哈爾濱工程大學碩1 二學位論文 摘要 在海洋工程中，海底管道廣泛應(yīng)用于傳輸石油和天然氣。越來越多的海底管道 正在被鋪設(shè)。管道事故經(jīng)常會造成災(zāi)難性后果，管道的安全與完整性管理成為相關(guān) 各方首要關(guān)注的問題。隨著2 0 0 2 年管道安全法案的頒布，管道安全性管理的概 念變得尤為重要。 管道完整眭是指它在承受工作壓力下正常運行的能力。評估管道的運行狀態(tài)對 管道運營者安全營運至關(guān)重要。管道完整瞄漱法有直接評價，水壓測試，在線 檢測等方法。管道完整| 生管理是為降低事故發(fā)生的可能性以及事故后果而進行風險 評定和降低管道風險的過程。 本文對海底管道完整f 生管理的幾個方面進行了探討：有缺陷管道的剩余強度也 是海底管道完整f 生管理的主要組成部分，但是幾乎沒有對有凹陷管道剩余強度的精 確計算方法，本文對有凹陷管道的剩余強度進行了推導；文章還對不同的壁厚標準， 自由跨度，適用性分析，風瞄坪價等進行了初步探討；文中也給出了相關(guān)的算例。 完整陛管理評價辦法不而足。在管道完整性管理中，如果風險評估應(yīng)用得當， 它可以幫助運營者快速準確鑒別風險，保證運營者及時采取措施降低風險。完整性 管理的最終目標是確保環(huán)境安全。我國應(yīng)當制訂并健全有關(guān)海底管遭壽齜的法律 法規(guī)。管道的完整性管理應(yīng)從合理正確的設(shè)計和建造管道開始。還應(yīng)建立追蹤系統(tǒng)， 并且以不斷改進為目標確保管道安全可靠運行。 關(guān)鍵詞：海底管道；完整性管理；剩余強度；風險評估；適用性分析 哈爾濱工程大學碩士學位論文 a b s t r a c t s u b s e ap i p e l i n e sa r ew i d e l yu s e di no f f s h o r ei n d u s t r yt ot r a n s m i to i lo rg a s m o r ea n d m o r es u b s e ap i p e l i n e sa l eb e i l l gi n g a l l e d m a n yp i p e l i n e sa c c i d e n t sf i r ec a t a s t r o p h i c , a n d t h es a f e t ya n di n t e 畫t ym a n a g e m e n to f p i p e l i n e sa r er e l a t e dp a r t i e s p r i m 刪c o i l c , e i t ln o w t h ec o n c e p to fp i p e l i n ei n t e # t yb e c o m ee s p e c i a l l yi m p o r t a n ta sar e s u l to ft h ep i p e l i n e s a f e t ya c to f 2 0 0 2 i n t e g r i t yi s t h ea b i t i t yo fap i p e l i n et oq 眥s a f e l ya n dw i t h s t a n dt h es t r e s s e s i m p o s e dd u r i n go p e r a t i o n e v a h m l l n gt h ep h y s i c a lc o n d i t i o no fa no i lp i p e l i n ei sc r i t i c a lt o t h ep i p e l i n eo p e g d t o rf o re n s u r i i l ：gp i p e l i n es a f e t y p i p e l i n ei n t e g r i t yc a nb ed e t e r m i n e d t h r o u g hd i r e c ta s s e s s m e n tm e t h o d s , h y d r o s t a t i ct e s t i n ga n di n l i n ei n s p e c t i o n 皿毋a n do t h e r m e a s u r e s p i p e l i n ei n t e g r i t ym a n a g e m e n ti sap r o c e s sf o ra s s e s s i n gm a dm i t i g a t i n gp i p e l i n e r i s k s i no r d e rt or e d u c eb o t ht h el i k e l i h o o da n dc o n s e q u e n c e so f i n c i d e n t s s e v e r a la s p e c t so fi n t e g r i t ym a n a g e m e n tf o rs u b s e ap i p e l i n e sa r ed i s c u s s e di nt h i s a r t i c l e r e s i d u a l 蚰咄o fp i p e t t e sw i t hd e f e c t sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e i ns u b s e a p i p e l i n e si i a t e # t ym a n a g e m e n t , h o w e v e r , t h e r ea r eh a r d l ya n ye x a c tm e t h o d o l o g yt