穿越河流输油管道可靠性分析.doc

精品论文推荐穿越河流输油管道可靠性分析任志平 1，2，张 鹏 1，韩 侠 11.西南石油大学，成都（610500）2.大庆石油学院，黑龙江大庆（163318）E-mail:rzp1972126.com摘要：在输油管道完整性评价中多将穿越河流输油管道（穿越管道）含于长输管道评价之中，没有考虑穿越管道在设计、施工、运营和维护中的特殊性。管道一旦发生裸露或悬空，除受到 第三方破坏、腐蚀、误操作、缺陷作用外，还受到船锚拖曳、水流冲击作用，且当管跨长度超 过允许悬空管跨长度时，将受到涡激振动影响，最终导致穿越管道泄露。为此，建立穿越管道 的故障树模型，计算穿越管道的失效概率、基本事件的概率重要度和危险重要度，分析引起穿 越管道泄露的失效模式。结果表明，穿越管道总体失效概率为 3.791 55 × 10-3，影响因素按照危 险程度由高到低为管道裸露或悬空、第三方破坏、误操作、腐蚀和缺陷。该结论与非穿越管道 的故障树分析结果存在较大差别，因此在对穿越管道进行完整性评价时应与长输管道区别对待，这应该引起石油管道企业的高度重视。关键词：穿越河流输油管道；故障树；失效分析；完整性评价1. 引言当穿越河流输油管道（简称穿越管道）受到洪水冲涮、船锚拖曳、人类盗油、挖沙和清淤 及自然灾难等作用时，可能导致穿越管道裸露于河床上，继而管道上面覆盖层和下面河床被水 流淘空形成管跨。当管跨超过允许的悬空管跨长度时，管跨段将产生涡激振动，如果涡流频率 接近管道的自振频率，就会发生共振现象1。同时，穿越管道受到稳管时的自身附件重力作用 和交变应力影响而产生疲劳损伤，乃至引起疲劳破坏，从而给长输管道的安全运行带来严重隐 患2，3。我国大庆油田、辽河油田、胜利油田等数千公里输油管道多在 20 世纪 60 年代末建成， 管道多数已进入或接近老龄范围，且其中大部分穿越管道埋深不够，有些穿越段已经暴露在河 床之上，确保这些老年龄管道的安全、可靠运行至关重要4。故障树分析法（FTA）把系统不希望出现的事件作为故障树的顶事件，用规定的逻辑符号 自上而下分析导致顶事件发生的所有可能的直接因素及其相互间的逻辑关系，并由此逐步深入 分析，直到找出事故的基本原因（基本事件）为止5，进而得到顶事件的发生概率和系统的薄 弱环节，可进一步提高系统的安全性和可靠性6。目前在对油气长输管道的完整性评价7-10中，都是将穿越管道作为长输管道的一部分进行， 而忽略穿越管道在施工、设计、运营和维护方面的特殊性。拟建立穿越管道的故障树模型，通 过故障树分析证明穿越管道与非穿越管道存在较大差别。2. 故障树模型将泄漏作为故障树顶事件。将腐蚀、误操作、第三方破坏、缺陷作为次级顶事件，将管道 裸露或悬空作为条件事件，采用故障树分析方法，得到代表穿越管道各种故障事件的所有基本 事件（见图 1）。代码及事件概率见表 1.3. 故障树分析3.1 定性分析通过穿越管道故障树定性分析，可以求出全部最小割集，每个最小割集代表一种失效模式，- 3 -在一定程度上代表管道系统的危险性大小。当一个最小割集内的基本事件都发生时，顶事件必然发生，并且包含基本事件个数少的最小割集比包含基本事件个数多的最小割集容易发生11。 采用下行法计算全部最小割集。TE1E2E3E4E5ABX1 X2 X3 X4 X5 X6X7X8E12E13X48 X49 X6X43 X44 X45 X26X46 X47AE6E7E8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20X21X22X23BE9E10E11X4X24 X25E14X32X33X34X35X36X37X38X39X32X40X41X42X26X27X28X29X30X31与门或门 基本事件 转移符号图 1 穿越河流输油管道故障树表 1 穿越管道故障树代码、事件名称及基本事件概率代码事件事件概率/10-4代码事件事件概率/10-4代码事件事件概率/10-4P泄漏或断裂E1第三方破坏E2误操作E3缺陷E4腐蚀E5裸露或悬空E6设计E7运营E8维护E9外腐蚀E10内腐蚀E11应力腐蚀E12施工缺陷E13原始缺陷E14土壤腐蚀性X1人类盗油1.620X2泥石流0.820X3土壤冻结作 用3.280X4洪水灾害3.280X5地震灾害3.280X6船锚拖曳0.930X7违章施工0.930X8挖沙取石0.930X9穿越点选择0.335X10强度设计0.335X11材料选择0.335X12护坡措施0.335X13稳管措施1.280X14防腐蚀设计1.280X15补口措施1.280X16工作人员培 