基于管道完整性管理的燃气管道失效控制

2019-07-18庆杨

天然气技术与经济 2019年3期

罗庆杨岐

（1.四川华油集团有限责任公司，四川成都 610041；2.中国石油西南油气田公司，四川成都 610051）

0 引言

在大力推进燃气行业可持续跨越发展的环境下，燃气管道里程不断增长。同时，管道失效造成的各类事故也为各燃气企业的安全管理敲响了警钟，如何从被动抢险变为主动控制燃气管道失效成为各燃气公司的的管理重点。基于风险的管道完整性管理理念越来越被各大燃气企业所接受，在现有燃气管道完整性管理相关标准缺失的情况下，如何利用有限的资金、人力进行燃气管道失效控制成为企业面临的一大难题。

1 燃气管道完整性管理

1.1 燃气管道和输气管道的主要差异

现有的石油天然气管道完整性管理流程不能完全照搬作为燃气管道的完整性管理流程，因为通过调查和研究发现石油天然气管道与燃气管道存在许多不同之处，其主要区别如表1所示。

表1 输气管道与燃气管道主要差异表

1.2 燃气管道完整性管理流程

针对燃气管道和输气管道之间的主要差异，燃气管道完整性管理流程可以按图1进行。

2 管道失效事故后果分析

2.1 管道失效事故后果影响范围

管道失效事故后果影响范围指的是当管道发生失效后，有可能造成相应事故后果的区域。管道失效事故后果影响范围可由管道潜在影响半径确定。对于以天然气为输送介质的管道，可按式（1）计算：

图1 燃气管道完整性管理流程图

式中，d为管道外径，mm；p为管段最大允许操作压力，MPa；r为受影响区域的半径，m。

从式（1）可以看出，管道失效事故后果影响范围随着管道运行压力的增加而增大，随着管道外径的增加而增大。

2.2 管道失效事故后果严重程度

管道失效事故后果严重程度指的是当管道由于失效而可能造成的危害影响程度。失效后果分值[1]可由式（2）计算得出。

2.2.1 燃气危害性评估分值

天然气的主要危害气体成分为甲烷和一氧化碳，按照美国道化学公司的危害分值取值方法[2]，甲烷和一氧化碳的危害性评估分值分别为7和1。

2.2.2 人口密度分值

可根据GB50028《城镇燃气设计规范》中划分的4种管道地区等级对应的人口密度分值来取值，即一级地区、二级地区、三级地区和四级地区分别对应人口密度分值为1～4。

2.2.3 泄漏分值

以管道断裂作为最严重的泄漏情况来进行泄漏分析。首先计算出泄漏的质量，其计算公式如式（3）所示。

式中，Q为质量流量，kg／s；Cd为泄漏系数，圆形截面取1；A为孔口截面积，m2；P为管道内介质压力，Pa；K为气体绝热指数，天然气取1.3；M为分子量，天然气取0.017 kg／mol；R为气体常数，取8.31 J／（mol·K）；T为气体温度，K。

管道断裂的情况下，泄漏部分的横截面积为管道横截面积的2倍，泄漏速率（Qeff）可由式（4）计算而得。

式中，λ为泄漏率延迟因子，取1。

计算出10 min内的泄漏质量后，可按照Muhlbauer W Kent的判定法[2]（表2）用插值法确定泄漏分值。

表2 泄漏分值表

按照以上方法，通过计算可得到如图2、图3所示的结果。从图2可以看出，泄漏分值在管道运行压力不变的情况下，会随着管道压力的增加而减小。从图3可以看出，泄漏分值在管道管径不变的情况下，会随着管道压力的增加而减小。

图2 泄漏分值随管径变化趋势图（管道压力为0.3 MPa）

根据式（2）可以看出：泄漏分值越小，失效后果分值越大；人口密度分值越大，失效后果分值越大。综上所述，随着管道的管径、工作压力和地区等级的增高，管道失效后果分值会随着增大，管道失效后果也会越来越严重。

图3 泄漏分值随管道运行压力变化趋势图（管径为100 mm）

3 管道失效概率分析

由于外部因素造成的管道失效作为随机事件在此处不做过多讨论。对于腐蚀造成的管道失效，其失效概率可以考虑为管道的应力大于管道屈服强度情况下的概率，即结构功能函数Z＜0时的概率[3]。可以设σe为管道所受载荷产生的等效应力，σs为管道材料的屈服强度，由Mises屈服准则得出管道的结构功能函数Z。

式中，σe为管道所受载荷产生的等效应力，MPa；σs为管道材料的屈服强度，MPa；σc为管道受到载荷所产生的环向应力，MPa；σv为管道受到载荷所产生的纵向应力，MPa；T为管道的服役年限；p为管道介质的工作压力，MPa；D为管道的外径，mm；δ为管道的壁厚，mm；χ为管道轴向曲率，m-1；W为管道受到的垂直载荷，kN；Δt为管道安装与工作时的温度差，℃；Kb为管道的弯曲系数；Kz为管道基座系数；Ep为管道弹性模量；υp为管材泊松比；ξ为土体约束系数；α为热膨胀系数，℃-1；k为腐蚀乘数；n为腐蚀指数。