o c a l c u l a t er e s i d u a ls t r e n g t ho fp i p e l i n e sw i t hd e n td e f e c t , e q u a t i o n sf o rr e s i d u a ls t r e n g t ho f d e n t e dp i p e l i n e sa r ed e r i v e d , p i p e l i n ef r e e 靴f i m e s sf o rs e r v i c e ( f f s ) ，r i s km a n a g e m e n t a r ea l s od i s c u s s e d , r e l a t e dc a l c u l a t i o ne x a m p l e sa r e p r e s e n t e d t h e r ec a nb en o o n ea p p r o a c h t oi n t e g r i t ym a n a g e m e n t r i s km a n a g e m e n t p r i n c i p l e s ，i fp r o p e r l ya p p l i e d , 諾mb ep o w e r f i 】l t o o l st oi d e n t i f yt h er i s k st op i p e l i n e m t e 鰣t ya n ds h o u l dl e a do p e r a t o r st ot a k ea c t i o nt om i t i g a t et h o s er i s k s t h eu l l i m a t eg o a l o f p i p e l i n ei n t e g r i t ym a n a g e m e n t i st oi n s u r eas a f e rh m m ne n v i r o n m e n t m o r ea p p r o # a t e a n dp r a c t i c a lc o d e sa n dl a w so ns u b s e ap i p e l i n ea r en e e d e di nc h i n a i n t e g r i t ym a n a g e m e n t o f ap i p e l i n es h o u l db es t a r t e dw i t ht h es o u n dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ep i p e l i n e t r a c k s y s t e ms h o u l db ee s t a b l i s h e da n dp e r f o r m a n c ew i t ht h eg o a l so f c o n t i n u e di m p r o v e m e n t t o e 】瞰滁t h er e u a b i h t ya n ds a f e t yo f p i p e l i n e s k e yw o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ；h t e g f i t ym a n a g e m e n t ；r e s i d u a ls t r e n g t h ；r i s ka s s e s s m e n t ； f i m e s sf o rs e r v i c e 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導 下，由作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文 獻的引用已在文中指出。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成 果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文 中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由 本人承擔。 作者( 簽字) ：碰垂三鄉(xiāng) 日期必磅年鄉(xiāng)月憚日 哈爾濱 程大學碩十學位論文 第1 章緒論 1 1 概述 管道完整性p i ( p i p e l i n ei n t e g r i t y ) 是指管道始終處于安全可靠的服役狀 態(tài)。包括以下內(nèi)涵：管道在物理上和功能上是完整的；管道處于受控狀態(tài)； 管道運行商已經(jīng)并仍將不斷采取行動防止管道事故的發(fā)生。 管道完整性與管道的設(shè)計、施工、運行、維護、檢修和管理的各個過程 密切相關(guān)。 管道完整性管理p i m ( p i p e l i n ei n t e g r i t ym a n a g e m e n t ) 是指對所有影響管 道完整性的因素進行綜合的、一體化的管理。大體上包括以下內(nèi)容：擬定工 作計劃、工作流程和工作程序文件；進行風險分析，了解事故發(fā)生的可能性 和將導致的后果，制定預(yù)防和應(yīng)急措施；定期進行管道完整性檢測和評價， 了解管道可能發(fā)生事故的原因和部位；采取修復(fù)或減輕失效威脅的措施；培 訓人員，不斷提高人員素質(zhì)。 管道完整性管理是一個與時俱進的連續(xù)的過程。這是因為管道的失效模 式是一種時間依賴的模式。腐蝕、老化、疲勞、自然災(zāi)害、機械損傷等能夠 引起管道失效，隨著歲月的流逝在斷地侵害著管道。因此，必須持續(xù)不斷地 對管道進行風險分析、檢測、完整性評價、維修、人員培訓等完整性管理工 作。