训0.335X17群众安全教 育0.335X18通讯控制系 统0.335X19清管技术0.335X20检测技术0.335X21巡线技术0.335X22抢修措施0.335X23管道数据库0.335X24阴极保护失 效0.957X25外防腐层失 效0.957X26土壤含盐量 高0.670X27土壤 pH 值低0.670X28土壤含硫高0.670X29土壤含水率 高0.670X30土壤含微生 物0.670X31土壤含气高0.670X32管材抗蚀性 差5.28X33杂散电流腐 蚀0.957X34原油含水0.957X35原油含硫0.957X36原油含气0.957X37内防腐层失 效0.957X38原油含微生 物0.957X39缓蚀剂失效0.957X40腐蚀疲劳0.957X41温度应力0.957X42焊接应力0.957X43安装质量0.350X44运输质量0.350X45管道埋深不 足0.350X46管材制造0.350X47管道加工0.350X48水流冲击9.260X49涡激振动9.260穿越管道故障树的最小割集为X1，X15，X26，X33 X34 X40，X48 ，X2 ，X3 ，X4 ，X5 ，X6 ，X7 ，X8 ，X16 ， X19 ，X46 ，X31 X35 X40 ，X31 X36 X40 ，X31 X37 X40 ，X31 X38 X40 ，X31 X39 X40 ， X31 X32 X40 ，X31 X34 X41 ，X33 X34 X42 ，X49 ，X17 ，X18 ，X20 ，X21 ，X22 ， X23 ，X47 ，X24 X35 X42 ，X25 X35 X42 ，X33 X35 X42 ，X31 X35 X41 ，X31 X35 X42 ， X24 X36 X42 ，X25 X36 X42 ，X33 X36 X42 ，X31 X36 X41 ，X31 X36 X42 ，X24 X37 X42 ， X25 X37 X42 ，X33 X37 X42 ，X31 X37 X41 ，X31 X37 X42 ，X24 X38 X42 ，X25 X38 X42 ， X33 X38 X42 ，X31 X38 X41 ，X31 X38 X42 ，X24 X39 X42 ，X25 X39 X42 ，X33 X39 X42 ， X31 X39 X41 ，X31 X39 X42 ，X32 X42 ，X31 X32 X41 ，X24 X34 X41 ，X25 X34 X41 ， X32 X34 X41 ，X33 X34 X41。其中有 22 个一阶最小割集、1 个 2 阶最小割集、39 个 3 阶最小 割集。3.2 定量分析为计算顶事件的发生概率12和对基本事件进行重要度分析，必须知道基本事件的发生概率， 可采用统计法或专家主观判断法估算9，13。穿越管道基本事件见表 1，概率重要度系数计算结 果见表 2，危险重要度系数计算结果见表 3。结果表明，穿越管道总体失效概率为 3.79155 × 10-3。表 2 穿越管道故障树的概率重要度计算结果事件概率重要度事件概率重要度事件概率重要度事件概率重要度X11X21X31X41X51X61X71X81X151X161X171X181X191X201X211X221X231X240.000000054951X250.000000054951X261X310.000000247595X320.000095721982X330.000000073268X340.000000102734X350.000000046711X360.000000046711X370.000000046711X380.000000046711X390.000000046711X400.000000076594X410.000000151852X420.000528178595X461X471X481X491穿越管道概率重要度系数顺序为X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8=X15=X16=X17=X18=X19=X20=X21=X22=X23=X26=X46=X47=X48=X49>X42>X32>X31>X41>X34>X40>X33>X24=X25>X35=X36=X37=X38=X39>X12=X13=X14=X27=X28=X29=X30=X9=X10=X11=X43=X44=X45。