完整性管理-赶超管道安全的国际水平

1近年来，管道完整性管理(PipelineIntegrityManagement，简称PIM)受到我国越来越多的重视。其实，国外很早就已经开展了相关方面的研究和应用，而且还制定了相关法律和行业标准规定。例如美国的PSIA中,明确要求管道运行商要在后果严重地区实施管道完整性管理计划。随着我国管道服役时间的增加，由于外部条件（地质危害等）的影响、管道自身腐蚀、管材和施工焊接质量等原因，导致管道泄漏、爆炸等，危害了人民生命安全，造成了国家财产损失，破坏了自然环境，对管道的安全性管理和风险评价提出了越来越高的要求，尽快在我国实施管道的完整性管理迫在眉睫[1~5]。一、管道完整性管理的概念对于什么是管道完整性管理的概念，国内外尚无统一的定义，但是不同的定义从本质上来说内涵是一样的。管道完整性PI(PipelineIntegrity)是指管道始终处于安全可靠的服役状态。包括以下内涵：①管道在物理上和功能上是完整的；②管道处于受控状态；③管道运行商已经并仍将不断采取行动防止管道事故的发生；④管道完整性与管道的设计、施工、运行、维护、检修和管理的各个过程是密切相关的。管道的完整性管理PIM(PipelineIntegrityManagement)定义为，管道公司根据不断变化的管道因素，对油气管道运营中面临的风险因素进行识别和技术评价，制定相应的风险控制对策，不断改善识别到的不利影响因素，从而将管道运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，通过监测、检测、检验等各种方式，获取与专业管理相结合的管道完整性的信息，对可能使管道失效的主要威胁因素进行检测、检验，据此对管道的适应性进行评估，最终达到持续改进、减少和预防管道事故发生、经济合理地保证管道安全运行的目的。二、国内外管道完整性管理的发展现状国外油气管道安全评价与完整性管理始于20世纪70年代的美国，至90年代初期，美国的许多油气管道都已应用了完整性评价与完整性管理技术来指导管道的维护工作，随后加拿大、墨西哥等国家也先后于90年代加入了管道风险管理技术的开发和应用行列；欧洲管道工业发达国家从80年代开始制定和完善管道风险评价的标准，建立油气管道风险评价的信息数据库，深入研究各种故障因素的全概率模型，研制开发实用的评价软件程序，使管道的风险评价技术向着定量化、精确化和智能化的方向发展，至今为止均取得了丰硕的成果，出台了如ASMEB31.8S《输气管道系统完整性管理》、API579《适应性评价推荐做法》、APIRP1129：《保证危险液体输送管道完整性的推荐做法》、APIRP1160《管理危险液体输2送管道完整性管理推荐做法》等相关技术标准。世界各大管道公司采取的技术管理内容主要包括：管道风险管理，地质灾害与风险评估技术管理，管道安全运行的状态监测管理（腐蚀探头监测、管道气体泄露监测、超声探伤监测、气体成分监测、壁厚测量监测、粉尘组分监测、腐蚀性监测等），管道状况检测管理（智能检测、防腐层检测，土壤腐蚀性检测等），结构损伤评估管理，土工与结构评估技术管理，缺陷分析和评定技术管理，管道维护技术管理等。管道完整性管理已经成为全球管道技术发展的重要内容，我国在这方面起步较晚，虽然目前形成了一些在役管道的检测、监测、评估的技术和方法，并得到了越来越广泛的应用，如管道内外检测、腐蚀监测、风险评价、缺陷评价，缺陷修复技术等，但还没有一套系统、综合的输气管道系统完整性评价和管理体系。虽然国外目前已有相关标准、规范或推荐作法，但由于国内外管道设计标准和具体运行管理的实际不同，很难全部应用于国内管线，有许多地方需要结合国内管道的实际情况进行修改和完善。我国在80年代初，由机械工业部和化学工业部组织全国20个单位开展了“压力容器缺陷评定规范”的研究和编制，形成了CV-DA-1984规范。