概括的說，管道完整性管理就是為了降低事故發(fā)生的可能性以及事故產(chǎn) 生的后果而進行的不斷評估和降低管道風險的過程。 1 2 管道完整性管理標準及流程 管道完整性管理標準 美國標準( ( a s m eb 31 8 s m a n a g i n gi n t e g r i t ys y s t e mo fg a sp i p e l i n e 2 0 0 2 ) ) ( ( ( a s m eb 31 8 s 輸氣管道完整性管理) 和( ( a p i116 0 - 2 0 0 1 一一 m a n a g i n gs y s t e mi n t e g r i t yf o rh a z a r d o u sl i q u i dp i p e l i n e s ) ) f ( ( a p l l16 0 - - 2 0 0 1 有害液體管道系統(tǒng)的完整性管理) ，分別針對氣體輸送管道和有害液體管道 系統(tǒng)的完整性管理的過程和實施要求進行規(guī)定。 a s m eb 3 1 8 s 比a p i11 6 0 發(fā)布時間晚( 這在a s m eb 3 1 8 s 的前言中已 有聲明。由于a s m eb 3 1 8 s 是在借鑒a p i1 1 6 0 和其他相關(guān)標準的基礎(chǔ)上 制定的。因此，如果撇開管理對象的區(qū)別，單從對管道完整性管理論述的全 面性和完善性而言，a s m eb 3 1 8 s 更具有代表性，因而在業(yè)界的影響似乎 哈爾濱工程大學碩七學位論文 更大。a s m eb 3 1 8 s 是輸氣管道完整性管理的標準，是對a s m eb 31 8g a s t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o np i p i n gs y s t e m ) ) ( a s m eb 31 8 天然氣輸氣管 道與配氣管道系統(tǒng)) 的補充，目的是為管道系統(tǒng)的完整性和完整性管理提供 一個系統(tǒng)的、廣泛的、完整的方法。a s m eb 3 1 8 s 已得到b 3 1 標準委員會 和a s m e 技術(shù)規(guī)程與標準委員會的首肯，并在2 0 0 2 年被批準成為美國國家 標準。 完整性管理的流程 a s m e b 3 1 8 s 和a p i11 6 0 分別針對輸氣管道和輸液管道完整性管理的 流程進行了論述，雖略有不同，但實質(zhì)一致，見圖1 1 。需要說明的是，完整 性管理流程是一個不斷循環(huán)更新的過程，且每一步驟在實施中通常也需多次 循環(huán)和重復(fù)。盡管圖1 1 中列出了各步驟的圖解順序，但各步驟之間存在著 大量的信息流動和相互作用。如風險評估方法的選擇部分取決于可獲得的與 完整性有關(guān)的數(shù)據(jù)和信息。進行風險評估時，為了更準確地評價可能存在的 危險，可能需要更多的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)收集和風險評估階段密切相關(guān)，且 可多次交叉進行，直至運營公司認為評估達到滿意時為止。 通用的完整性管理程序包含以下幾個步驟： ( 1 ) 預(yù)準備階段 本階段工作的主要內(nèi)容有：根據(jù)客觀情況劃分管段，確定失效類型， 例如國際管道研究委員會( p i p e l i n er e s e a r c hc o m m i t t e ei n t e r n a t i o n a l ，p r c d 將天然氣管道失效原因歸納為3 種時間類型、9 種失效類型、2 1 種小類，再 加上未知原因，共2 2 小類。分別對各管道進行評價并將結(jié)果匯總，確定需 要優(yōu)先考慮的管段和重點預(yù)防的失效類型。收集管道完整性管理數(shù)據(jù)，包 括管道原始施工圖和監(jiān)測記錄、管材合格證書、制造設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)、管道設(shè) 計與工程報告、管道調(diào)查和試驗報告、管道監(jiān)測計劃、運行和管理計劃、應(yīng) 急處理計劃、事故報告、技術(shù)評價報告、操作規(guī)范和相應(yīng)的工業(yè)標準等。 依靠專家或公眾社會對某事件達成的共識所量化的經(jīng)驗值。 ( 2 ) 風險評價階段 利用風險評價得到不同管段的風險指標和不同失效原因的風險指標，比 較其結(jié)果，確定需要優(yōu)先開展管道完整性評價的管段區(qū)域和需要優(yōu)先預(yù)防的 失效原因。 ( 3 ) 完整性評價階段 對需要優(yōu)先評價的管段，采用綜合檢測技術(shù)的結(jié)果評價管道的完整性。 ( 4 ) 維修、調(diào)整、制定預(yù)防措施和確定再評價間隔周期階段 2 哈爾濱t 程大學碩士學位論文 圖1 1 管道完整性管理流程圖 通過管道維修、運行工況調(diào)整和預(yù)防措施來消除或減緩檢測中發(fā)現(xiàn)的安 全隱患，提高管道安全性，是對檢測評價的響應(yīng)。再評價周期主要根據(jù)維修 標準、維修數(shù)量和預(yù)防措施有效性來確定，基本原則是：經(jīng)過本次維修后的 殘余缺陷到下個周期的完整性檢測中不會發(fā)展成危險性缺陷。工程技術(shù)人員 可以根據(jù)客觀需要來選擇適宜的方法確定再評價周期，例如通過比較管材最 小屈服極限、管道最大操作壓力、按檢測缺陷預(yù)測的失效壓力三個數(shù)值，即 可按照約定法即可確定再評價周期等。 完整性管理標準的特點 ( 1 ) 管道完整性管理標準是一種過程標準，為管道系統(tǒng)完整性管理提供了 一個系統(tǒng)的、貫穿管道整個壽命周期的過程方法。