天然气管网系统可靠性与可维修性技术研究现状

王坤

摘 要：天然气管网系统可靠性和可维修性的研究对管网系统高效安全运行的具有重要作用。从管道单元可靠性、设备单元可靠性和管网系统可靠性三个方面重点介绍了天然气管网系统可靠性技术的发展现状，并对管网系统可靠性的发展趋势做出了展望，阐述了当前使用较为广泛的天然气管網系统可维修性技术RCM，最后针对国内外管网的可靠性与可维修性技术存在的问题提出了未来研究的发展方向和建议。

关 键 词：天然气管网系统； 可靠性； 可维修性； 研究现状

中图分类号：TE 88 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1994-03

Abstract： Research on reliability and maintainability of natural gas pipeline network system plays an important role in efficient and safe operation of the pipeline network system. The research status of natural gas pipe network system reliability technology was emphatically introduced from three aspects： the pipe unit reliability， equipment unit reliability and the reliability of pipeline system， and the development trend of network system reliability was discussed. The technology of natural gas pipe network system maintainability RCM was introduced. Finally， the development direction of future research and some suggestions on pipe network reliability technology and maintainability technology were put forward.

Key words： natural gas pipeline network system； reliability； maintainability； research status

天然气管网是连接我国能源供给和需求的生命线，在国民经济和能源安全上具有重要作用和意义。随着我国经济社会的发展，大输量输气管道将大量修建。目前，我国输气管道建设已经进入第三代，需要采用新材料新技术才能进一步提高管网输送效率。对天然气管网进行系统可靠性和可维修性的技术研究，并将其运用于实际的设计，施工，管理和维护上，可以有效的保证管网系统的安全平稳高效运行[1]。

1 管网系统可靠性技术发展现状

天然气管网系统可靠性是指天然气管网系统在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力[2]，常用可靠性，可维修性，鲁棒性三个指标来衡量。根据天然气管网的自身特点，将管网系统可靠性分为两个层次，较低层次的保证天然气管网系统内部所有设施和设备结构完整的结构可靠性；较高层次的保证天然气管网系统能够正常满足市场用户供气需求的供气可靠性[3-5]。显然供气可靠性是建立于结构可靠性的基础之上的。

1.1 管道单元可靠性研究现状

目前国内外针对管道单元和设备单元的可靠性的研究较为透彻。对于管道单元而言，传统方法是基于应力的设计评价方法[6]，将管道系统存在的各种不确定因素，集中在统一的安全系数中，即设计系数。这些不确定性因素包括管道材料，制造，施工，运行的不确定性。这个设计系数是通过设计人员的经验和对风险的定量评估而确定的。虽然这种方法已广泛运用于管道设计，施工和安全评价中，但随着对管道失效机理的研究的日益深入，其缺陷也是日益明显。

一种更为合理的可靠性设计和评价方法是基于应变的设计方法，即所谓的极限状态设计方法[7-11]。极限状态是指管道处于失效和安全的临界状态。极限状态设计方法通过识别可能的极限状态，建立对应的极限状态方程和设计的准则，从而保证所设计管道的安全可靠和经济有效。与基于应力的设计方法不同在于对管道各个阶段的不确定性定量分析而非定性评价。

极限状态设计方法具体的设计评价步骤：首先对管道可能存在的各种极限状态进行识别，建立与之相对应的极限状态方程和评价标准，通过对极限状态方程的计算，可以得到管道失效的概率。对极限状态方程的计算是整个可靠性评价的关键。可以通过多种方法完成，包括各种模拟方法，如蒙特卡洛模拟方法、重要性抽样方法和拉丁超立方抽样方法以及一阶和二阶可靠性方法。

1.2 设备单元可靠性研究现状

对于设备单元的可靠性研究，主要是指压缩机单元的可靠性研究。目前较常采用的是故障树分析方法和基于数据统计的分析方法[12，13]。

故障树分析方法是一种自上而下的推导演译分析方法[14]。压缩机常出现的失效事件，通常称其为顶事件是故障树分析方法的起始点。然后对导致压缩机失效的事件途径进行分析归纳，最终得到各个基本故障即基本事件。对故障树进行定性分析即可确定导致失效事件的基本故障的组合，而对其定量分析即可估计各类失效出现的概率，从而推导出压缩机的可靠度。对于故障树分析而言，其难点在于对压缩机的工作原理和失效机理做出准确的分析，在进行定量分析时需要足够多的统计数据进行支持。

而对于数据统计的分析方法，其关键在于压缩机运行工况和事故的数据库的完整性。其具体步骤是首先对压缩机失效模式进行评定，所谓压缩机失效模式是指压缩机出现失效的各种形式。然后建立相应的压缩机运行工况的数据库，该数据库必须能够准确的记录压缩机的发生故障的时间，危害程度及运行数据。所以这就要求数据库不仅能够记录正常工作时压缩机的运行参数，也要求能够对发生故障后的运行数据进行记录。通过数据库，根据压缩机可靠性常服从的概率统计分布，即可对压缩机的可靠性进行量化。

