管道完整性管理.ppt

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1、,油气管道完整性管理及其关键技术,一、油气管道失效事故、失效模式和失效原因 二、油气管道完整性管理的概念、内涵和意义 三、油气管道风险评价 四、基于风险的管道检测 五、油气管道适用性评价 六、管道补强修复技术 七、GIS技术和数据库 八、管道地震和地质灾害评估技术,提纲,一、油气管道失效事故、失效原因和失效模式,1、油气管道失效事故 管道运输是石油、天然气最经济、合理的运输方式。 由于石油、天然气的易燃、易爆性和具有毒性等特点，管道的安全运行非常重要。 油气输送管道长时间服役后，会因外部干扰、腐蚀、管材和施工质量等原因发生失效事故，导致火灾、爆炸、中毒，造成重大经济损失、人员伤亡和环境污染。,

2、1、油气管道失效事故 20世纪50年代以来，随着油气管道的大量铺设，管道事故屡有发生，并造成灾难性后果。 迄今为止，破裂裂缝最长的管道失效事故是1960年美国的Trans-Western公司的一起输气管道脆性破裂事故，这条管道管径30in，钢级X56，裂缝长度达13km。 损失最惨重的是1989年前苏联乌拉尔山隧道附近的输气管道爆炸事故，烧毁两列列车，伤亡1024人（其中约800人死亡）。,1994年美国新泽西州发生了天然气管道破裂泄漏着火事故，400500英尺高的火焰毁坏了8 幢建筑。破裂处曾发生过机械损伤，壁厚减薄。,1999年美国华盛顿发生一起汽油管道破裂事故，25万加仑汽油流入河中并着

3、火燃烧，导致3人死亡。破裂是从有机械损伤处开始的。内检测曾检测出此缺陷，但未及时处理。,2000年8月美国新墨西哥州发生天然气管道爆炸着火事故，造成12人死亡。这段管线于1950年建造，在破裂处可以发现明显的内腐蚀缺陷。,2004年7月30日，比利时布鲁塞尔以南40公里处发生一起天然气管道爆炸着火事故，造成21人伤亡。管道钢级为X70，管径36”,壁厚10mm。系第三方损伤引起。损伤尺寸为长280mm、深7mm，损伤处剩余壁厚3mm。,2004年陕京线榆林神木附近发生天然气泄漏，系第三方损坏,幸无人员伤亡.,茂名石化输油管爆破抢险现场,国内某输油管线腐蚀破裂，大量原油泄漏情况,原油泄漏造成农田

4、毁坏和环境污染情况,2、油气管道失效模式,失效模式是失效的表现形式。 油气管道的失效模式主要包括：断裂、变形、表面损伤三大类。,陕京管线某处山洪爆发导致管道悬空，造成屈曲和振动疲劳破坏,2、油气管道失效原因,第一是外部因素52%,施工、材料缺陷是第二位原因（19.13%),第三是腐蚀 13.91%,地基移动、误操作和其它原因分居第46位,欧洲天然气管道不同事故比例图,美国运输部1996-1999 事故原因统计 (%),国内90年代以前输气管道不同事故比例图,国外在上世纪60年代末期就开始注意在役管道的检测和剩余强度评价，并逐步把它纳入压力管道标准。 上世纪90年代，随着国际上对管道运行经济性和

5、安全性兼顾的要求越来越强烈，欧美等发达国家提出了管道适用性评价和风险评价的概念。 经过10余年的发展，已形成许多的评价标准和规范。之后，2001年，API和ASME提出管道完整性管理的概念，并颁布了有关的标准和规范。目前，油气管道完整性管理已成为管道工程领域的热点。,二、油气管道完整性评价的概念、内涵及意义,为了增进管道的安全性，美国国会于2002年11月通过了专门的H.R.3609号关于增进管道安全性的法规，2002年12月27日布什总统签署生效。 H.R.3609号法规第14章中要求管道公司在高风险区（HCA）实施管道完整性管理。 美国运输部制定了在管道高风险区实施完整性管理CFR42 P

