长输管道失效机理及其故障树分析

林行素，鞠成伟

（广西壮族自治区特种设备监督检验院，广西 南宁 530219）

长输管道已经成为现代社会中一种重要的基础设施，是除公路、铁路、水运和航空以外的第五大运输方式，在市政、交通、水利、输油、输气等工程中得到了广泛的应用（如西气东输、西油东送、南水北调等工程），在社会生产和生活中发挥着举足轻重的作用。尤其是长输管道不仅提高了运输效率，而且还降低了运输成本，在现代化建设中发挥着越来越大的作用。然而长输管道在运行过程中，受到内外腐蚀、工况条件变化、外界干扰以及第三方破坏的影响，致使部分管道发生失效，严重影响着运输效率和运输安全。

1 长输管道目前存在的主要问题及失效形式

到目前为止，我国已建成油气长输管道4.3万km，其中天然气干线管道2.4万km。已形成纵横东西、贯通南北、连接海外的管道网。到2020年，油气长输管道干线将达8万km，其中天然气管道干线将达到5万km。目前管道建设趋向于长距离、大口径、大输量、高压力、高钢质。施工质量与水平逐年提高，保证了管道运行的安全。近年来，我国长输管道建设如火如荼，据专家预计，未来10年我国将实现汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道进行输送。欲要完成上述目标，平均每年都要新建2万km的管线，我国油气管道建设将会迎来新的高潮。

1.1 存在的问题

虽然我国对于长输管道的施工水平和施工工艺有了长足的进步和发展，但我国长输管道目前仍存在以下问题：

（1）管网老化，管材低劣，施工技术相对落后；

（2）管材混杂，管网超负荷运行；

（3）破损频繁，漏失严重，输流能力不足。

1.2 主要的失效类型

长输管道的主要失效形式为开裂和穿孔。失效破坏主要有以下3种类型：

（1）环向断裂。主要是由于纵向应力引起，受到切向摩擦力，纵向弯曲应力、温差导致拉伸应力造成的；

（2）主要是由于环向应力引起，受到内部工作压力、竖向荷载引起的截面内弯曲应力造成的；

（3）接头损坏。由于地面不均匀沉降，造成刚性接口渗漏，温度引起的收缩，导致接头拔出，承插口处接口松脱，发生泄露事故。

2 失效机理分析

2.1 埋地管道失效的直接原因

长输管道结构失效，最终可以归结为“荷载效应”和“结构抗力”这两方面。直接或间接作用在埋地管道上的荷载，主要有管道结构自重、覆土荷载、流体重力等恒载以及交通荷载、地面堆载、温度荷载、管道内压、上浮荷载、地震荷载等活荷载。这些荷载引起管道发生变形、产生应力、导致裂纹扩展。而且随着管道服役时间的增长，由于管道周围土体可能产生不均匀沉降或造成管道悬空，导致管道纵向弯曲应力增加，需水量提高，导致供水压力提高等原因，管道所受荷载会比设计之初有所增加；另一方面，随着管道服役时间的增长，金属管道不断腐蚀、塑料管道逐渐老化、裂纹逐步扩展等因素，将导致管道材料抗力逐步下降。因此“荷载效应”的增加和“结构抗力”的衰退，是导致绝大多数埋地管道失效的最直接原因。

2.2 失效过程的三个阶段

长输管道的失效过程，可以划成以下3个阶段:使用初始阶段(埋设完成之后的3～5年之内)、正常使用阶段和失效老化阶段。经历了一个类似人的生命历程，即幼年期、中年期和老年期。

（1）在管道埋设完成之后的前几年（幼年期），一些施工的缺陷很容易在这一阶段爆发出来，失效的风险率大；

（2）到使用期（中年期或壮年期），也是3个阶段中，持续时间最长的阶段，失效风险率维持在较低的水平上，但实际上该阶段一些损伤正在逐步积累，性能逐渐退化，然而由于设计上考虑了足够的安全裕度，管道并没有在这个阶段出现广泛的失效，只是降低管道的安全裕度而已；