“八五”期间，由劳动部组织全国20多个单位参加开展了“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”国家重点科技攻关项目，重点研究了失效评价图技术，形成了面型缺陷断裂评定规程SAPV-95(草案)。“九五”期间，由劳动部组织将继续开展“在役工业压力管道安全评估与重要压力容器寿命预测技术研究”国家重点科技攻关项目。我国油气管道的安全评价与完整性管理开始于1998年，主要应用在输油管道上。中国石油管道公司管道科技研究中心做了一定的基础工作，建立了管道完整性管理体系和管道基础数据库，确定了完整性数据库的APDM模型，实现了管道数据与管道地理信息系统的有机结合，建立了缺陷评价系统，开发了风险评价和管理系统，并在兰成渝管道上初步应用，同时完成了秦京输油管道风险评估工作，成立了管道完整性管理专门机构,促进了管道完整性管理的发展。经过国内外实践表明，管道完整性管理确实能降低维护费用，最大限度地延长管道使用寿命，这对于管道公司的后续维护和管理将发挥更大的作用[1~5]。三、完整性管理的主要内容3.1可靠性评价管道可靠性评价研究的热点主要有管道剩余强度评价和剩余寿命的预测两个方面。管道剩余强度评价的研究主要是为了研究缺陷是否能在，某一操作压力下允许3存在，以及在某一操作压力下允许存在的最大缺陷尺寸，对管道的承载能力作出科学的评价，从而为管道的维修计划和安全管理提供科学的依据；管道剩余寿命的预测主要是为了了解管线腐蚀情况，确知腐蚀管线对于整个管线结构完整性的影响，它是在动力学长大规律基础上预测管道剩余寿命，为制定管道检测周期提供科学依据[6]。（1）剩余强度评价剩余强度评价的研究相对成熟。现在主要的标准有《腐蚀管道剩余强度评价指南》ASMEB31G，《有缺陷结构完整性的评价标准》CEGB-R/H/R6，《适用性推荐作法》API579，《焊接结构缺陷可接受性评价方法指南》BSIPD6493，《压力容器安全评定规范》WES280597和《焊接结构缺陷验收评估方法指南》BSIBS7910等。目前，国际上通常的是将CEGBR6标准和BSIBS7910标准相结合，采用失效评估图（FAD）技术进行平面型缺陷剩余强度评价；而对于体积型剩余强度的评价则是通过检测确定的危险厚度截面（CTP），根据剩余壁厚检测数据评估腐蚀损伤区域内的轴向和环向危险厚度截面，在CTP中利用管道输送压力以及管道所处地区级别、管道材料理化性能数据和焊缝系数等，确定缺陷轴向和环向长度s和c，最小测量壁厚。然后根据API579评估管道在某操作压力下是否能够安全运行，同时确定最大操作压力MAWPr。用有限元分析腐蚀管道剩余强度，是近几年提出的新方法。它分为弹性分析和非线性分析：Yung-ShihWang对管线进行了弹性分析，提出了一种用弹性极限原则来评估管线剩余强度的方法；加拿大的ChouchaouiBA,PickRJ和BinFu,MikeGKirkwood等都对腐蚀管线进行了非线性有限元分析。由于这种方法考虑了多种载荷的联合作用，同时可以模拟复杂的腐蚀形状，因而使得分析模型更加接近实际，结果更加精确和客观。以弹塑性力学理论为基础，建立适当模型，分析管线剩余强度是评价管道剩余强度的另一种方法。KleverFJ等以弹塑性力学为基础，先后提出连续力学分析模型和平面应变薄膜圆弧模型，但是这种模型对于不同的腐蚀情况，得到的结果并不稳定，还需要进一步研究。神经网络也被引入了管道剩余强度评价研究中。喻西崇等人将BP神经网络和遗传算法相结合,得到一种新的神经网络,并将这种神经网络成功用于计算腐蚀管道的剩余强度和最大允许输送压力。（2）剩余寿命预测4与剩余强度评价研究相比，剩余寿命预测的研究还不成熟，上述几种国外标准中只有API579中有粗略的谈到，其他标准根本未涉及剩余寿命的预测。由于管道腐蚀因素复杂多变，腐蚀规律不易掌握。现在研究管材腐蚀动力学规律的主要方法有：实验室加速实验法和现场实验挂片法。