基于可靠性方法的输气管道安全性评价分析

胥琴，姜旭，刘少东，张潇涵，马伟平

1.中油国际管道有限公司 中缅油气管道项目（北京 100029）2.中国石油天然气销售 陕西分公司（陕西 西安 710000）3.中国石油天然气销售 广西分公司（广西 南宁 530000）4.甘肃中石油昆仑燃气工程设计（咨询）有限公司（甘肃 兰州 730000）5.国家管网集团北方管道有限责任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

高寒、极地、沙漠等恶劣环境对管道设计和运行安全性提出更高要求[1]。国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》对于高钢级、大口径、高压力输气管道是否适用，壁厚设计值能否保证管道系统的安全性需要深入研究[2]。我国在超大输量天然气管道设计、施工和运行方面经验还不完善[3]。管道设计除保证管体机械强度和承压能力，还应考虑管道服役中第三方破坏、腐蚀、材料制造与施工缺陷等失效因素的不确定性。本研究采用基于可靠性的设计与安全性评价方法，计算了西气东输二线、中俄东线天然气管道的目标可靠度和失效概率，探讨了GB 50251—2015 对于高钢级、大口径、高压力输气管道的适用性，提出新建大型输气管道工程设计的合理化建议。

1 管道设计系数物理意义

我国天然气管道按照基于第三强度理论的应力准则，即管道内压产生的环向应力应小于等于管材许用应力，许用应力是管材最小屈服强度与设计系数的乘积。设计系数是将管材、施工、运行等方面的不确定性集中表征为一个经验系数，不能真实反映管材性能及管道施工与运行维护水平。随着管材性能、制造以及管道施工、运行技术进步，与设计系数相关的不确定因素降低，采用设计系数的理念存在一定局限性[4]。

式中:σ为管壁环向应力，MPa；p为管道输送压力，MPa；D为管径，mm；t为壁厚，m；[σ] 为管材许用应力，MPa；F为设计系数；σy为管材最小屈服强度，MPa。

2 可靠性设计与评价方法研究现状

为解决单一设计系数的局限性，国外提出基于可靠性的设计与评价方法，基本思想是定量计算和分析管道极限状态下的载荷和抗力不确定性因素，针对管道实际失效形式进行设计和评价，避免不合理或过于保守设计，保证管道设计、材料、施工、运行和操作原则的统一性[5]。自20 世纪60年代，美国机械工程师协会（ASME）、英国天然气公司和国际管道协会研究建立了含腐蚀缺陷管道剩余强度评价和寿命预测方法[6]，在此基础上，国外管道可靠性设计与安全性评价方法已形成系统的、成熟的通用技术，已制定国际标准ISO 16708—2006《管道输送系统-基于可靠性的极限状态方法》。加拿大国家标准CSA Z662—2015《油气管道系统》中规定了陆上非酸性天然气管道基于可靠性的设计和评估方法。可靠性方法已应用于高寒、极地、山区和地震断裂带等特殊环境管道设计，以及应用于在役管道提高运行压力和输量的安全性评估，例如英国BPNorthstar 管道，加拿大Enbriidge-Norman Well 管道采用了基于应变的设计方法[7]。

2004年我国西气东输二线穿越强震区和活动断层段采用了基于应变的管道强度设计方法[8]。从2012年开始，国内开展“天然气管道基于可靠性的设计和评价方法”等重大专项课题研究，结合我国管道设计施工实践、实际情况和失效因素，制定了天然气管道可接受社会风险和个体风险，建立了基于腐蚀、第三方破坏和缺陷的天然气管道可靠性模型和评价方法[9]。根据管材、施工、运行、腐蚀和内检测数据，通过计算目标管道可靠度及失效概率，形成输气管道安全评价技术。

3 输气管道安全性评价

基于可靠性方法评估管道系统安全性的基本思路是，计算按照GB 50251—2015中设计系数和设计壁厚下的目标可靠度；根据管道设计参数和运行维护数据，计算管道失效概率；如不满足目标可靠度，则需要微调设计参数，制定维修计划，直至满足目标可靠度。

3.1 确定管道设计系数和壁厚

GB 50251—2015 规定输气管道直管段管壁厚度按式（2）计算。

式中：δ为钢管壁厚，mm；P为设计压力，MPa；ϕ为焊缝系数；t为温度折减系数。西气东输二线和中俄东线天然气管道一级、二级、三级地区强度设计系数F分别为0.72、0.6和0.5，计算壁厚见表1。

