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    燃氣輸配管網完整性管理初探
    2007-11-30   點擊:12353

     時間:2007-11-27    來源: 中國管道商務網
        1 前言
        城市燃氣輸配管網長期埋設在地下,受到各種不確定性因素的影響和破壞,會不同程度地出現了腐蝕等缺陷,給系統安全帶來潛在的巨大危害。
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        一旦發生事故,不僅經濟損失巨大,而且易成為社會不穩定因素,因此必須對城市燃氣輸配系統安全評價給予高度重視。
        完整性管理(Integrity Management Program,IPM)就是為滿足安全管理的客觀需要,近幾年發展起來的以管道安全為目標的系統管理體系,內容涉及管道設計、施工、運行、監控、維護、更換等全過程[1]。簡單地說,完整性管理體系就是在前期對整個燃氣管網系統進行可靠性、風險性評價的基礎上,利用完整性檢測技術評估運行狀態指標,確定再評價周期等。它反映了燃氣管道安全管理從單一安全目標向提高效率、增加綜合經濟效益的多目標發展的趨勢。
        2 完整性管理
        2.1 概 述
        美國管道安全局最新頒布的規定強制性要求燃氣運營商必須對所管轄的天然氣管道實施完整性管理,并提供了四種可供選擇的方案[2]:內部檢測技術、壓力試驗、直接評價、其他能夠評價管道現狀的技術(允許使用沒有寫入該規定的方法)。規程指出單一技術的應用不可能全面闡明潛在的事故誘因,應該在考慮風險評價結果、缺陷類型、方法有效性和可行性等之后,進行選擇、組合,從各自不同的角度出發,最終得到不同類型的評價報告[3]。可見,完善的天然氣管道完整性管理技術結合了在線檢測技術,水力靜壓試驗,直接評價和腐蝕控制等措施,至少包括以下內容[4]:① 決定哪些管段處于高危地區(High Consequence Areas,HCAs);②具有針對性的評價計劃;③具有連續性的完整性評估方案;④整合、分析與完整性有關的數據和失效后果,確定評價后管道如何維修的標準等;⑤識別和評價用來保護高危地區的防護和減緩措施;⑥度量完整性管理方案的有效性;⑦權威人士對評價結果和數據分析的認可。
        2.2 完整性管理的基本步驟
        通用的完整性管理程序包含以下幾個步驟:
        (1)預準備階段
        本階段工作的主要內容有:①根據客觀情況劃分管段,確定失效類型,例如國際管道研究委員會(Pipeline Research Committee Internationa1, PRCI)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、21種小類,再加上未知原因,共22小類。②分別對各管道進行評價并將結果匯總,確定需要優先考慮的管段和重點預防的失效類型。③收集管道完整性管理數據,包括管道原始施工圖和監測記錄、管材合格證書、制造設備技術數據、管道設計與工程報告、管道調查和試驗報告、管道監測計劃、運行和管理計劃、應急處理計劃、事故報告、技術評價報告、操作規范和相應的工業標準等。④依靠專家或公眾社會對某事件達成的共識所量化的經驗值。
        (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,比較其結果,確定需要優先開展管道完整性評價的管段區域和需要優先預防的失效原因。
        (3)完整性評價階段
        對需要優先評價的管段,采用綜合檢測技術的結果評價管道的完整性。
        (4)維修、調整、制定預防措施和確定再評價間隔周期階段