管道的完整性管理始于管 道合理的設(shè)計、選材和施工，內(nèi)容涉及管道設(shè)計、施工、運行、監(jiān)控、維修、 更換、質(zhì)量控制和通信系統(tǒng)等全過程，并通過信息反饋，不斷完善管道的完 整性。 ( 2 ) 管道完整性管理標準引入了風險概念，反映了當前管道安全管理從單 一安全目標發(fā)展到優(yōu)化、增效、提高綜合經(jīng)濟效益的多目標趨向。 ( 3 ) 管道完整性管理標準是一種系統(tǒng)管理體系規(guī)范。它不是單純的、具體 哈爾濱t 程大學碩士學位論文 的技術(shù)標準，而是建立在以眾多基礎(chǔ)的、單一的技術(shù)規(guī)范以及相關(guān)研究成果 基礎(chǔ)之上的一種綜合的管道管理規(guī)范體系。 管道完整性管理的原則。 ( 1 ) 在設(shè)計、建設(shè)和運行新管道系統(tǒng)時，應(yīng)融入管道完整性管理的理念和 做法。 ( 2 ) 結(jié)合管道的特點，進行動態(tài)的完整性管理。 ( 3 ) 建立管道完整性管理機構(gòu)，制定管理流程，并輔以必要的手段。 ( 4 ) 對所有與管道完整性管理有關(guān)的信息進行分析整合。 ( 5 ) 必須持續(xù)不斷地對管道進行完整性管理。 ( 6 ) 在管道完整性管理過程中不斷采用各種新技術(shù)。 1 3 國外管道完整性管理規(guī)范現(xiàn)狀 管道完整性管理標準的以上特點決定了管道完整性管理除以上兩個主要 標準外，還應(yīng)包括與完整性管理相關(guān)的支持性的標準和規(guī)范，如腐蝕評價、 強度評價、檢測、監(jiān)測等標準和規(guī)范等，它們與上述兩個標準共同構(gòu)成管道 完整性管理的文件體系。 美國的管道完整性管理實施比較成熟，相關(guān)的標準、法規(guī)、規(guī)章以及各 種管道手冊形成了較完善的文件支持體系，其中較有影響的文件如下。 1 完整性管理標準 ( 1 ) a s m eb 3 1 8s 一2 0 0 1 輸氣管道系統(tǒng)完整性管理。 ( 2 ) a p i1 1 6 0 - 屯0 0 1 有害液體管道完整性管理。 2 管道完整性評估技術(shù)標準 ( 1 ) a s m eb 31 g 確定腐蝕管道剩余強度手冊。 ( 2 ) n a c er p 一0 5 0 2 - - 2 0 0 2 管道外腐蝕檢測與直接評價標準( e c d a ) 。 ( 3 ) n a c e - t 0 3 4 0 內(nèi)腐蝕直接評估技術(shù)( i c d a ) 。 ( 4 ) d n h p - f 1 0 1 腐蝕管道缺陷評價標準。 ( 5 ) a p i5 7 9 管道安全評價、幾何機械損傷評價標準。 3 管道完整性檢測技術(shù)標準 ( 1 ) n a c er p 0 1 0 2 - - 2 0 0 2 管道內(nèi)檢測的推薦實踐標準。 ( 2 ) a p i11 6 3 管道內(nèi)檢測系統(tǒng)標準。 ( 3 ) n a c ep u b3 5 1o o 一_ 2 0 0 0 管道內(nèi)檢測( 報告) 。 ( 4 ) a s n ti l i p q 一2 0 0 3 管道內(nèi)檢測員工資格。 ( 5 ) a p ir p5 8 0 基于風險的檢測。 ( 6 ) a p ir p5 8 1 基于風險的檢測基本源文件。 4 管道完整性管理修復(fù)與維護技術(shù)標準 ( 1 ) a p i5 7 卜1 9 9 8 管道檢驗規(guī)范在用管道系統(tǒng)檢驗，修理，改造和 4 哈爾濱_ t 程大學碩士學位論文 再定級。 ( 2 ) a p ir p2 2 0 0 - - 1 9 9 4 石油管道、液化石油管道、成品油管道的修理。 5 其他完整性管理標準、法規(guī)或規(guī)定 ( 1 ) 風險管理程序標準( 草案) 一1 9 9 6 。 ( 2 ) 美國聯(lián)邦法典第4 9 部一運輸。 第1 9 1 部分天然氣和其他氣體的管道運輸年度報告、事故報告以及 相關(guān)安全條件報告。 第19 2 部分天然氣和其他氣體管道運輸?shù)穆?lián)邦最低標準。 第1 9 4 部分一陸上石油管道應(yīng)急方案。 第1 9 5 部分一危險液體的管道運輸。 ( 3 ) 關(guān)于增進管道安全性的法案( 美國h r 3 6 0 9 ) 。 ( 4 ) a s n i a s n t 無損檢測人員資格評定導則。 ( 5 ) a p ir p1 1 2 卜1 9 9 5 液體管道維修人員的培訓與認證。 ( 6 ) a p i1 1 2 卜1 9 9 6 危險性液體管道系統(tǒng)完整性的保證措施。 ( 7 ) a p ir pl1 6 2 - - 2 0 0 3 管道操作者的公共注意項。 1 4 國內(nèi)管道完整性管理規(guī)范現(xiàn)狀 國內(nèi)管道的安全評價與完整性管理始于1 9 9 8 年，主要是應(yīng)用在輸油管道 上。對于這一先進的管道管理模式和管理理念，國內(nèi)管道運營公司正努力引 進和消化。在陜京線( 天然氣管道) 和蘭成渝管道( 成品油管道) 己根據(jù)國際先進 經(jīng)驗試行實施管道的完整性管理模式，并取得了許多成果和經(jīng)驗。但完整性 管理的文件( 標準、法規(guī)) 并未形成體系。目前主要是消化、吸收國際上的先 進經(jīng)驗和做法，并結(jié)合國內(nèi)管道運營的實際提出相應(yīng)的管理措施和規(guī)范，最 終形成具有本國特色的管道完整性管理標準體系。 國內(nèi)尚未形成管道完整性管理的體系，相關(guān)的標準、法規(guī)可列舉如下。 ( 1 ) g b 5 0 3 1 卜2 0 0 0 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范。 ( 2 ) g b 5 0 2 5l 一9 4 輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范。 ( 3 ) g b 5 0 2 5 3 - - 2 0 0 3 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范。 ( 4 ) s y 0 0 0 7 - - 1 9 9 9 鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕控制工程設(shè)計規(guī)范。 ( 5 ) g b l1 3 4 5 8 9 鋼質(zhì)管道超聲波無損檢測方法。 ( 6 ) c j j 9 5 - - 2 0 0 3 城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程。 ( 7 ) s y t 6 4 7 7 - - 2 0 0 0 含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法，第1 部分： 體積型缺陷。 ( 8 ) s y t 6 1 5 1 1 9 9 5 鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法。 ( 9 ) s y t 6 5 9 7 - - 2 0 0 4 鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范。 ( i o ) s y t 6 5 5 3 - - 2 0 0 3 管道檢驗規(guī)范，在役管道系統(tǒng)檢驗，修理，改選 哈爾濱工程大學碩士學位論文 和再定級。 ( 11 ) s y 6 1 8 6 石油天然氣管道安全規(guī)程。 ( 1 2 ) 石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會1 7 號 令。 ( 1 3 ) s y t0 0 2 3 埋地鋼質(zhì)管道交流保護技術(shù)標準。 ( 1 4 ) s y t0 0 8 7 鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕與防護調(diào)查方法標準。 ( 1 5 ) s y t5 9 2 2 天然氣管道運行規(guī)范。 ( 1 6 ) s y t4 0 5 6 石油天然氣鋼質(zhì)管道對接焊縫射線照相及質(zhì)量分級。 ( 1 7 ) s y t4 0 6 5 石油天然氣鋼質(zhì)管道對接焊縫超聲波探傷及質(zhì)量分級。 ( 1 8 ) g b t 1 6 8 0 5 - - 1 9 9 7 液體石油管道壓力試驗。 ( 1 9 ) q s yj s 0 0 5 4 - - 2 0 0 5 鋼制管道內(nèi)檢測執(zhí)行技術(shù)規(guī)范。 ( 2 0 ) q s yj s 0 0 5 5 2 0 0 5 鋼制管道缺陷安全評價規(guī)范。 1 5 實施完整性管理的必要性與意義 1 。5 1 實施完整性管理的必要性 以輸氣管道為例：隨著天然氣在世界各國得到廣泛利用，天然氣管道的 大量敷設(shè)和運行時間延長，管道事故時有發(fā)生，從而導致火災(zāi)、爆炸，造成 巨大的經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。 國內(nèi)外天然氣管道典型事故案例如下： 1 9 6 0 年美國t r a n s w e s t e m 公司的一條x 5 6 鋼級的、d 7 6 21 t i i l l 的輸氣管 道脆性破裂，破裂長度達1 3 k i n ； 2 0 0 0 年8 月，在新墨西哥的卡爾斯巴德附近佩科斯河畔發(fā)生的一起管道 突然爆炸，致使1 2 人喪生，斷裂處有嚴重的內(nèi)腐蝕缺陷； 2 0 0 4 年7 月3 0 日，比利時布魯塞爾以南4 0 k m 處發(fā)生一起天然氣管道 爆炸著火事故，造成2 1 人傷亡。管道鋼級為x 7 0 ，管徑d 9 2 0m i l ，壁厚1 01 1 1 1 。 系外力損傷引起，損傷尺寸長2 8 0r a i n ，深7m m ，損傷處剩余壁厚3n m ； 1 9 6 6 年，威遠氣田內(nèi)部集輸管道通氣試壓時，4 天內(nèi)連續(xù)爆裂3 次。經(jīng) 失效分析及再現(xiàn)試驗，確認爆裂是由于天然氣所含h 2 s 在含水條件下引起的 應(yīng)力腐蝕開裂所致； 四川瀘州天然氣管道爆炸事故( 5 死3 5 傷) ； 陜京天然氣管道神木境內(nèi)發(fā)生滲漏事故( 當?shù)剞r(nóng)民挖水渠；挖掘機戳漏西 安市區(qū)天然氣管道( 自來水公司施工) 。 為有效遏制管道事故，國內(nèi)外對于管道失效事故均進行了大量的調(diào)查分 析與研究。美國、加拿大和歐洲等國家先后開始了管道風險管理技術(shù)的開發(fā) 和應(yīng)用，并建立起管道風險評價體系和各種有效的評價方法，大大提高了管 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 道運行的安全性和經(jīng)濟性。近年隨著管道檢測、監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備故障診斷技 術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，又提出了管道完整性管理的管理模式，使管道安 全管理躍上新臺階。城市天然氣高壓管道一般環(huán)繞城市，涉及的部分區(qū)域人 口稠密、建筑物密度飽和，一旦發(fā)生管道事故，就會造成天然氣供應(yīng)中斷、 人員傷亡、環(huán)境污染等嚴重危害。