也有学者[6，7]根据历史数据建立G（1，1）模型对腐蚀管道的腐蚀速率和腐蚀深度进行了预测，预测结果较为理想，同时他采用可靠性概率统计的方法建立了腐蚀管道的干涉模型对管道进行可靠性评价。基于可靠性理论的评价模型，是一种新的评价方法，该方法运用了概率统计的知识，考虑了各种变化，比传统的安全系数法更合理（传统的安全系数法将参数视为定值），能最大限度的降低油气管道的工程建设成本，从根本上保证油气管道的安全运行。3.2风险评价风险评价主要是确定管道失效因素，并对管道失效概率及其后果严重性指标进行量化。通过风险评价可获得管道风险等级，以确定优先开展完整性评价的管段区域及重点预防的失效原因。风险评价过程中应遵守相应的风险标准，通常采用最低合理可行原则(AsLowAsReasonablyPractically)，也可采用法默曲线(Farmercurve)来判断系统风险水平。风险的定义为失效概率（Failureprobability）和失效后果（FailureConsequence）的乘积，对于油气输送管道的风险应是各种可能失效类型带来的风险求和。进行风险评价之前，首先应对所评价管道的潜在危害因素进行识别管道的潜在危害因素包括：制管缺陷、现场施工缺陷、内外电化学腐蚀、应力腐蚀、第三方破坏和地质灾害等。完成危害因素识别后，结合管道失效案例、管道属性数据（运行参数、材料参数等）、环境数据等进行综合分析并在此基础上开展管道的风险评价。风险等级计算通常可采用两种方法，一是采用专家打分法，二是采用危险性矩阵法。专家打分法是将专家意见与技术文献的信息相结合，为每种事故发生的可能性及其后果分配一个相对值，从而计算出相对风险值的大小，以反映管道风险水平的高低。危险性矩阵法是以管道失效概率及其后果严重性指标构成矩阵的行和列，在对失效概率及后果严重性程度分级条件下度量管道失效风险的大小[8~10]。3.3基于风险管道检测5实施风险控制策略主要目的是为防止事故发生以及降低系统的风险。防止事故发生措施主要有两种。一是实施并完善含缺陷管道的使用原则，即适用性原则,它是指含缺陷管道允许存在缺陷情况下，继续工作一段时间，但在此时间段内应保证缺陷不能发展到造成管道失效的临界值。二是推行视情维修技术，是指在风险评估基础上，根据风险优化分析，合理确定管段维修顺序，进而做出最佳维修决策，从而确保管道系统完整性。降低管道系统风险可采用以下措施：①建设与执行有关国际通用及国内的相关风险法规。法规的健全完善程度对降低风险有直接关系，针对腐蚀管道它不仅应明确规定要进行风险评估，还要指出风险降低的指定程度；并且应允许采用从环境出发因地制宜的实施措施。②加强基于风险的检测技术实施。基于风险检测技术RBI(Risk-basedInspection)由美国API组成开发，目前已形成APIRP580标准。基于风险的检测，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低风险部分。在给定的检测活动水平的条件下，基于风险的检测更有利于降低管道运行的风险。管道检测技术包括智能内检测技术和外检测技术。国际上GEPII、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较大差距。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，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颁发了NACERP05-02外腐蚀直接评价（ECDA）标准和NACE01-04内腐蚀直接评价（ICDA）标准[8~16]。3.4管道的完整性维护含缺陷管道经过风险评价后通常将管道风险划分成四个等级：A级风险等级最高，表示必须立即维修及更换；B级风险次高；C级表示比较安全；D级表示管道处于低风险、安全状态，无需采取任何措施。对于风险等级较高