油气管道腐蚀剩余寿命预测方法的研究进展

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  [摘 要]本文主要对油气管道腐蚀剩余寿命的预测方法进行了探讨,主要有基于概率统计方法、马尔可夫链理论、结构可靠度分析法、剩余强度理论的管道腐蚀剩余寿命预测方法等。本文对这些方法进行了简单的介绍和讨论,同时指出管道腐蚀剩余寿命预测时应需注意的问题,并提出系统性、可靠性和经济性是油气管道腐蚀剩余寿命预测的发展方向。
  [关键词]油气管道 腐蚀 剩余寿命 预测方法
  The research progress of corrosion residual life prediction method of oil and gas pipelines
  Cui Yuedong1 Wang Changyou1 Liang Kaiwu1 Li Sen1,2
  (1.College of Safety Engineering of Chongqing University of Science & Technology,Chongqing,401331)
  (2.Chinahuanqiu Contracting & Engineering Corp,HQCEC,Beijing,100000)
  [Abstract]The oil and gas pipeline corrosion residual life prediction methods are mainly discussed in this paper.There are these pipeline corrosion residual life prediction methods,mainly based on the probability and statistics method,Markov chain theory,the theory of structural reliability analysis,the theory of residual strength,etc.In this paper,the methods have been carried on the simple introduction and discussion.At the same time,the paper points out that the questions should be paid attention to when the pipeline corrosion residual life is predicted.And it puts forward the systematicness,reliability and economy are the development direction of oil and gas pipeline corrosion residual life prediction.
  [Key words]oil and gas pipeline;corrosion;residual life;prediction method
  中图分类号:Y65 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)07-0302-02
  引言
  目前,国内绝大部分油气管道已步入中老年期。随着使用时间的递增,管道外壁与防腐涂层之间的粘合力有可能逐渐丧失,防腐涂层有可能老化、龟裂甚至剥离,土壤腐蚀性介质浸入,从而为腐蚀的发生、发展提供了条件,管道遭受腐蚀的可能性就大为增大。带有腐蚀缺陷的管道在运行中随时会发生破裂而导致泄漏,从而导致火灾、爆炸等恶性事故的发生,造成巨大的财产损失,甚至人员伤亡。但是,对有腐蚀缺陷的管道盲目地进行更换或维修则又会带来巨大的浪费。因此,需要对管道的腐蚀剩余寿命进行预测,即通过预先判断管道的腐蚀剩余寿命,从而事先制定合理的检测和维修周期,做到预防事故的发生和避免因过早更换管道而造成的不必要的浪费,并对降低管道腐蚀穿孔泄漏事故发生的概率和由此带来的经济及资源损失具有巨大的重要性。本文主要对管道腐蚀剩余寿命的预测方法进行了探讨,并指出了管道腐蚀剩余寿命预测需注意的问题,及以后的发展方向。