表1 中俄东线和西气东输二线天然气管道计算壁厚

3.2 确定管道目标可靠度

目标可靠度是评价管道安全性的重要准则，主要考虑管道极端极限状态失效后（管道大量泄漏、管体破裂等）对周围环境和人员的安全影响。管道极端极限状态的目标可靠度如下。

式中:RT为管道极端极限状态的目标可靠度；ρ为人口密度，人/（104m2）。管道最大允许失效概率与管道目标可靠度之和为1。

GB 50251—2015 中居民户数（建筑物）考虑我国实际情况，以（15～100）户/（2 km×0.4 km）进行划分。考虑管道沿线经济发展和人口密度增长可能性[10]，每户按照3.5 人计算，一级、二级、三级地区人口密度分别为0.66、4.34、12.03 人/（104m2）。西气东输二线、中俄东线管道最大允许失效概率见表2。在相同管道设计参数条件下，中俄东线管径1 422 mm 相对西气东输二线管径1 219 mm 管道目标可靠度要求略有降低，原因是管道壁厚增加，管道系统本质安全性和抗风险能力相应提高。

3.3 管道极限状态方程及失效概率

统计我国管道事故原因主要是第三方破坏、外腐蚀、材料制造与施工缺陷、自然地质灾害和地面移动等，其中开挖施工破坏和外腐蚀是管道失效的主要因素，占全部管道事故的60%～76%[11]。管道极限状态主要考虑输送压力下外腐蚀造成的大量油气泄漏、管道破裂以及第三方机械挖掘造成的管道失效。针对含腐蚀缺陷管道剩余强度计算法，国外开展大量研究并提出多种预测模型，国际管道协会根据103 组试验数据进行比选验证，选定C-FER方法建立了腐蚀管道爆裂极限状态方程[12]。

式中：g为腐蚀管道爆破压力修正值，MPa；pb为含腐蚀缺陷管道预测破裂压力，MPa；p0为无缺陷管道预测破裂压力，MPa；d为管道缺陷深度，mm；t0为管道壁厚，mm；σu为管材抗拉强度，MPa；Mt是Folias 系数；B1，B2是腐蚀管道爆裂模型误差系数。

利用蒙特卡洛模拟方法对管道极端极限状态失效概率进行计算，得到管道总体失效概率。

式中:cr是管道大量泄漏与管道破裂失效后果之比，PLL、PRU分别是管道大量泄漏、爆裂的失效概率，次/(km·a)。

西气东输二线、中俄东线总体失效概率见表3。管道总体失效概率均小于最大允许失效概率，说明按照GB 50251—2015 中设计系数和设计壁厚下中俄东线管道工程满足目标可靠度要求，理论上可以保证管道安全运行。在相同管道设计参数条件下，管径1 422 mm 相对管径1 219 mm 管道失效概率更低，即管道壁厚增加，管道系统本质安全性和抗风险能力相应提高。

表3 西气东输二线、中俄东线管道总体失效概率

4 结论和建议

1）以管径1 219 mm 和管径1 422 mm 的大型输气管道为例，按照国家标准GB 50251—2015中设计系数要求和壁厚计算方法，管道系统满足目标可靠度要求，验证了GB 50251—2015管道设计方法对于大口径、高钢级、高压力输气管道基本适用。

2）在相同管道设计参数条件下，管径1 422 mm相对于管径1 219 mm 管道目标可靠度要求略有降低，同时管道失效概率更低，管道系统本质安全性和抗风险能力相应提高，从而为管道运行管理提供了基本保证和安全裕量。

3）根据我国管道失效因素分析，加强第三方施工监管、建立外腐蚀监测评价程序可以有效降低管道失效概率，也是管道完整性管理的重要内容。

4）可靠性设计和评价方法是一种科学、合理的方法，管道失效形式和概率后果更符合管道实际情况，可以作为GB 50251—2015输气管道设计方法的有益补充。

5）新建输气管道设计基本原则是壁厚等级和应力水平首先应满足GB 50251—2015规定的要求，同时分析计算设计参数下的目标可靠度，根据管道实际情况预测管道失效概率，并进一步优化调整设计参数，保证管道本质安全性。