能使管理者做出错误的决定，导致事故的 发生。 半定量方法克服了定性评价方法的某些不足，使 风险评价的准确性得到了极大的提高，但其不能有效 地描述引起前后事故发生原因之间的准确关系，使评 价结果受到一定程度影响，因而存在一定的局限性。 定量风险评价是将失效可能性和失效后果的数 值代入总风险公式中求出管线系统的总风险，其评价 流程如图3 所示。 图3 定量风险评价流程 利用弹性力学、断裂力学、有限元分析法、固体力 学，可靠性与维修技术和各种强度理论，对管道的风 险进行定量评价，具有很高的准确性旧o 。定量风险评 价需要大量的数据作为支撑，其结果的精确性依赖于 原始数据的正确性与完整性、数学模型的精确性和分 析方法的可行性。现已开发出的P I R A M I D 管道风险 评估软件，可以对油气长输管线进行定量评价，能很 好地完成管线系统的风险排序。该软件已成功应用 于西气东输管道，准确地计算出了各管段的风险值， 将重点放在风险值高的管段上，有计划地对管道风险 进行了消除和减缓措施，评估结果良好。 4 ．2 基于风险的检测技术 基于风险的检测是完整性管理的重要环节，管道检 测技术的内容包括内检测、外检测和其他检测技术。 智能检测器是现在应用最广的内检测设备，包括 用于天然气管道环焊缝裂纹检测的三相漏磁检测器， 用于纵向焊缝缺陷检测的环向漏磁检测器 T F I ，用 于管道金属损失和腐蚀缺陷检测的漏磁检测器 M F L ，最适用于裂纹检测的超声检测器1 。 外检测技术包括用于不开挖管道外防腐层检测 的直流电位梯度法 D C V G 、交流电位梯度法 A C V G 、皮尔逊法 P e r s o n 、多频管中电流法 P C M 、密间隔电位测量 C I P S 和变频一选频法等技 术；用于局部开挖管道管体缺陷检测的无损检测技术 N D T 等。 4 ．3A C V G 检测技术的应用 目前，国内外主流的控制在役油气管道和新建管 道腐蚀的手段是外防腐涂层加阴极保护。应用 A C V G 检测技术能够有效评价外防腐层和阴极保护的 整体性能，确定管道运行的安全参数和维修计划。国 内某油气技术服务公司应用基于A C V G 检测技术开 发出了相应的E S T E C 软件，它能够有效地确定管道防 腐层的基本状况，显著地减少人为分析数据的时间， 保障管道的安全运行。 文中利用A C V G 技术对西气东输某管段进行检 测，并利用E S T E C 软件系统，对A C V G 检测的数据进 行收集、整合与分析，共检出防腐层破损点8 2 个，检测 结果如图4 所示。 根据A C V G 的检测结果，判断管线防腐层破损均 为轻等级。从开挖结果来看，防腐层缺陷与地面检漏 结果相吻合。根据检测结果，实施了风险控制措施。 4 ．4 管道完整性评价 管道完整性管理的核心是完整性评价，完整性评 价主要包括完整性检测，即基于风险的检测；剩余强 度评价；剩余寿命预测‘4o 。 油气管道剩余强度评价方法经过多年的迅速发 展，目前已形成多种评价标准和规范，评价体系日趋 完善。近年来发展起来的有限元分析方法能够可靠 地预测管道的剩余强度，弥补半经验公式整体偏保守 的不足，被广泛应用于工程的各个领域，已经成为一 种有效的数值模拟方法。 有限元分析模型是多种多样的，应根据完整性检 测的结果 管体腐蚀或缺陷 建立不同的模型。有限 元模型可取对称结构，采用三维六面体的固体连续单 元，不考虑轴向位移，用自由网格划分模型，并细化缺 陷处的网格，使得模型的仿真结果与实际情况更加 万方数据 第6 期 赵永刚等天然气管道的完整性分析 4 9 吻合‘5 l 。 