  1.腐蚀剩余寿命预测方法
  寿命预测是以管道当前实际环境和工况下,能够稳定安全运行的时间,用于指导管道维检修和更换周期。腐蚀寿命预测研究起步较晚,美国于1983年率先对这一领域进行探索,我国于1990年后也开始这一方面的研究[1]。目前在建立腐蚀寿命预测模型方面并没有出台统一标准,但科学研究者们开展了许多这方面的工作,取得了一些成果,其主要预测方法有:
  1.1 概率统计方法
  埋地管道表面多见局部腐蚀和孔蚀。而导致管道腐蚀穿孔的往往是最深的点蚀区域,当管道最深的点蚀坑深度超过了管道允许的最大腐蚀深度,管道就有可能发生腐蚀穿孔,导致事故的发生。因此,管道局部发生的最大点蚀深度决定了管道的使用寿命,而不是管道平均腐蚀深度。Evans认为腐蚀的本质具有概率特征,而在局部腐蚀中,这种概率特征更加明显。后来腐蚀工作者根据这一结论提出了利用概率统计的方法来预测埋地管道的剩余使用寿命[2]。基于概率统计的极值分布规律的剩余寿命预测模型,在前期腐蚀数据采集时,需要采集大量检测数据,然后将采集到的腐蚀数据进行统计筛选,最后预测时,要考虑外防腐层的失效时间。目前国内概率统计方法已经广泛应用于管道剩余寿命预测中,张斌、梁成浩、杨静、翟云浩[3-6]分别应用概率统计方法预测长输管道、化工设备、油气田集输管道的腐蚀寿命。
  1.2 马尔可夫链理论
  俄国著名社会学家、数学家马尔可夫在利用数学方法研究事物发展过程时,于1906-1912年提出了马尔可夫过程,即在已知当前事物所处的状态,事物发展的未来状态与过去状态无关[7]。马尔可夫过程的优点在于只要掌握事物的现在状态,就可以预测其未来的状态,故马尔可夫过程具有无后效性,这使得马尔可夫过程广泛应用于经济学、生物学、医学、意外事故等方面。国外学者Kleiner Y[8]利用威布尔概率模型和马尔可夫链模型建立了管道寿命预测模型。国内学者袁庚[7]利用马尔可夫过程建立了大连新港油气管道的寿命预测模型,利用马尔可夫决策过程给出大连新港油气管道的维修方案;李恒[9]利用马尔可夫链建立油气管道外防腐层劣化模型,预测了防腐层剩余寿命。   1.3 结构可靠度分析法
  可靠度函数分析法首先对管道的材料,腐蚀缺陷尺寸和腐蚀发展规律进行统计,然后得出管道失效的概率分布,根据管道实际位置,设置目标可靠度,最后确定管道维修方案和检测周期[10]。美国天然气管道公司在前人研究成果的基础上,于2006年成功开发了NOLAN软件(系统故障树分析软件),该软件广泛在管道安全分析中应用,通过对管道多次反复分析,可以大大提高发现管道危险情况的概率。我国管道工程专家潘家华[11]于1988年首次将断裂力学与管道安全研究中,并且在1995年将W.Kent Muhlbauer 撰写的《管道风险管理手册》引入到我国。张都清[12]等于2001年利用可靠性函数分析法对发电厂主蒸汽管道进行寿命预测;罗金恒[13]于2006年采用结构可靠性理论,成功预测了新疆红浅油气管道的腐蚀剩余寿命。
  1.4 剩余强度理论
  管道剩余强度分析是基于先进的智能检测设备和力学理论评估管道剩余壁厚的承压能力。国外在这方面的已经形成了一系列的标准,我国使用这些标准在埋地钢制管道剩余寿命预测上开展了许多工作。基于剩余强度经验公式的管道寿命预测模型,该模型需要收集管道材质和尺寸等基本信息,采集管道腐蚀数据,包括腐蚀深度和腐蚀轴向长度,一般忽视周向腐蚀对管道的影响,而随着腐蚀的进展,其腐蚀深度和腐蚀轴向长度同时变化,利用C语言编程求解,结合腐蚀速率模型,管道剩余强度因腐蚀减薄会不断下降,最终如果管道承压能力不能超过工况压力一定程度时,管道会处于爆管的危险中,此时即为管道的使用寿命。
  2.腐蚀剩余寿命预测需注意的问题
  (1)目前腐蚀寿命预测方法都是通过历史的检测数据,利用合理的数学模型进行预测,这种预测在短时间内有较好的可信度,随着预测时间的延长,预测的可信度不高。