（3）到老化期(老年期)，损伤累积导致抗力衰退到一定程度，无法抵抗外部荷载作用，失效风险率又逐渐提高。

2.3 失效与时间过程的“浴盆”曲线

如果经过维修、加固等措施，失效风险率又会有所下降。结构失效风险率与时间过程的关系曲线如图1所示，因其形似浴盆，称之为“浴盆”曲线。

与失效风险率“浴盆”曲线对应的是管道安全因子（安全裕度）与时间过程的关系曲线（如图2所示）。在裂纹或腐蚀初始化开始之前，材料的强度没有降低，安全因子维持在一定水平（假定荷载没有增加），对于具有防腐层的钢管或铸铁管来说，是从防腐层完好到防腐层局部脱落或剥离的时间；对于塑料管道来说是初始裂纹孵化期，时间长短与管道服役的环境温度和所受应力有关，之后是腐蚀或开裂过程，管道的抗力随时间逐步下降，从而导致安全因子显著降低，在此期间，可能会出现局部渗漏等现象，直到安全因子小于1，管道结构发生失效。

图1 管道失效风险率的“浴盆”曲线

图2 管道安全因子与时间过程的关系

3 长输管道失效故障树的建立

长输管道失效故障树分析，就是找出不同使用阶段长输管道失效故障树的最小割集，对导致长输管道发生失效的各因素进行分析，为提高长输管道的运行可靠性提供理论依据。根据故障树分析原理，该故障树的顶事件为“长输管道失效”，引起的最主要原因就是穿孔和开裂，任一因素出现，都将导致管道发生失效，本文以这两个因素作为次顶事件，对引起这两个失效因素的原因进行分析，建立长输管道失效故障树（如图3所示）。

符号说明见表1。

表1 长输管道失效故障树分析符号说明表

4 长输管道失效故障树分析

4.1 找出最小割集

根据故障树分析方法，求出故障树的所有最小割集，并将故障树转化成等效的布尔代数方程

由上式及最小故障树可知，长输管道失效故障树由67个各阶最小割集组成，其中一阶最小割集29个，这些最小割集直接影响着整个系统运行的可靠性。一般来说，最小割集越多，引起顶事件发生故障的模式也就越多，系统就越危险。由以上分析可以得出，要提高整个系统的可靠性，应首先从这29个一阶最小割集并结合长输管道的失效机理进行分析。

4.2 失效概率

顶事件的发生概率，是评价系统可靠性的重要指标，将每个最小割集看成独立事件，在得出每个基本事件的失效概率后，由下式可以得出顶事件发生的概率

其中，K为最小割集的个数，为最小割集发生的概率。

长输管道失效故障树中K=67，由长输管道失效的测试数据或经验数据，可以得到各个最小割集的失效概率，进而求得顶事件发生失效的概率。

4.3 失效原因分析及应对措施

由管道失效机理分析可以看出，在其使用寿命内，不同时期的失效原因是不同的，因此，有必要在不同的使用寿命内，采取不同的应对措施以降低其失效的概率。

（1）在长输管道使用初期（幼年期），失效主要是由于管道施工缺陷或者管道自身的制造引起的。因此，建立严格的施工管理制度，提高焊接工艺水平以及对管道的选材、用材以及进货渠道进行把关，便可大大减少管道使用初期的失效概率。

（2）在管道使用中期，在使用过程中第三方破坏为管道失效的主要原因，包括人为破坏和自然灾害等破坏，此阶段应对管道上方的违章施工、违章压力等进行防范，同时还应对管道上方标志物进行检查，检查管道受到雨水冲刷情况以及管道附近土壤的移位情况进行监控。

（3）在老化期内，由于管道在设计时留有一定的安全余量，以至于在使用过程中管道不会失效，只是降低其安全余量。但随着使用时间的逐渐增长，安全余量降低到一定程度，便会造成管道失效。此阶段主要失效原因为腐蚀，包括管道内腐蚀和管道外腐蚀，应加强对管道在使用过程中的腐蚀的防护和清理。

5 结束语

本文通过对长输管道失效机理进行分析，找出在使用寿命内不同时期的失效原因及失效模式，同时，对整个系统采用故障树分析方法，建立管道失效故障树并进行定性和定量分析，找出管道失效的最小割集以及导致系统失效的原因，并提出相应的应对措施。

[1]陈利琼，张 鹏.等基于故障树的油气管道失效概率模型[J].石油工业技术监督，2006，（10）：10-15.

[2]朱继洲.故障树原理和应用[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[3]廖柯熹.长输管道失效故障树分析[J].油气储运，2000，（20）：28-30.

[4]余建星，祁世芳.基于神经网络的长输管道综合可靠度评估方法[J].油气储运，2000，（20）：1-7.