4 0 3 5 ∞3 0 高2 5 蒌2 0 篁1 5 o 1 0 E 罡誉 导委荽 缺陷位置 图4 缺陷点A C V G 分贝值 与剩余强度评价的理论成果相比，剩余寿命的预同的系数 的规定 测还不成熟。剩余寿命预测主要做法是获得管体缺 陷的动力学发展规律，从而获得管道的剩余寿命，以 此来确定再检测、再评价的周期，避免盲目的检测带 来的经济损失。 4 ．5 维修与维护 管道维修维护主要包括腐蚀监测与防护、泄漏监 测与安全预警、地质灾害监测与防护，管体维修技术、 管道抢修技术等，根据管道的不同状况应制定相应的 补救与防治措施。 国内天然气管道事故的统计和分析结果表明，管 体不同程度的腐蚀是造成天然气管道事故频繁发生 的主要原因之一。管道腐蚀防护措施包括防腐层保 护、阴极保护、添加缓蚀剂、脱硫与脱水等。天然气微 泄漏隐蔽性较强，不易被察觉。音波管道泄漏检测技 术可以实现对天然气微泄漏的监测，是近几年来新发 展起来的管道泄漏检测技术，具有可靠性强、反应灵 敏、定位精度高和易操作等特点。它是利用泄漏点产 生的次声波沿管道两端传播的特点，结合开发出的软 硬件系统，实现了对管道全方位、全天候监测，较好地 解决了目前管道泄漏检测领域存在的一些问题，已运 用在忠武线天然气管道和西气东输管道的泄漏检测。 5 天然气管道爆炸事故后果 天然气在运输过程中由于运行压力较大，管道如 果存在缺陷将会导致管体破裂并发生燃烧爆炸。潜 在影响区域是从最初受影响范围的中心扩大到最后 受影响范围的中心 图5 。 对于事故爆炸后果的评定，根据A S M EB 3 1 ．8 S 一 2 0 0 1 只适用于天然气管道，对于其他气体应采用不 r 0 ．0 9 9Xd 石 1 式中r 为影响区域的半径，m ；d 为管道外径，m ；p 为 最大允许操作压力，P a ． 影响区域的面积为 A 叮r r 2 可 0 ．0 9 9 d 石 2 一面X 0 ．12 d 2 P 0 ．0 3 14 d 2 P 2 上述公式适用于天然气管道爆炸事故潜在影响 区域，以此来评价事故的潜在后果M 1 。 图5 是直径为7 6 2m m ，最大允许操作压力为 69 0 0k P a 管道爆炸事故潜在影响区域的研究结果。 潜在影响区 虚线以内 学校 厂1 ‘ 弋V 厂 A／＼ ／N ／＼∥j 3 0 5 m 2 0 0 m 9 0 m 管道 图5管道爆炸事故潜在影响区域 6 结束语 国内的油气管道完整性管理研究起步较晚，许多 技术还不成熟。为了加速天然气管道工业的发展，应 加快理论和技术方面的完善步伐。 1 建立健全完整性管理的相关标准和规范。借 鉴国外先进技术，结合国内具体实际，研发出适用的 完整性管理技术。 2 加强管道数据的采集、整合、管理与维护。加 快地理信息系统G I S 的建设，为完整性管理的实施搭 建基础平台。 下转第5 2 页 E【ll一吐_{一『I劓o ∞o _ 【坷o E NN_f藩一冠o ￡J 甘『I o 三卜c．吐8I一醒IE翕c_jt一硝1 万方数据 5 2 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t N o v ．2 0 1 4 鞫 麓 翟 警j ≮哦严■ 童糊．． 圈 b 不带绝热层的管道 图4 管道检测热成像图像 还能对管道的整体情况做出判断。 3 现场检验案例 东北某公司的G C 2 级2 0 钢工业管道，带保温层， 从厂区内泵房出来后直接埋入地下，长度1 0 0i n ，出土 后沿管廊架空铺设，最后进入操作间。