為了提高企業(yè)的管理水平，保證城市天然 氣高壓管道的安全運行和安全供應(yīng)，有必要實施管道完整性管理。 1 5 2 實施完整性管理的意義 以往的管道安全管理多為被動的事后響應(yīng)，不但會因事故造成巨大的財 產(chǎn)損失和管人員傷亡，而且搶險修復(fù)又要花費巨額費用。道完整性管理變被 動為主動，變事后響應(yīng)為事前檢測預(yù)防，使管道始終處于受控狀態(tài)，可以有 計劃、有針對性地采取維護措施，防止管道失效或事故發(fā)生，將管道大修費 用投入到最需要的地方，避免部分管道可能發(fā)生過度維修或欠維修，從而最 大限度地節(jié)約成本，保證管道運行始終可靠。而且，這個管理過程是周期循 環(huán)和持續(xù)改進的，從而使管道處于良好的運行狀態(tài)，對延長管道壽命期的作 用不言而喻。 1 6 本章小結(jié) 根據(jù)完整性管理體系的特點和要求，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，應(yīng)更深入 管道完整性管理體系研究包括完整性管理的內(nèi)容、技術(shù)標準體系、完整性管 理的文件體系、完整性管理的管理模式。根據(jù)完整性管理的總體要求，全面 加強管道完整性管理基礎(chǔ)規(guī)范的研究和完善，尤其要加強對完整性評價技術(shù)、 管道風險評價規(guī)范研究。加強完整性管理軟件的研究，重視技術(shù)人員的培養(yǎng)。 7 哈爾濱丁程大學碩十學位論文 第2 章管道懸跨分析 2 1 概述 管道懸跨分析分為兩部分。本章首先探討自由跨度的動態(tài)分析，主要參 數(shù)有速度減額v r ，穩(wěn)性參數(shù)k s ，k e u l e g a nc a r p e n t e r 數(shù)k c ，計算這些參數(shù)， 分析管道是否發(fā)生渦激振動，是軸向振動還是橫向振動；然后對管道懸跨進 行靜態(tài)評估，研究管道懸跨段在靜載荷白重以及準靜態(tài)波浪，海流，溫度， 拖曳載荷做用下的運動狀態(tài)。 進行管道懸跨的動態(tài)和靜態(tài)的方法簡述如下。 2 2 設(shè)計計算假設(shè) 考慮安全裕度，計算速度減額和進行靜態(tài)應(yīng)力評估分別取最小和最大密 度分別用來計算。對于渦分析，用最小密度進行計算，對于靜態(tài)懸跨分析， 則用最大密度進行計算。作業(yè)狀態(tài)時的分析，許可腐蝕厚度取5 0 。環(huán)境 載荷取垂直于管徑的波浪和海流的聯(lián)合作用時的最大值。假設(shè)海底管道的懸 跨高度等于管道的外徑，海流速度采用1 7 次方法則計算。管道表面海洋生 物增長的影響忽略不計。 2 3 動態(tài)許用懸跨長度 主要參數(shù) 為了確定在什么樣的速度范圍會發(fā)生渦激振動，引入速度減額的概念， 定義如式2 1 ： 玢：堡緣 厶枷d f 2 1 1 式中： v r 速度減額( 無量綱數(shù)) u c管道的法向海流速度( m s ) 顫p e 管道的固有頻率( h z ) d管道的外徑( m ) v r ，u c ，f p i p e ，d 的值可以由下述式2 - 2 計算： u謝2(粵)，(等)：c：。n：ih隅(22 , i t 。軸向v ， 嶺2 j r l 劃x + j 髯c o n h 2 x _ ：w d q h i l軸向v i v 時的波高 h c f橫向v i v 時的波高 t i l軸向v 時的波浪周期 t c f橫向v i v 時的波浪周期 九i l軸向v i v 時的波長 九c l橫向v 時的波長 發(fā)生v 的波長可以由式2 3 計算： 九_ ( 簪鼬( 竿 勺= ( 等蛐( 警k 協(xié)3 ， 發(fā)生v i v 的海流誘導速度可以由式2 4 計算： = 恤歸9 3 = 恤一歸b 1 式中： y海流高度 9 軸向v i v 橫向v i v ( 2 - 4 ) 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 u r e f i l 軸向v i v 的參考流速 u r e f c f 橫向v i v 的參考流速 發(fā)生v i v 的頻率可以由式2 5 計算 兀= 罷 矗= 籌 e i 廠卜0 攀y 2 i、 m l j 4 軸向v 橫向v i v ( 2 - 5 ) 式中： “l(fā)管道軸向運動最大許用懸跨長度3 0 m l e f管道橫向運動最大許用懸跨長度3 0 m e管道鋼材的楊氏模量( n m 2 ) i s t e e l 管道的剖面模數(shù)( m 4 ) m e單位長度管道的有效質(zhì)量( 包括管道自重，輸送物，和附加質(zhì)量) 當作業(yè)溫度高于安裝時的溫度： 恥( 1 - 2 - u ) 半紛搠僦岳f ) m e 可以由式2 7 計算 m 。= c s a p + c s a i p 俐+ m 齜d + c a 。p c c + c a 。n p c 。 、 式中： c s a 盯= 0 2 5 萬( d e 2 一d r 2 ) c s a f = 0 2 5 t 7 d r 2 m 刪= 耐c a c a c c = 0 2 5 咖( d c c 2 d 。