管径1422mm、X80管道的风险水平北大核心

为了研究管径增大对天然气管道安全可靠性的影响,分析管径1 422 mm、X80管道方案的可行性,基于管道风险评估理论,从止裂韧性、潜在危害影响范围、临界缺陷尺寸、刺穿抗力、失效概率、个体风险及运行风险等方面,对比分析了0.72设计系数下管径1 422 mm、X80管道与0.72和0.8设计系数下的1 219 mm、X80管道的风险水平。结果表明:在同等运行条件下,与设计系数为0.8和0.72、管径1 219 mm、X80管道相比,设计系数为0.72、管径1 422 mm、X80管道临界缺陷尺寸和刺穿抗力有所提高,外腐蚀和设备撞击引起的管道失效概率有所下降,潜在危害影响区域半径增大,对应的失效后果可能增加,总体风险水平相应提高,但相差不大。研究结果可为大输量管道方案优选提供决策依据,为管径1 422 mm、X80管道工程设计与建设提供技术支撑。     

西三线0.8设计系数段环焊缝容许缺陷尺寸

为减少管材用量、降低工程造价,西三线27#阀室一烟墩压气站间300 km管道采用了0.8设计系数,相比以往的0.72设计系数,管道的安全设计系数由1.39降为1.25,管道环向应力水平相比提高11.5％.针对0.8设计系数的上述特点,在介绍目前国内外管道环焊缝焊接缺陷确定方法的基础上,重点对相关方法和检测标准进行对比和差异分析.基于西三线0.8设计系数段的实际工况,采用API 1104-2005标准中推荐的工程临界评估（ECA）方法,计算分析了管道环焊缝的容许缺陷尺寸,认为西二线无损检测规范规定的容许缺陷尺寸可以适用于西三线0.8设计系数段.     

输气管道一级地区采用0.8设计系数的可行性

介绍了国外输气管道一级地区设计系数应用现状.分析了提高设计系数对天然气管道可靠性的影响,结果表明:尽管提高设计系数会导致管道失效概率和运行风险的提高,但仍在可接受的范围内.统计了西气东输二线用X80钢管性能情况,结果表明我国管材质量已经达到国际先进水平,为一级地区提高管道设计系数提供了前提条件.通过研究提出了0.8设计系数管材关键性能指标及质量控制要求.依托西气东输三线工程,加快开展0.8设计系数示范工程的建设及GB50251-2003《输气管道工程设计规范》的修订工作,为今后天然气管道采用0.8设计系数的全面工程化应用奠定基础.     

现行设计系数对中俄东线OD 1422mm管道的适用性

中俄东线天然气管道工程是大口径(OD 1 422 mm)、高压力输气管道,涉及新工艺、新管材的应用,按照目前我国管道设计标准规定的设计系数确定的管道壁厚能否保证管道安全运行,是其设计过程中的技术难题之一。利用我国天然气管道可靠性设计与评价技术研究成果,结合中俄东线OD 1 422 mm管道途经地区等级、管材性能、建设及运行维护参数,依据现行设计系数计算得到中俄东线天然气管道工程的3种管道壁厚分别为21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm。基于可靠性方法对管道失效概率进行计算分析,得到极端极限状态下管道失效概率分别为1.27×10~(-7)次/(km·a)、3.66×10~(-10)次/(km·a)、3.53×10~(-15)次/(km·a),均满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求,表明按现有设计系数计算得到的管道壁厚对OD 1 422 mm管道设计是适用的,能够保障管道建成后安全平稳运行。     

外径1422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造关键技术

为了满足能源战略的需要,在中俄东线天然气管道工程中采用大口径(外径1 422 mm)、高压力(12 MPa)、高钢级(X80)管道进行超大输量天然气输送。随着管径、输送压力、钢级、设计系数的不断提高及环境温度的降低,管道整体式绝缘接头的设计制造难点成为研究重点。为此,通过对外径1 422 mm X80管道整体式绝缘接头的研制、高寒地区整体式绝缘接头关键技术的研究及大型水压+弯矩试验装置建造等技术创新,填补了国内空白,形成了外径1 422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造成套技术与装备,对中俄东线天然气管道工程建设具有重要意义。(图5,表3,参20)     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标北大核心

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

基于可靠性设计方法的长输管道选材方案

针对国内某长距离通过多年冻土地区管道的选材问题,在经济、技术方案比选的基础上,基于管道的可靠性设计,结合管道的失效原因、失效类型和极限状态分析,对X52、X60钢级的管道抗力进行分析,认为X52钢级、9.5 mm壁厚管道的抗力水平整体明显高于X60钢级、8.7 mm壁厚管道,除抵抗第三方机械挖掘破坏刺穿能力相当外,其他方面的性能优势明显,尤其是极限拉伸应变和压缩应变,分别提高了17%和31%。利用材料、施工和运行维护不确定性参数,采用蒙特卡洛方法,定量计算X52、X60管道在腐蚀和第三方机械挖掘破坏情况下的失效概率水平,结果显示采用X52钢级方案管道失效概率远小于采用X60钢级方案。在费用增加约3.5%的情况下,基于管道的安全可靠性考虑,设计推荐采用X52钢级、壁厚9.5 mm方案。     