  (2)由于埋地管道所受腐蚀因素影响极为复杂,导致同一条管道不同位置腐蚀情况也有很大不同,而同一条管道的不同位置对管道的安全性的影响也不相同。因此,对管道进行寿命预测时要遵循分段预测原则,要重点预测对管道安全运行影响较大的位置、腐蚀速率较快的位置和土壤腐蚀性较强的位置。
  (3)不同区段管道的腐蚀情况各不相同甚至出现差别很大其原因是复杂的,因为不同位置管道的腐蚀环境和机理是大不相同的。以管道内腐蚀为例,腐蚀主要与原油中二氧化碳气体和硫化氢气体含量、管道内积水中阴阳离子种类和总矿化度、含有微生物数量等有关。对油田站间集输管道而言,里面原油是经联合站油水分离工艺处理后输送的,管道内部的水含量极少,只有在管道低洼处、阀门弯头等地方会有少量积水存在,会发生轻微的内腐蚀,所以对油田站间管道而言,其腐蚀形式以土壤腐蚀为主。
  (4)管道被土壤腐蚀的破坏程度受下面几个条件作用:其一,当老龄油气管道使用到一定年限,防腐层会逐渐与管道剥离,此时土壤中的腐蚀性物质会直接作用在钢制管道的外壁上,所以程度上跟防腐层与管道剥离的时间和腐蚀物质接触管壁的时间有关。其二,防腐层与管体剥离后,腐蚀程度也跟防腐层的破坏程度和土壤的腐蚀性有关。其三,还跟管道沿程是否穿越不同土质的土壤,阴极保护能否为管道提供完全保护,管道周围是否有杂散电流,环境温度高低有关。总而言之,正是由于腐蚀因素的错综复杂,导致了同一条管道的不同位置腐蚀程度、类型大不相同。
  3.腐蚀剩余寿命预测发展方向
  国内外在管道腐蚀剩余寿命预测研究上,目前已经取得了一系列有用的成果,但至今还没有制定统一的腐蚀寿命预测标准和规范性的研究准则,使得管道腐蚀剩余寿命的预测方法之间彼此相互独立。因此腐蚀剩余寿命预测研究的系统性问题,是亟待解决的关键问题,也是腐蚀剩余寿命预测以后重点的研究方向。
  虽然已经存在一些先进的检测仪器和数据分析方法及手段,但是因为管道腐蚀剩余寿命预测是一个一直变化的过程,使得腐蚀剩余寿命预测的准确性难以得到保证。而且每种预测方法都存在一定缺陷,往往通过综合使用多种预测方法,可以大幅提高管道腐蚀剩余寿命预测的准确性,从而确保预测方法的可靠性。很显然,管道腐蚀剩余寿命预测研究的可靠性,也将是在该领域的科研工作者们以后主要的攻克方向。
  另外,检测腐蚀缺陷所要付出的费用通常很高,这使得腐蚀剩余寿命预测的深入研究受到了一定的限制,因此,经济性方面的问题,即如何花费较低的费用去完成腐蚀寿命的研究,也是科研工作者们今后需要着重开展研究的方向。
  4.结束语
  国内外在管道腐蚀剩余寿命预测的研究上正在不断地向前发展,目前已经产生了比较有益的腐蚀剩余寿命预测的研究方法,但每种腐蚀寿命预测方法都存在一定的缺陷,在腐蚀剩余寿命预测上还有一些应注意的问题,因此需要管道腐蚀科研工作者们继续在管道腐蚀剩余寿命预测的系统性、可靠性和经济性上深入地展开研究,使得腐蚀剩余寿命的研究更加科学合理。
  参考文献
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  [6] 翟云皓,郭兴蓬,曲良山,等.集输管道腐蚀评价及剩余寿命预测[J].油气田地面工程,2006,25(4):47~48.
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  [12] 张都清,丁辉,张广成,等.基于可靠性的电厂主蒸汽管道的寿命评定[J].中国电机工程学报,2001,21(4):66~69.
  [13] 罗金恒,赵新伟,张华,等.腐蚀管道剩余寿命预测方法[J].管道技术与设备,2006(5):37~40.
  基金项目
  国家自然科学基金项目(91024031);重庆科技学院研究生科技创新项目 (YKJCX2014041)
  作者简介
  崔月冬(1990— ) ,男, 江苏东台人, 重庆科技学院在读硕士研究生, 研究方向为安全技术及工程。
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