6、ART195 ASME B31.8 S2001：是对ASME B31.8的补充，也是输气管道完整性管理的标准。 API RP1160：管理危险液体输送管道完整性管理推荐做法,油气管道完整性是指油气管道始终处于完全可靠的服役状态： 在物理上和功能上是完整的； 处于受控状态； 运行商已经并仍将不断采取措施防止事故发生。 油气管道的完整性管理是指对所有影响管道完整性的因素进行综合的、一体化的管理。,1、管道完整性的定义,2、管道完整管理的技术内涵,油气管道的完整性管理是指对所有影响管道完整性的因素进行综合的、一体化的管理。 图2.1 给出了油气管道完整性管理的流程和技术内涵。,图2.1 油气管道完整

7、性管理流程,3、管道完整性的几个关键技术,油气管道完整性涉及的关键技术 管道风险评估技术 基于风险的管道检测技术 管道适用性评价技术 管道补强修复技术 数据库和地理信息系统 地震和地质灾害评估和预警技术,三、管道风险评价技术,风险定义为失效（或危险）后果（用C表示）和失效可能性（用F表示）的乘积。对一种情况的风险：,Risks=Cs Fs,失效可能性指失效的概率； 失效后果主要有：经济损失、人员伤亡、环境破坏,风险值的单位是死亡人数/年或损失资金/年 风险评价也称风险排序，包括识别风险（潜在隐患）的来源，评价各种失效的可能性和失效后果的严重度。 风险评价的方法分为定性、定量两种，二者之间的称为

8、半定量方法。,定性风险评价方法 各国比较通用的作法是将失效可能性和失效后果的严重性列入44的风险矩阵中(下图) ，按高风险、中等风险和低风险来分级。 失效后果严重性划分为、级。 级 灾难的：有人员死亡，大面积环境公害，设备损坏导致停工90天以上。 级 严重的：致伤人员丧失工作能力，给公众造成伤害，设备损坏导致1090天停工，区域性损失。 级 轻度的：人员受到不丧失工作能力的伤害，环境污染小，停工110天。 级 轻微的：无人员伤害，设备损坏轻微 失效可能性划分为A、B、C、D级 A 频繁发生：概率P10-1次/a B 很可能发生：210-2/a概率P10-1次/a C 有时可能发生：210-3/

9、a概率P210-2次/a D 不大可能发生：概率P210-3次/a,风险矩阵中，风险指数为9或8的为高风险，是不可接受的，必须采取措施降低风险指数；7 、6、5为中等风险，需要在风险和费用中平衡；4.3.2.1是低风险，一般是可以接受的。,定性风险指数矩阵,定量风险评价,定量风险评价也称概率风险评价(PRA)，是将失效概率FS和失效后果值CS代入下式，求出整个系统的总风险值。 这种计算往往是一个相当复杂的、耗资巨大的过程，同时需要有价值的数据库作为支撑。,Risksystem=Risks= (CsFs),管材研究所在引进和借鉴加拿大PIRAMID风险评估技术基础上，结合我国管线的特点，进行二次

10、开发，形成了TGRC-RISK管道风险评估软件。 软件采用以下两种方法计算管道失效概率 统计分析方法 可靠性理论 考虑以下三种失效后果 直接财产损失 人员伤亡 环境污染,失效后果估计模型,TGRC-RISK 风险评估软件界面,西气东输管道风险评价结果,图3.1 外腐蚀风险,图3.2 地质灾害风险,图3.3 第三方损伤风险,图3.4 西气东输管线总风险,克轮输气管道风险评估部分结果,外腐蚀风险水平计算结果,内腐蚀风险水平计算结果,第三方破坏风险水平计算结果,地质灾害风险水平计算结果,地震灾害风险水平计算结果,综合风险水平计算结果,管道风险评估软件结构图,基于风险的检测（RBI）是以风险评价为基础

11、，对检测程序进行优化安排和管理的一种方法。是将检测重点放在高风险（HRA）和高后果（HCA）的管段上，而把适当的力量放在较低风险部分。在给定的检测活动水平下，RBI有利于风险的降低(见下页图),四、基于风险的管道检测技术,基于风险检测（RBI）的意义,管道检测技术包括智能内检测技术和外检测技术。 国际上GE PII、TVI等管道完整性技术服务公司针对不同类型的管道缺陷，已开发出多种智能内检测设备和技术，包括用于管道变形检测的通径检测器，用于腐蚀缺陷检测的漏磁检测器，用于裂纹检测的超声检测器、弹性波检测器和电磁声能检测器等。 在国内，管道技术公司、新疆三叶公司等单位在借鉴国外技术的基础上开发了通