含缺陷压力容器与管道泄漏失效风险分析

针对含缺陷压力设备的断裂失效分析模式,考虑缺陷尺寸、疲劳裂纹的随机扩展以及材料机械性能的随机特性,计算压力容器和管道泄漏失效概率、临界裂纹尺寸预测失效点的泄漏口面积,分析泄漏及其引起的火灾爆炸事故的特点,运用事故模型定量计算事故后果严重度,并综合考虑设备的失效概率和失效后果,构建了一个完整的含缺陷受压设备风险评价方法,并结合工程案例进行了阐述.     

含缺陷压力容器与管道泄漏失效风险分析

针对含缺陷压力设备的断裂失效分析模式,考虑缺陷尺寸、疲劳裂纹的随机扩展以及材料机械性能的随机特性,计算压力容器和管道泄漏失效概率、临界裂纹尺寸预测失效点的泄漏口面积,分析泄漏及其引起的火灾爆炸事故的特点,运用事故模型定量计算事故后果严重度,并综合考虑设备的失效概率和失效后果,构建了一个完整的含缺陷受压设备风险评价方法,并结合工程案例进行了阐述.     

0．8设计系数下天然气管道用焊管关键性能指标

研究了0．8设计系数下天然气管道用焊管满足断裂控制要求的母材和焊缝韧性指标,评估了钢管100％SMYS水压试验的可行性。对于采用0．8设计系数、直径1219mm、设计压力12MPa的天然气管道,为防止钢管启裂,要求焊缝夏比冲击韧性最小平均值为80J;为满足管道止裂要求,要求钢管母材夏比冲击韧性最小平均值为260J。对管径为1219mill的X80钢管批量生产屈服强度数据的统计分析和评估结果表明：X80钢管进行100％SMYS工厂水压试验是可行的,但需要优选板材和钢管性能稳定的供货商,并严格进行水压试验后的钢管几何尺寸检测。（表4,图5,参6）     

基于可靠性的小口径天然气管道设计方案优选

基于可靠性的设计方法针对管道实际失效形式,对不同极限状态的荷载和抗力等不确定因素进行定量分析,确保管道安全可靠。全生命周期费用的比选可权衡管道耗材、施工、运行维护及失效后果,在保证安全的前提下,实现管道经济性最优。针对管径273 mm的某天然气管道,首次采用基于可靠性的设计方法进行钢管壁厚设计。利用调研得到的管道材料、施工及运维等不确定参数,计算目标可靠度下的临界壁厚;根据规格壁厚的规定,分别对5.2 mm、5.6 mm、6.4 mm及7.1 mm壁厚方案的全生命周期费用进行定量计算分析。结果显示:5.2 mm方案的建设期和运营期费用最低,但失效概率大导致其潜在损失费用明显高于其他方案;6.4 mm方案的全生命周期费用最低,30年总费用比5.2 mm方案低0.51%。基于管道安全可靠性和经济适用性的综合考虑,推荐采用壁厚6.4 mm方案。     

西气东输三线0.8设计系数试验管段试压的可靠性

西气东输三线西段一级地区的某段300 km天然气管道是中国首次采用0.8设计系数的管道,体现了中国管道设计建设水平。设计系数从0.72提高至0.8,管道壁厚减薄,为了保证管道安全运行,需要对管道进行高强度试压。提出一种基于可靠性的试压评价方法,采用蒙特卡罗技术进行可靠性分析,将现场实际和极限状态理论模型结合,对设计系数为0.8的试验管段进行实际静水压试验。基于可靠性的试压评价方法有利于保障试压的安全性和有效性。(图1,表3,参20)     

成品油管道周边区域个人风险分析

为了对成品油管道周边区域个人风险水平进行量化计算,建立了成品油管道个人风险计算模型,并给出了计算流程。成品油管道个人风险计算模型设定了各类危害因素的管道基准失效频率,采用对基准失效频率修正的方法计算管道失效频率;根据管道泄漏孔尺寸,将管道泄漏类型分为微孔泄漏、中孔泄漏、管道破裂泄漏3类;对管道失效危害后果进行计算,主要包括泄漏速率、引燃概率、火灾热辐射、热辐射伤害。在管道失效频率和失效危害后果计算的基础上,计算得出管道周边区域个人风险,并明确其是否处于可接受水平。该模型计算个人风险需要依赖于管道失效数据库的事故统计,建议加强中国油气管道失效数据库建设。(图3,表5,参20)     

