长输管道设计可靠性分析与方案优化

陈红山

摘 要：当前，天然气用量在逐年递长，对长输管道的需求也在不断增加，据此，未来几年中，大输量管线的建设将会层出不穷。与此同时，主干线路的设计输量普遍达到300亿/立方米，也标志着国内输气管道建设新时代的到来，更加需要进一步提高输送效率，满足日新月异的要求。这些新的科学技术的出现必然带来了管道从设计、施工到运行各个过程中的一系列的可靠性问题，需要引入新的基于可靠性的设计技术。

关键词：天然气管道;管道设计;可靠性问题;优化方案

天然气管道迅速发展，必然带来了管道从设计、施工到运行各个过程中的一系列的可靠性问题。本文介绍了新的基于可靠性的设计方法的原理和特点，通过与传统方法的对比表明其优越性，同时对国内外研究情况进行了详述，提出了本设计方法的研究重点和具体实施流程，并对其未来应用的前景进行展望。

1国内外研究现状

1.1国内研究进展

随着我国经济的高速发展，天然气需求量与日俱增，必须大力发展超大输量管道，而为此提出的提高设计系数、增大管径、提高钢级等技术手段都需要使用基于可靠性的设计和评价方法，比如目前天然气管道一级地区已经进行了0.8设计系数的相关研究，成果斐然，设计者调研管材性能指标等基础数据，同时结合实际施工和运行水平，评价以保证管道的安全可靠运行。同时，国内刚刚将ISO 16708-2006-Petroleum and natural gas industries-Pipeline transportation systems-Reliability-based limit statemethods等同采用为国标，正式将可靠性设计的理念引入到国内管线的设计中，但是，由于该标准仅仅从定性角度对该理念进行阐述，距离真正在国内天然气管道中使用，还需要更多深人的研究。

1.2国外研究进展

早在20世纪70年代，国际上就已经着眼于由于管道在设计、施工和运行中的不确定性因素造成的管道安全的影响，并提出了相应的基于可靠性的设计方法和标准。比如加拿大的油气管道标准CSA 2662（2007）、挪威船级社的DNV-OS-F101（2000）、（（ Petroleum and natural gas

industries-Pipeline transportation systems-Reliability-basedlimit state methods ））（ISO 16708-2006）都纳人了可靠性设计的相关内容，同时其对国内输气管道的适应性也有待进一步研究。加拿大C-FER公司从20世纪90年代开始进行有关管道的可靠性问题的研究，并取得了广泛的研究成果，也开发了诸如PRISMPYRAMID可靠性计算分析软件，软件采用蒙特卡洛迭代算法，通过高频次循环，以求解随时间变化带来的管道可靠性变化问题，并在多条北美管道建设及评价中得到了應用。总之，国外相比国内研究开展较早，技术相对成熟，但目前仍处于不断完善阶段。

2方法概述

当前，陆上天然气管道普遍采用基于应力的设计方法，该方法将材料、制造、施工、运行等方面的不确定性，均考虑在统一的安全系数中。该系数的确定主要依靠设计人员的经验和风险定性评估的结果，目前已被行业规范，甚至法律、法规所采纳。尽管这种方法有着直观、简单、便于应用、为人们广泛接受等优点，但是随着人们对管道材料认知、失效机理的理解日益加深，管道服役环境的日益复杂，其局限性也日益显著。如：1）推荐使用的安全系数不能完全反映管材性能水平，其有效性无法证实和量化;2）管道运营维护技术和运行作业的进步不能完全考虑;3）服役环境，如地震、滑坡等地段的设计不能全部纳入其中;4）对由于技术进步带来的超出规范要求的部分无法考虑。

为此，需要寻求更加合理的设计方法，基于可靠性的设计方法的实质是针对天然气管道，通过大量的调研数据，制定合理的目标可靠度作为衡量依据，同时对新建管道中的不确定因素进行定量分析，并利用分析结果，使用概率的方法计算安全可靠度，再与目标可靠度比较并进一步修正设计，最终得到最安全合理的设计方案。

3方法流程

天然气管道基于可靠性设计方法的核心是目标可靠度的确定、不确定性参数的分析、极限状态方程的选择和建立、可靠度的计算。本文针对该方法在实际应用中的特点，与各地区等级、环境下的管道假设具体情况相结合，天然气管道使用可靠性的设计方法要通过5个步骤：首先，采集基本数据，为了准确有效的对阶段进行分析研究，需要对该段线路的数据，并对数据进行相关概率分析，明确输入条件其次，定义可靠度目标：作为可靠度设计的衡量依据，根据管道全生命周期各阶段所面临的问题，设计中而要考虑全部三种类型的极限状态，即UfS（即极端极限状态）、LLS（泄漏极限状态）与SLs（服役极限状态）。对以上3种状态的分析可确保最终的设计能够使得管道在其整个寿命周期内，可满足所有极限状态类可靠性目标。

再次，极限状态的选用：在与所考虑的管线及其运行条件相联系的载荷条件的基础上，明确识别与给定管道相关的极限状态。根据目前管道中面临的问题列出主要的极限状态的列表，然后根据程序确定这此极限状态是否适用于本次管道的设计：首光根据从本数据提供的自然条件和社会条件的概况，判断有哪种极限状态适用于该管道如果与主要道路和高速公路并无交叉则不考虑管道覆层表面载荷过载的极限状态;或者在管道线路上没有不稳定斜坡，则不考虑边坡失稳的极限状态。若线路中不通过含富冰土壤的地区则不号虑冻胀的极限状态;同时。类似地上管道横跨、风载等不适合埋地管道情况。也予以排除。其次，在适合的极限状态中考虑全生命周期内哪些是可以通过其他的特定的操作手段予以解决的。尤其注意运输阶段和施工阶段的多个极限状态，经过定性定量分析后，将认为可以解决的极限状态排除，但需提出具体的解决措施最后在上述两个步骤之后。得到最终管道设计的主要极限状态列表，并以此为基准进行计算。

4结束语

本文研究介绍了天然气输送管道应用基于可靠性方法的具体步骤。该流程给出了为满足管道设计与运行安全性，必须实行的具体步骤以及各步骤的详细研究内容，按照所述过程，可以用于指导未来更高钢级、更大管径和更高设计系数的管道可靠性设计方案的制定和优化，并可以为管材生产、施工安装和运行维护等提出相关改进建议，以便确保管道的可靠度水平，在保障管道安全运行的前提下可以带来明显的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 海底管道可靠性设计方法及施工程序编制方法[J]. 徐东永.中国新技术新产品. 2016（04）