表 3 穿越管道故障树的危险重要度计算结果事件概率重要度事件概率重要度事件概率重要度事件概率重要度X10.042726582983X20.021627035831X30.086508143323X40.086508143323X50.086508143323X60.024528223564X70.024528223564X80.024528223564X150.033759275443X190.00883543537X200.00883543537X210.00883543537X220.00883543537X230.00883543537X240.000000001387X250.000000001387X260.01767087074X310.000000004375X320.000013329957X330.000000001849X340.000000002593X350.000000001179X360.000000001179X370.000000001179X380.000000001179X390.000000001179X400.000000001933X410.000000003833X420.000013331404X460.009231051879X470.009231051879X480.244227258283X490.244227258283穿越管道危险重要系数顺序为X48=X49>X5=X3=X4>X1>X15>X6=X7=X8>X2>X26>X46=X47>X19=X20=X21=X22=X23>X42>X32>X31>X41>X34>X40>X33>X24=X25>X35=X36=X37=X38=X39>X43=X44=X45=X12=X13=X14=X9=X16=X17=X27=X28=X29=X30=X18=X10=X11。4. 结果讨论综合表 13 中的结果，可以得出影响穿越管道的因素按照危险程度由高到低为管道裸露或 悬空、第三方破坏、误操作、腐蚀、缺陷。（1）管道裸露或悬空。如果穿越管道受到人为和自然灾害破坏而裸露或悬空时，水流冲击 和涡激振动最为危险。此时，管道将受到浮力、携带夹杂物的水流冲击及船锚拖曳影响，引起 管道漂浮或刮伤，造成管道上抬、水平推移等变形，随着管道悬空长度增加而产生涡激振动， 引起穿越管道疲劳破坏，最终导致泄露。（2）第三方破坏。危险程度由高到低为洪水灾害、土壤冻结作用、地震灾害，人类盗油以 及船锚拖曳、违章施工和挖砂取石。穿越管道受到洪水灾害、地震灾害和土壤冻结作用，易导 致管道周围土壤稳定性被破坏，如滑坡、蠕动，泥石流、堤岸滑坡或是地震引起土壤液化、塌 陷、管道滑移，将引起管道失效。人类盗油将引起管道油流扰动。此外，穿越管道采用增加管- 6 -道附件质量的稳管措施1，如混凝土（或铸铁压重）、重混凝土连续覆盖层、复壁管注水泥浆、 串联式压重块、抛石压载法、单壁管道混凝土加重层14时，管道一旦裸露或悬空，所加附件引起的重力作用将加剧管道的屈曲变形。（3）误操作。危险程度由高到低为补口措施不当，清管技术、检测技术、巡线技术、事故 抢修技术不成熟、管道数据库不完善以及穿越点选择、强度设计、材料选择、护坡措施不合理。 在穿越管道现场施工过程中，如果补口处密封不严，或者焊接处处理不当，易进水而产生腐蚀， 应采取措施保证补口质量。管道所有者应该建立完整的穿越管道的维护技术。在穿越点进行重 点监测，及时发现各种破坏状况，跟踪自然灾害变化特征，建立远程通讯控制系统。对穿越管 道增加清管频率，采用智能清管技术15，清除管道结垢和结蜡，在线检测管道厚度、腐蚀状况 以及定位各种缺陷等。穿越河流处的护坡措施多采用浆砌块石或混凝土等刚性硬质材料，与原来的环境不和谐， 造成河岸结构发生变化，应该考虑生态型的护岸等多种方式相结合，施工后进行绿色植被恢复 16。同时，加强工作人员的技术培训，对当地居民进行安全教育。（4）腐蚀。危险程度由高到底土壤含盐量，焊接应力、材料抗蚀性差及土壤含气。化学介 质腐蚀、土壤腐蚀、杂散电流腐蚀、细菌腐蚀、应力腐蚀等使管道壁减薄，承压能力下降，最 终导致腐蚀穿孔而泄漏3。在土壤含盐量差异较大地区还要考虑盐浓差电池对穿越管道的加速 腐蚀作用17。原油中含水、硫、硫酸盐还原菌和气等，必须预先脱水、脱气、脱硫、去微生物。 在河流枯水期，采用管道不开挖腐蚀检测技术18，实现管道腐蚀全貌的全程检测。随着防腐保 温层老化、剥离、充水失效，管体腐蚀穿孔现象会越来越频繁，应该综合利用管道探测、防腐 蚀保温层破损点定位、防腐保温层性能评价、阳极倾向点识别和管道剩余厚度检测，评价管道 腐蚀与防护现状，为管道更换、维修与维护提供依据。同时，消除焊接应力和温度应力的应力 腐蚀影响。应定期对管道进行漏磁等多种技术检测。（5）缺陷。