结构功能函数Z＜0时的管道失效概率可表示为：

式（7）为多变量非线性函数，用直接计算法求解十分困难，可考虑采用蒙特卡洛法等方法进行求解。由于国内管道数据失效数据库建立时间短，为简化计算，可以设其变量均符合高斯分布，参考国内外相关文献选取变异系数及均值系数[3-6]。

从图4可以看出：管道投运后，失效概率在逐年增加；当管道投运超过20年后，失效概率的增幅明显增大。

图4 管道失效概率随管道投运年限的变化图

从图5可以看出：管道投运初期，随着管道投运年限的增加，管道工作压力对管道失效概率的影响增大；当管道投运超过6年后，管道工作压力对失效概率的影响降低，而腐蚀指数迅速增加并成为导致管道失效的主要因素；管道投运超过15年后，影响管道失效的主要因素是腐蚀指素和管道的工作压力。

图5 各参数重要性随管道投运年限的变化图

4 管道失效控制

管道完整性管理是基于风险控制建立的，也就是说将关口前移，提前进行风险识别并制定相应的控制措施。但针对燃气企业盈利水平的不同，不可能对所有管道采取同样的完整性管理投入。此时，我们需要针对管道事故后果影响范围及程度、失效概率的高低，分轻重缓急，针对不同重要性的管道开展对应的完整性管理工作，并采取对应的管道失效控制措施。

4.1 优先考虑进行失效控制的管道

通过对管道事故后果和失效概率的分析，建议优先对以下燃气管道进行失效控制：四级地区的高压、次高压管道；气源管道；潜在影响半径内有学校、医院和监狱等无法及时疏散人群的建筑的管道；潜在影响半径内有重要公共建筑的管道；服役时间在15年以上的钢质管道。

除去以上情况，其余管道可按照管道的运行压力、管径从高到低的顺序来优先开展失效控制工作。

4.2 失效控制措施

4.2.1 腐蚀失效控制

1）管道外防腐层修复

采用管道PCM检测查找管道外防腐层破损点，按管道逐条梳理并进行数据分析，同时将破损点列入修复整改计划。

对于检测发现的破损点可考虑以下方式进行处理：① 在破损点上下游各挖1 m对破损点进行修复，同时寻找是否存在未检测到的破损点（某点破损严重时将掩盖周边轻微破损点的信号）。当整条管道防腐层破损严重时，防腐层修复工作量过大，修复成本接近或超过新建管道时，建议对管道进行整体更换。② 沥青防腐且投运年限10年以上的管道有可能存在沥青防腐层大面积蜂窝状锈蚀情况，因沥青开裂吸水点较多会逐步造成防腐层与母材剥离。此种情况下，开挖修复工作量巨大，建议在有条件的情况下进行整段更换。

2）阴极保护系统修复

对于没有阴极保护系统的管道，可以分层级考虑对其加装阴极保护系统来防护；管道加装了阴极保护系统的，要对阴极保护系统的有效性进行评价并对评价结果无效的系统进行修复。

3）非金属管道替代

在杂散电流干扰较大的地方埋地钢制管道，由于外腐蚀发生失效的概率更大且加装的阴极保护系统不能很好地作用于金属管道，这种情况下可以考虑使用非金属管道进行替代。

4.2.2 第三方破坏失效控制

1）建立信息联动机制

加强顶层沟通，深化逐级联动，建立重点管线的联管保护机制，将控制管控前移。建立“三级联动”模式：“企民联动”，巡线工每月与小区物管、居民联系，在小区门口张贴个人信息名牌、发放名片，实现点对点的信息传输，及时获取施工信息；“企企联动”，建立联系花名册，记录电信、电力、联通、物管、社区等相关人员的电话，定期更新，保证沟通信息的良好传递；“政企联动”，公司紧密联系政府、参与政府召开的协调会议，获取施工信息，共同解决市民保供、隐患处置等协调问题。

2）强化管道巡护的培训工作

可以考虑采取“五级培训”，即公司、部门、班组、业务承包单位以及片区相结合的方式开展管道管理培训。保证全时间段覆盖，达到“日日现场学习，月月片区考核，季度集中学习”的程度。

3）建立信息化系统

建立并应用GIS信息系统，智能视频监控系统，充分利用现有管线及地形数据实现管线空间数据、属性数据、拓扑关系的一体化管理，为燃气管网的第三方施工联动及监控提供准确可靠的数据。

4.2.3 自然灾害失效控制

燃气公司应建立相应的自然灾害敏感点清单，针对清单的敏感点位置制定相应的控制措施和巡查频次。在小区内有可能发生地面沉降的位置也可以考虑运用软连接的方式来降低地面沉降对管道的应力影响。