12、径检测器和漏磁检测器，但在检测精度和系统配套性方面与国际先进技术相比还存在差距。,管道内检测技术（Smart Pig 技术） 检测器类型 通径检测器（主要检测变形） 金属损失检测器 类裂纹缺陷检测器 HIC及分层检测器 基本原理 漏磁原理 超声原理 射线原理 电磁声纳原理 涡流原理,MFL通径检测,超声裂纹检测器,超声壁厚检测器,金属损失和变形检测,Tuboscope Varco 的内检测技术,检测技术发展趋势 高分辨率 尺寸规格系列化 针对不同类型的缺陷开发系列化检测器 缺陷三维尺寸,四、基于风险的管道检测技术,在管道不具备内检测条件时，可以选用外检测技术。外检测技术又称直接评估（DA）技术

13、，包括用于外防腐层检测的PCM、DCVG、Person等技术；在开挖的情况下，对管体缺陷进行检测的超声、射线等无损检测技术。 目前最先进的外检测技术是超声导波技术。NACE颁布了NACE RP 0502 外腐蚀直接评价（ECDA）标准和NACE 01-04 内腐蚀直接评价（ICDA）标准。,四、基于风险的管道检测技术,PCM 在线检测技术,CIPS/DCVG在线检测仪器,为了使含有缺陷结构的安全可靠性与经济性两者兼顾，从80年代起在国际上逐步发展形成了以“适用性”或称“合于使用”(Fitness for service, Fitness for purpose) 为原则的评价标准或规范。 含缺

14、陷管道适用性评价包括含缺陷管道剩余强度评价和剩余寿命预测两个方面。,五、含缺陷管道适用性评价技术,1、含缺陷管道剩余强度评价,含缺陷管道剩余强度评价是在管道缺陷检测基础上，通过严格的理论分析、试验测试和力学计算，确定管道的最大允许工作压力（MAOP）和当前工作压力下的临界缺陷尺寸，为管道的维修和更换，以及升降压操作提供依据。,图5.1 含缺陷管道剩余强度评价的对象、类型和评价方法,局部腐蚀：,轴向内表面裂纹：,体积型缺陷的评定：ASME B31G、CAN/CSA Z144-M86、 DNV RP F101、API RP 579的第5章、SY/T 6477等。 平面型缺陷的评定:EPRI方法、C

15、EGB R6、BS7910、ASEM XI篇IWB3640 附录C和IWB3650 附录C等。 几何缺陷评定：API RP 579的第8章给出了管体不圆、直焊缝噘嘴和错边的评价方法。 弥散损伤型缺陷评定：API RP 579的第6章给出了点腐蚀损伤的评定方法 机械损伤缺陷的评定：尽管国际上从上世纪80年代末期以来已开展了不少研究，但尚未形成系统的评价规范和标准。,2、含缺陷管道剩余寿命预测,含缺陷管道剩余寿命预测是在研究缺陷的动力学发展规律和材料性能退化规律的基础上，给出管道的剩余安全服役时间。剩余寿命预测结果可以为管道检测周期的制定提供科学依据。,剩余强度评价主要是评价管道的现有状态，而剩余

16、寿命预测则主要是预测管道的未来事态，显然后者的难度远大于前者，目前研究也确实没有前者成熟。 剩余寿命主要包括腐蚀寿命、亚临界裂纹扩展寿命和损伤寿命三大类。三者之中，除亚临界裂纹扩展寿命，尤其是疲劳裂纹扩展寿命的研究较为成熟，较易预测之外，腐蚀寿命和损伤寿命研究都远不成熟，预测难度很大。 难点在于：1）缺陷发展速率难以实现现场准确监测；2）实验室内加速试验数据与现场复杂多变的环境难以对应；3）除疲劳数据外，目前可利用的数据资料较少，并且与许多常见失效机制预测有关的知识不足。,TGRC从“九.五”开始，在中国石油天然气集团公司多个项目的资助下，在借鉴国外先进技术的基础上，结合我国管线的特点，通过科