1.3 管网系统可靠性研究现状

对于天然气管网系统，是一个多单元超复杂系统，它包括上游气源，连接气源和市场的物理管网，系统所处的外在环境和下游市场四个部分组成。国内于2013年首次提出了大型天然气管网可靠性的概念，提出要以系统全局可靠性最优和关键单元可靠性最高为原则，综合考虑多方面因素，保障其安全高效运行。

目前对于天然气管网系统的可靠性函数的求解，国内外一般采用以下思路[15]：对管网系统内部单元之间的相互关系清晰，管道和关键设备的失效机理明确，上下游对管网系统的影响和要求确定，外部环境对管网系统的影响可知的情况下，可以采用确定性方法求解。对管道单元和关键设备失效机理模糊，外部环境对管网系统的影响不确定的情况下，可以采用概率统计方法求解。具体的分析步骤：首先对管网系统的基本单元进行可靠性函数求解，基本单元即管道单元和设备单元。然后根据管网系统内部件的组合形式和相互之间影响程度求解系统可靠性函数。最后根据外部环境以及上游气源和下游市场对管网系统的影响，对系统可靠性函数进行修正。可知，求解基本单元可靠性函数是求解系统可靠性的基础，明确基本单元之间的相互关系是求解系统可靠性的关键，确定外部环境和人为因素对管网系统的影响是求解管网系统可靠性的重要组成部分。

1.4 管网系统可靠性的发展趋势

由于天然气管网系统是由多条管道，众多设备组成，其各自技术参数，相互之间的连接关系各不相同，对系统可靠性的贡献也各异，故对天然气管网系统可靠性进行统一分析和评价难度较大。为此，必须对管道单元，设备单元建立统一的归一化标准体系，以便能够准确客观的评价管网系统中某一基本单元对系统可靠性的影响，能将不同子单元系统可靠性函数耦合求解系统可靠性函数。

对系统可靠性进行分析研究时，管网系统及其外部环境的历史数据的数量与精度都有较高的要求。这就需要建立基于可靠性研究的数据库系统。该数据库是管网系统进行可靠性研究的基础。如何将管道SCADA系统，管道完整性管理，管道运行生产管理系统等企业信息化和管控系统中的数据录入可靠性研究的数据库中，将是建立该数据库的关键。

管网系统在进行可靠性分析时，管网系统中基本单元失效大多是指结构之主要功能的破坏，以及导致出现的安全和环境问题，对管道单元而言，一般是指管道破裂和爆裂。对于另一种失效即系统不能满足其功能的能力研究逐渐增多，此类失效往往是指能够影响其正常功能但不會造成安全和环境的影响，对管道单元而言，则是指管道的压扁和凹陷。另外，对于第三方影响以及出现的自然灾害对管网系统的影响，研究较少，未能充分考虑，也是天然气管网系统可靠性研究的发展趋势。

2 管网系统可维修性研究现状

天然气管网系统基本单元大都是可维修性产品，发生故障后通过维修都可以恢复其工作能力[16]。一般情况下，维修包括被动维修和主动维修两种类型，主动维修又分为预测性维修和预防性维修。管网系统在进行维修时需要花费大量人力物力资源，所以管网系统维修性研究对管网的安全高效运行具有重要作用，通常将维修性研究看成是仅次于可靠性研究的工作，维修性研究成果能够带来大量的经济回报。维修性研究的目标在于通过提高维修效果来减少系统停机时间。

我国目前对于天然气管网系统内管道单元和设备单元，特别是压缩机组通常采用的是定期性维修方式。定期性维修方式是指通过历史经验确定维修周期的维修方式[17]。此维修方式对天然气管网系统可靠高效运行做出了很大的贡献，但经过多年使用也出现了诸多问题：用于维修的人力物力资源没有得到最优的配置，没有考虑到现场设备的具体情况；存在一些设备过度维修而另一些设备维修不足的情况。鉴于定期性维修方式存在诸多弊端，如何实现经验型维修方式向科学型维修方式转换，以建立安全高效的管理体制，提高管网系统可靠运行是目前维修性研究的发展趋势。

以可靠性为中心的维修（RCM，Reliability Centered Maintenance），是目前国内外较为通用的维修方式，该维修方式于20世纪60年代末美国航空业提出，最早是运用于飞机维修上，并取得巨大的收益[18，19]。RCM相比较于定期性维修方式，最大的不同在于其本身不是一种维修类型，而是一种分析方法。它以设备故障模式和故障后果作为维修性分析的基础，考虑到设备维修的经济效益和运行的可靠性，通过逻辑判断分析方法来确定设备维修方案。可以说RCM是一种以最小的维修代价，取得设备最大的运行可靠性和最优的经济效益的维修方式。

3 结 论

随着我国天然气管道建设的快速发展，大型天然气管网系统的可靠性和可维修性研究在保障管网系统高效安全运行中起到越来越重要的作用。基于当前可靠性和可维修性的研究成果，必须建立和健全管网系统可靠性数据库，加大设备故障模式和机理研究，明确管网系统内部基本单元之间的可靠性影响关系以及外部环境和人为因素对系统可靠性的影响。在系统可靠性研究的基础上，采用以可靠性为中心的维修策略，可以实现资源的最优配置，保障管网系统处于最佳的运行状态。

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