X80大口径三通低温断裂韧性试验

油气管道站场用管要求具有较高的低温抗断裂性能,尤其是三通等管件的壁厚较大,尺寸效应显著。为了确定低温服役的X80大口径三通的适用温度和壁厚,通过夏比冲击、落锤撕裂和三点弯曲试验研究了X80大口径三通的低温断裂韧性和尺寸效应,并利用失效评估图技术进行安全评估。结果表明：X80大口径三通具有较好的低温夏比冲击性能,但抵抗低温裂纹长程扩展的落锤撕裂性能较差。试验温度高于-20℃时,随着壁厚增大,DWTT断口剪切面积减小,在20℃、0℃和-10℃试验温度下的50％剪切面积临界壁厚分别为26mm、25mm和22mm。利用三点弯曲试验测得的低温断裂韧度计算的X80三通失效评估点均在安全区域内,而且有一定的安全裕量。（图7,表3,参12）     

水砂射流冲蚀作用下临近燃气管道可靠性

为研究水砂射流冲蚀作用导致临近燃气管道的失效概率,分析了管材的临界应变与砂粒在管壁表面形成塑变脊的影响,推导出冲蚀磨损率预测方程。利用Fluent 软件模拟计算水管泄漏射流速度、冲蚀面积分布,并结合冲蚀磨损率预测方程构建冲蚀磨损速率方程。最后基于最小壁厚准则,建立了燃气管道失效概率的计算方法。研究结果表明:①通过临界间距判定分析,可获得不同水管内压、冲蚀时间下的临界间距;②增大水管内压、冲蚀时间、砂粒粒径,减少管道间距、管道壁厚均会导致燃气管道的失效概率增大,其中,管道间距对失效概率影响最为显著。研究结果可为失效场景定量风险评估以及水管与燃气管道并行敷设的间距设计提供参考。     

基于改进风险矩阵法的中俄东线高后果区风险评估

中俄东线天然气管道工程(黑河—长岭段)干线(简称中俄东线)是中国首条直径1 422 mm、X80M的大口径、高钢级输气管道,其沿线高后果区数量多、情况复杂且缺少可借鉴的工程数据。为了准确评价中俄东线风险,提出了一种改进的风险矩阵法,其采用定量分析方法确定了黑河—长岭段干线18个高后果区的失效可能性和失效后果等级,进而结合风险矩阵明确了中俄东线既定路由高后果区的风险等级为Ⅰ～Ⅱ级,风险水平可以接受,论证了目前管道路由的合理性。     

中俄东线站场X80异径三通低温韧性指标的确定

针对中俄东线站场低温环境(-45℃)用X80异径三通断裂控制问题,考虑三通的壁厚效应、结构的应力集中等影响,建立含缺陷X80异径三通有限元模型,应用BS 7910-2019《金属结构裂纹验收评定方法指南》和API 579-1/ASME FFS-1-2016《合于使用》中的失效评定方法,计算X80三通管体及焊缝的启裂韧性,通过断裂韧性与夏比冲击功关系式,确定了-45℃下X80三通夏比冲击韧性指标。结果表明:三通焊缝断裂韧性应大于37.79 MPa·m~(1/2),夏比冲击功单个最低值不小于32.22 J;三通管体肩部内表面应力强度因子最大,其断裂韧性应大于42.46 MPa·m~(1/2),夏比冲击功单个最低值不小于38.85 J。结合国内外管件标准要求,确定了中俄东线天然气管道工程用直径1 422 mm×1 219 mm的X80异径三通的低温韧性指标。(图5,表3,参19)     

长输天然气埋地并行管道泄漏爆炸的安全间距

针对长输天然气埋地并行管道泄漏爆炸造成临近管道破坏的问题,采用光滑粒子流体动力学方法与有限元方法耦合模型对爆炸冲击波作用下并行管道结构响应及其安全间距进行研究。结果表明:爆炸对并行管道破坏形式为直接地冲击波超压破坏和土壤塑性挤压破坏,后者是主要作用。并行管道迎爆面正对爆心处受爆炸影响最大,最易发生失效破坏。X80钢材,外径为1 219 mm,压力为12 MPa,壁厚为22 mm的长输天然气埋地管道安全并行间距为10 m;其他条件相同,壁厚为26.4 mm、27.5 mm的长输天然气埋地管道安全并行间距为9 m。从安全生产的角度来讲,长输天然气埋地管道并行敷设时,应该优先考虑增大并行间距,其次为增加管道壁厚。     

输油管道超设计压力运行的几个关键问题

为保证输油管道超设计压力运行的安全,针对钢管力学性能、管道临界缺陷尺寸、环焊缝质量验证3个影响管道承压的重要因素,在管道沿程压力计算基础上,开展了管材小试样屈服强度统计与试验、钢管实物屈服强度与小试样屈服强度差异性分析、管道临界缺陷尺寸计算与内检测精度分析、环焊缝性能验证方案的研究。研究表明:钢管实物屈服强度与管材最小要求屈服强度之比即为最大运行压力与设计压力之比;由于压力升高,管道运行时允许的缺陷尺寸减小,其中大于临界尺寸的缺陷应保证被现有管道内检测器发现,否则应降低运行压力从而增大临界缺陷尺寸值;超设计压力运行前,应进行一次相应强度的现场试压,排除环焊缝异常。