2 ) c a 咖= 0 2 5 咖阢2 一玩2 ) c s a s t 管道鋼材的橫截面積 d e鋼管的外徑 哈爾濱工程大學碩士學位論文 d i鋼管的內(nèi)徑 p s t鋼材的密度 c s 越鋼管內(nèi)徑面積 9 c o n t輸送物的密度 m a d d e d 附加質(zhì)量 p w a t e r 海水密度 c a慣性系數(shù) c a c c防腐蝕保護層的橫截面積 d c c防腐蝕保護層的直徑 p o e 防腐蝕保護層的密度 c a c o n 混凝土層的橫截面積 p c o n 混凝土層的橫密度 d c o n混凝土層的直徑 第二個影響動態(tài)振動的參數(shù)是穩(wěn)定性參數(shù)k s ，定義如式2 8 ： 盛：2 旦 加2 ( 2 8 ) 式中： k s 影響管道動態(tài)振動的穩(wěn)定性參數(shù)( 無量綱) m e 單位長度管道的有效質(zhì)量( 包括管道自重，輸送物，和附加質(zhì)量) 可以由公式2 7 計算 6 結(jié)構(gòu)阻尼減額，2 7 【d r d r 鋼材在水中的阻尼系數(shù)，o 0 2 p 周圍海水的密度 另一個影響計算準則，尤其是以波浪主導的準則的參數(shù)是k e u l e g a n c a r p e n t e r 數(shù)，定義如式2 9 ： 愆= 虬去( t + 瓷 2 式中： k c k e u l e g a nc a r p e n t e r 數(shù) u w 最大波浪誘導速度，可以由式2 2 計算 u c 最大海流誘導速度，可以由式2 4 計算 t發(fā)生v 的波浪周期 d e管道鋼材的外徑 t 。防腐蝕保護層的厚度，d 2 t 。2 t c o n t 咖混凝土層的厚度 ( 2 9 ) 哈爾濱工程大學碩七學位論文 判斷準則： 當1 0 v r 3 0 ，當4 v r 8 時，會發(fā)生渦激振動； 如果k c 3 0 ，當3 3 0 ，波浪起主導作用時，洗渦計算與定常流動的計算方法相同。 對于k c 3 0 ，波浪起主導作用時，洗渦計算基于波浪起主導作用的流動 準則進行。 對與軸向v ( d t , w3 0 5 ，7 4 3 ) 對于橫向v i v ： 覡若( 1 + 1 剖2 覡= u 呵詈i + i iu jj k c c r = 4 5 ( d n v3 0 5 ，7 4 3 ) 速度減額 速度減額根據(jù)d n vc n3 0 5 ，7 1 5 節(jié)計算 軸向v 一定常海流作用 軸向v 一浪流聯(lián)合作用： w g g c - i u ac 。i l 孓 v r 比= 1 2 2 9 1 8 墮 ， 、 帖 瓠剮 w 敞 肥 解 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 橫向v i v 定常海流作用： 橫向v i v 一浪流聯(lián)合作用 = 等爭 v r f f c = 2 2 6 9 職咖= 萬u c c f v r 咖= 1 2 2 9 l ? duc 叮+ u w 哼 凇曠箭 職咖= 2 2 6 9 軸向洗渦 1 0 v r 3 5a n dk s 1 8 軸向v i v ( v r = 速度減額，k s = 穩(wěn)性參數(shù)) 橫向v i v 時的最大懸跨 三玎三3 0 m 穩(wěn)性參數(shù) k 。：蘭：絲：魚 。p 帥時d e k s = 1 4 8 7 ( d n vc n3 0 5 ，7 1 6 ) 軸向v i v 有效性校核： k s v a l = i f ( k s 1 8 ，“下述校核有效”，“下述校核無效”，d n vc n3 0 5 ) k s v a l = “下述校核有效d ” 軸向v i v 有效性校核只有定常流作用 速度減額( 必須小于1 ) ： v r i l c = 1 2 2 9 v i v i l e = i f ( v r i l c l ，“無軸向v i v ”，“軸向v i v 可能發(fā)生”) v i v i l e = “軸向v i v 可能發(fā)生r ， 軸向v i v 校核一波浪海流聯(lián)合作用 1 9 哈爾濱下程大學碩士學位論文 速度減額( 必須小于1 ) ： v 融1 w c = 2 2 9 6 v i v i l 、v c = i f ( v r i l w c 4 8v i v 將會發(fā)生 ( d n vc n3 0 5 ，7 3 1 ) 速度減額 v r c f c = 1 2 2 9 v c f c = i f ( 4 8 v r i l c 3 0 時4 v r 8v i v 將會發(fā)生 ( d n vc n3 0 5 ，7 4 6 ) 當k c 3 0 時3 v r 9v 將會發(fā)生 ( d n vc n3 0 5 ，7 4 8 ) 速度減額 v r c f w e = 2 2 9 6 c a r p e n t e r 數(shù) k c c f = - 4 5 v i v c 觚c 1 = i f ( 4 v r c f w c 8 ，“橫向v i v 將會發(fā)生”，“橫向v i v 不會發(fā)生”) v i v c f w c 2 = i f ( 3 v r c f w c 3 0 ，v i v c f w c l ，v i v c f w c 2 ) v i v c f w c = “沒有橫向v i v ” 2 5 靜態(tài)許用懸跨長度 等效應(yīng)力準則 v o nm i s e s 等效應(yīng)力如式2 1 0 ： 吒：屆i f i 麗研s m y s b 2 0 ( 2 1 0 ) 哈爾濱工程大學碩+ 學位論文 式中： 6 e 等效應(yīng)力 6 z 縱向法向應(yīng)力 曲環(huán)向應(yīng)力 c g h 由剪力和扭矩產(chǎn)生的剪力( 很小，忽略不計) k t 由溫度決定的材料強度減額系數(shù) r l安全系數(shù)，見表2 1 環(huán)向應(yīng)力準則 環(huán)向應(yīng)力用來計算管道的約束和非約束斷面的應(yīng)力狀態(tài)，環(huán)向應(yīng)力可以由式2 1 1 計算： ：虹掣輒觥辟 厶 ( 2 - 1 1 ) 式中： c h 環(huán)向應(yīng)力 p i設(shè)計內(nèi)壓 p e 設(shè)計外壓 t管道名義壁厚 1 1安全系數(shù)，見表2 1 注：上述環(huán)向應(yīng)力準則由d t 2 0 時的管道得來。 