危险程度由高到低为管道抗蚀性差，管材制造、管道加工以及管道安装质量、 运输质量、管道埋深不够。在管材的制造和管道的加工过程中，如果产生原始缺陷和施工缺陷， 将降低管道整体强度，直接影响穿越管道的可靠性。应加强管材的出厂质量检测，提高管道加 工过程的工艺水平，对管道的原始缺陷进行超声波检测。控制管道的安装和运输质量，保证管 道的设计埋深。5. 结论（1）建立穿越流河输油管道的故障树模型，通过故障树分析找到穿越管道泄露的薄弱环节， 表明穿越管道与非穿越管道工作环境不同，失效模式也大不相同，在对长输管道进行完整性评 价时，应单独对穿越管道进行专门分析。（2）影响穿越管道泄露的因素按照危险程度由高到低为管道裸露或悬空、第三方破坏、误 操作、腐蚀和缺陷。（3）应该对穿越管道的运行参数进行在线采集、诊断和远程监控，建立穿越管道基础数据 库，以及研究专门的穿越管道在线检测技术，加强管道的保护、监控和维修，提高穿越管道科 学管理水平。（4）穿越管道的检测与维护尽量选择在枯水期进行。加强穿越管道巡检监控技术，尤其是 水下检测技术，并提高巡检频率。选择抗蚀性好的管道，采用不开挖腐蚀检测技术，建立生态 型护坡等措施加强穿越管道的安全。（5）增大穿越管道的设计埋深是避免管道泄露的最好措施。参考文献1任志平.大中型穿越河流输油管道的风险评估.大庆，大庆石油学院，2004. 2苗文成.埕岛海域海底管道隐患分析及治理.石油工程建设，2004，30（3）：48-50. 3任志平，刘青，魏立新，等.穿越输油管道腐蚀因素的模糊评判.大庆石油学院学报，2004，28（1）：16. 4潘家华.关于老龄管道的安全运行.油气储运，2008，27（5）：1-3. 5董玉华，余大涛，高惠临，等.油气管道的故障树分析.油气储运，2001，21（6）：15-17. 6陈利琼，张鹏，梅云新，等.油气管道危害辨识故障树分析方法研究.油气储运，2007，26（2）：18-30. 7易云兵，姚安林，姚林，等.油气管道风险评价技术概述.天然气与石油，2005，23（3）：16-19. 8郑贤斌，陈国明.基于 FTA 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The pipeline tends to be wrecked, eroded or misoperated by the third party. Once the pipeline is naked or half-hanged, it can be easily dragged by anchors or impact by river current. While the whorl-aroused vibration caused by the over-permitted stride of the hanging pipeline can finally leads to the rupture or the fatigue wreck. The special FTA model is established, in which the failure probability, the probability and the danger importance degree of the basic event are calculated. Analyzing the failure model of the leaked or ruptured traversing pipeline, 22 minimal cut sets of 1st rank, one of 2nd rank and 39 of 3rd rank are acquired The calculation shows that: the total failure probability of the traversing pipeline is 3.79155 × 10-3. Since the FTA analyzing results of the traversing pipeline and common pipeline are sharply different, the traversing pipeline should be assessed individually in the integrity assessment.Keywords: River-traversing oil pipeline; FTA; Failure analysis; Integrity assessment