17、研攻关，建立了系统的含缺陷油气输送管道适用性评价方法，并在螺旋焊缝几何缺陷评定方法、弥散损伤缺陷的剩余强度和剩余寿命预测方法、腐蚀管道抗压溃评估准则、管道三维断裂准则、基于FAD图的双参数疲劳寿命预测方法、基于可靠性的腐蚀寿命预测方法等方面取得了创新性的成果。开发了工程适用的管道适用性评价软件。,目前TGRC采用适用性评价软件已在国内20余条油气输送管道上推广应用，经济效益和社会效益显著。 研究成果获陕西省2002年科技进步一等奖和全国首届安全生产科技成果一等奖,适用性评价软件结构框图,复合材料补强修复技术 由复合材料片材/改性胶粘剂/缺陷填充材料三组分组成的一种新型含缺陷管道补强修复技术及产

18、品 与钢管具有良好匹配性能 具有高的抗拉强度 玻璃纤维增强片材最高拉伸强度可达903MPa 碳纤维增强片材最高拉伸强度可达1400MPa以上 具有优良的施工工艺性能，可在050温度范围内施工。 操作简单、方便、快捷，主要补强材料可在室内加工完成，现场施工无需专用机具，手工操作即可，无需焊接，补强施工可以带压进行，不影响管道的运行。,六、管道补强修复技术,现场应用 2002年11月2日，对靖西天然气输送管线在不停输情况下进行了补强修复，共补强修复三处，11个缺陷，至目前为止，补强修复部位运行正常 现场施工温度为215，三处缺陷补强施工时间为平均40分钟/处，补强层表干时间为1小时，完全固化时间约

19、2天 就靖西线而言，采用换管修复缺陷，修复一处缺陷总费用超过20万元，仅管中天然气放空损失就达到13万元以上。而采用纤维增强复合片材技术补强修复含缺陷天然气管道，每修复一处缺陷所支付费用不足换管修复费用的十分之一，经济效益十分可观 。,不同规格缠绕带卷片样品,靖西天然气输气管线现场补强施工,管道完整性管理涉及管道沿线自然环境、地理状况、设施配置等因素，还涉及政治、经济、文化和人的行为方式等各个方面信息，安全管理时必须考虑事故发生地点、周围环境等有空间特征的信息。 GIS(Geographic Information System)技术在处理有空间特征的信息上有着无与伦比的优势，是实现管道数字化

20、管理的关键技术。 利用GIS可以便捷、可靠、安全地对管道沿线情况进行动态数据管理。,七、管道GIS技术和数据库,公司提出了数字化管道的标准，正在推进数字化管道的建设。 也正在开展数字化管道的建设工作。,八、管道地震和地质灾害评估技术,地震和地质灾害是威胁油气长输管道安全的重要因素 地震和地质灾害会使管道发生大的位移和变形，过量的塑性变形会导致管道发生失效 传统的基于应力的管道设计和评估方法不能保证地震和地质灾害多发区的管道安全 国际上（美国、加拿大等）正在积极开展基于应变的管道设计方法和安全性评估方法研究,正在建设的西气东输二线对300公里的地震区管道采用基于应变的设计方法 基于应变的管道设计

21、和安全评估主要解决两个问题： 地震和地质灾害条件下管道的位移和应变计算方法 管道临界应变的确定方法 管材研究所对管道在压缩和弯曲条件下的临界屈曲应变开展了部分研究工作,西气东输二线大变形钢管允许的最大屈曲应变,地质灾害监测和预警技术,结 语,管道完整性管理是是保障管道安全运行的重要手段，也管道安全管理发展的方向和重点。 完整性管理的关键技术包括管道数据库和GIS技术、风险评估技术、基于风险的管道检测技术、完整性评价技术和地震及地质灾害评估技术。 国内在适用性评价和风险评估方面取得了大量研究成果，实际应用也取得了很好的经济和社会效益，但尚需进一步完善和发展。 今后应加大管道数据库和GIS系统、管道内检测技术和地质灾害评估技术的开发和应用力度。,建 议,对管道完整性管理提以下几点建议： 按照“持续改进，追求卓越”的原则，在实践中不断完善管道完整性管理体系 在应用不断完善和改进管道风险评估技术的同时，进一步开展管道完整性评价技术研究 建立健全管道完整性管理的技术标准,