設(shè)計中，考慮腐蝕性流體，計及許可腐蝕時，在計算環(huán)向應(yīng)力時，應(yīng)將 許可腐蝕厚度從名義厚度中減掉。 縱向應(yīng)力準則 用縱向應(yīng)力準則計算管道橫截面的軸向應(yīng)力( oa x i a l ) 時應(yīng)分下列三種 情況討論： l ：約束( 兩端為固定端) 2 ：兩端簡支 3 ：一端簡支，一端固定端 1 ：約束( 兩端為固定端) 兩端為固定端時，軸向應(yīng)力由式2 1 2 計算 m d 盯刪= 1 1 0 h o o p e a r ( r 2 一互) 石一 刖s t e e l ( 2 - 1 2 ) 式中： 2 l 哈爾濱工程大學碩士學位論文 v 泊松比，0 3 at 熱膨脹系數(shù)( 1 ) t 2 計算狀態(tài)下的溫度 t l 周圍海水最低溫度 m彎矩( n m ) 2 ：兩端簡支 兩端簡支時，軸向應(yīng)力由式2 1 3 計算 盯刪：0 5 0 - h o o p _ _ + 籌 3 ：一端簡支，一端固定端 一端簡支，一端固定端時，軸向應(yīng)力由式2 1 4 計算 盯, * , , t = 0 - 5 c r h 唧一等等z ) 式中： ua 縱向土壤摩擦系數(shù) w s埋入海底的單位長度管道質(zhì)量( n m ) z 管道從自由端到不動點的長度( m ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式2 1 3 ，式2 1 4 中，計算彎矩m 時，包含懸跨所受的各種載荷，彎矩 m 是由埋入海底重量產(chǎn)生的載荷，管道路徑曲率，以及波浪和海流產(chǎn)生載荷 引起彎矩的矢量和，彎矩m 由式2 1 5 計算： m = ( 學) 2 + ( 爭+ 魯 2 n 5 5 ， f單位長度環(huán)境產(chǎn)生側(cè)向聯(lián)合作用力，f d f i ，( n m ) 縱向應(yīng)力準則如下 哈爾濱工程大學碩士學位論文 盯玎s m y s k r 式中： 6 粵縱向應(yīng)力 s m y s 額定最小屈服強度 1 1安全系數(shù)，見表2 1 表2 1 海底管道安全系數(shù) 環(huán)向應(yīng)力縱向應(yīng)力等效應(yīng)力 油氣管道和輸油立管 0 7 20 8 00 9 0 連接無人平臺的輸氣立管 0 6 00 8 00 9 0 連接平臺的輸氣立管 0 5 00 8 0o 9 0 2 6 靜態(tài)分析算例 。 用m a t h c a d 軟件進行編程計算： 輸入數(shù)據(jù) 主要參數(shù) 總外徑 d = 0 2 5 4 m 壁厚 仁1 3 m m 內(nèi)腐蝕許可厚度 鏟3 1 1 3 1 額定最小屈服強度 s m y s = 4 4 8 m p a 內(nèi)壓 p i = 1 2 1 0 7p a 外壓 p e = 0 9 1 0 7p a 泊松比 v = 0 3 熱膨脹系數(shù) at = 1 1 7 木】o 6 】 哈爾濱工程大學碩士學位論文 管道曲率半徑 1 f 1 0 0m 埋入海底部分質(zhì)量 w s = 8 3 1 8n m 最大許可長度 l s p a n = 3 0 1 1 1 升力 f l = 0n m 慣性力 f i = 5 0 0n m 拖曳力 f d = 1 0 0 0 n m 土壤摩擦力 pa = 0 4 計算狀態(tài)下的溫度 t z = 2 5 環(huán)境溫度 t l = 4 溫度決定的材料強度降低系數(shù) k a - = 0 8 初步計算 面積慣性矩 l 刎= 云( d 4 書- t ) 4 ) i s t e e l = 2 1 6 1 1 0 。5m 4 聯(lián)合側(cè)向力 f = f i + f d f = 1 5 0 0 n 旭 彎矩 應(yīng)力計算 對于環(huán)向應(yīng)力 m - ( 學) 2 + ( 爭等 2 n 5 m = 7 6 9 2 1 0 4n m 哈爾濱_ t 程大學碩士學位論文 咿虹掣 oh = 3 6 6 1 0 7p a 對于縱向力 c a s e l ( 兩端固定) ： = p 。唧 o 默i a j = 4 7 0 4 * 1 0 8 p a c a s e 2 ( 兩端簡支) ： 盯。肼= i 印一e a r ( 互一互) i oa x i a l = 4 8 9 4 8 宰10 5p a c a s e 3 ( 一端固定一端簡支) ： 盯刪= 卜腳一籌弓 o a ) 【i a l = 4 7 9 9 9 1 0 8p a 最大縱向力有上述3 種條件得到 ol _ 4 8 9 4 8 1 0 8 p a 等效應(yīng)力 應(yīng)力計算準則 對于環(huán)向力 對于縱向力 等效應(yīng)力 o e - 4 6 2 8 4 1 0 8p a 盯 。= r s m y s k r 0h c = 3 2 2 6 1 0 8p a a 。毗= r s m y s k r 0 默i a l c = 3 5 8 4 1 0 8p a 哈爾濱 二程大學碩士學位論文 仃。= r l s m y s k r 0e c = 4 0 3 2 拳1 0 8p a 輸出 輸出1 = i f ( oh 0h 。，“環(huán)向力未超額”，“環(huán)向力超額”) 輸出1 = “環(huán)向力超額” 輸出2 = i foa ) 【i a l 0 缸i 幽“軸向力沒有超額”，“軸向力超額”) 輸出2 = “軸向力超額” 輸出3 = i f ( o 。 0 。，“環(huán)向力未超額”，“環(huán)向力超額”) 輸出3 - - 等效應(yīng)力” 2 7 本章小結(jié) 本章對海底管道的渦激振動( v l v ) 現(xiàn)象，進