对于此管道的 定期检验，由于有埋地管道和架空管道 带保温层 ， 常规测厚和射线探伤的检测方法检测效率低，很难实 施。可以选用红外热像仪对整条管道进行拍照，排查 安全隐患并选择检验的重点部位，埋地段用导波技术 进行检验，架空段的重点部位用导波和漏磁检测配合 检验，弯头、焊缝等重点部位用超声测厚仪和射线探 伤机进行检验。采用红外成像配合低频导波或漏磁 检测的方法，提高了检验效率和有效性。 4 结束语 在用工业压力管道的定期检验中，主要运用的检 测手段是测厚检测，测厚点的选择可以通过红外热成 像图像来确定。对于穿跨越等测厚仪难以检测的位 置，可以配合采用低频导波检测新技术来对管道进行 一段距离的检测。对于铁磁性材料管道，也可以用漏 磁检测技术来检测。 参考文献 [ 1 ] 王玉梅，郭书平．国外天然气管道事故分析．油气储运， 2 0 0 0 ，1 9 7 5 1 0 ． [ 2 ]王疆戈．世界油气管道现状．中国石化，2 0 0 4 7 1 9 2 0 ． [ 3 ]董为荣，帅建．管道超声导波检测技术．管道技术与设 备，2 0 0 6 6 2 1 2 3 ． [ 4 ] 黄辉，何仁洋，熊昌盛，等．漏磁检测技术在管道检测中 的应用及影响因素分析．管道技术与设备，2 0 1 0 3 1 7 1 9 ． [ 5 ]丁克勤．红外无损检测技术研究现状与发展趋势．中国 锅炉压力容器安全，2 0 0 0 ，1 6 6 4 7 4 8 ；5 1 ． [ 6 ] 赵烨，方正中，李霞．在用压力管道检测中红外热成像技 术的应用．管道技术与设备，2 0 0 8 5 2 5 2 7 ． 作者简介丁战武 1 9 8 7 一 ，硕士研究生，主要从事管道检测工 作oE ．m a i l d z h a n w u 1 2 6 ．c o m 上接第4 9 页 参考文献 [ 1 ]董绍华．管道完整性技术与管理．北京中国石化出版 社，2 0 0 7 4 5 ． [ 2 ] 蓝玉华，高惠临，周敬恩，等．长输管道定量风险评价方 法研究．油气储运，2 0 0 1 ，2 0 8 5 8 ． [ 3 ]史萌萌，廖秋琴，贾立林．压力管道内检测技术发展现状 研究．化学工程与装备，2 0 1 4 ，4 3 1 1 4 0 1 4 2 ． [ 4 ] 付小方．天然气输送管道风险评价与完整性评定[ 学位 论文] ．广州华南理工大学，2 0 1 1 ． [ 5 ]王勇，李洋，孙世斌，等．腐蚀缺陷管道剩余强度A N S Y S 有限元模拟可行性研究．兵器材料科学与工程，2 0 1 4 ，3 7 3 1 2 一1 6 ． [ 6 ]黄志潜．管道完整性及其管理．焊管，2 0 0 4 ，2 7 3 1 8 ． 作者简介赵永刚 1 9 8 7 一 ，在读硕士研究生，主要从事腐蚀与 防护、油气管道风险评价和完整性管理方面的研究。 E m a i l 8 2 1 6 7 0 6 5 4 q q ．e o m 管道技术与设备杂志 控制与测量专栏征稿 征稿范围 有关管道系统及储存设施的自动控制 压 力、流量、温度等 ，测量技术，腐蚀寻线，检测 探伤等仪器设备的新成果、新工艺及应用实例 等。包括故障诊断及其分析，检测仪器、检测 方法和检测装置的研究；计算机辅助设计、辅 助试验和辅助制造的研究和应用；在线监测的 研究和应用；执行机构、调节阀等的设计和 研究。 网址h t t p ／／w w w ．5 2 9 d w ．c o m 电话0 2 4 8 8 7 1 8 6 1 9 霎 一 ■ ， ‘ ，．．．．-、 万方数据