        通過管道維修、運行工況調整和預防措施來消除或減緩檢測中發現的安全隱患,提高管道安全性,是對檢測評價的響應。再評價周期主要根據維修標準、維修數量和預防措施有效性來確定,基本原則是:經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展成危險性缺陷。工程技術人員可以根據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、按檢測缺陷預測的失效壓力三個數值,即可按照約定法即可確定再評價周期等。
        2.3 在線檢測
        在線檢測使用管內移動的傳感設備,通過無損探測技術(Non-Destructive Testing,NDT)識別、定位和描述金屬損失、管道變形、縫狀缺陷、管位移動等情況,是測量在役管道機械、腐蝕、焊接缺陷的有效方法,也是為監測和管理管道風險提供可靠信息的最重要手段。它所提供的數據有助于量化腐蝕速率、事故后果嚴重性,確定再檢測時間間隔,能夠定量給出風險評價結果,提供管道維護和整改方案等。但是,它不能測得缺陷發生的具體位置,也不能預測其未來發展趨勢,所以必須采用其他方法作為補充,而且要每隔一段時間進行再評價[5]。
        根據最初探測目標,在線檢測技術適用于以下幾種情況:
        (1)金屬損失:探測、測量腐蝕造成的損失特征量。根據不同的側重點還可以檢測制造缺陷、焊接問題、機械損傷、凹坑、褶皺、迭層、水壓試驗造成的裂紋等其他缺陷。常用方法有漏磁探傷和超聲波法。
        (2)變形:探測、測量凹坑、褶皺、彎曲半徑等特征量。
        (3)裂縫:所能探測的裂縫位于管體或焊縫,包括疲勞裂紋、沿焊縫方向的疲勞裂紋、由焊接質量差造成的各種裂縫等。具體方法有超聲波檢測、環向漏磁、電磁檢測和彈性波長試驗。
        (4)繪制管位移動圖。
        美國ASME B31.8S規范認為“在線探測技術的有效性取決于取樣管道的特定條件和設備選擇是否得當”。因此,制定高效、可行、經濟的預案,對數據作必要的初步評價,提高項目管理水平,提供長期的系統維護方案,有助于大幅度提高在線檢測技術的應用水平。
        2.4 水壓試驗
        水壓試驗(也稱為流體靜力學壓力試驗)是確保管道完整性運行的有效方法之一,能夠檢查出隨時間變化的缺陷,如普遍腐蝕、腐蝕疲勞和疲勞裂紋等。該方法能夠發現鋼管內部腐蝕、外部腐蝕、疲勞裂紋、損傷、制造與施工質量不佳等多種危害管道安全的問題,并且只需要開挖對管道完整性有確定性風險的部位,施工工程量有限,因而使用范圍廣泛。但是試驗時必須注意以下幾個關鍵問題:①必須停止待測管道供氣。②為確保試驗用液體介質(例如水)在管內流動,待測管道應封閉成環。③經驗表明,隨著試驗壓力升高,典型的管材缺陷開始生長。如果該缺陷接近失效極限,即使停止試驗或保持壓力值不變,延性剪切作用仍會繼續,且作用大于該缺陷造成的管道失效。當管道位于失效邊緣時,剪切作用會給管道造成非常嚴重的損傷,在后面的壓力試驗中(即使壓力值小于前一次試驗值)導致管道失效[6],因而必須確定合理的試驗壓力。
        2.5 直接評價
        直接評價(Direct Assessment,DA)是分析歷史數據、地上測量結果,確定特定缺陷造成的風險部位的過程。優點是不影響正常供氣,不需要對管道做預先處理。缺點是使用范圍有限,如果缺乏詳細資料,要進行有針對性的開挖工程,獲取可靠的數據。
        針對不同問題,直接評價又分為內部腐蝕直接評價、外部腐蝕直接評價、應力腐蝕直接評價。其中,內部腐蝕直接評價(Internal Corrosion Direct Assessment,ICDA)針對的是短期內可能存在濕氣及游離水的輸送干氣的鋼質管道。該方法假設積水最多的部位最容易發生內部腐蝕。所以,首先對積蓄電解液的部位做詳細檢查,認為該點的剩余強度就是系統剩余強度的最小值。如果該處沒有發生腐蝕,那么認為其它部位更不可能發生腐蝕。因此,關鍵之處是發現管道內部可能發生水原始積聚的部位。外部腐蝕直接評價(External Corrosion Direct Assessment,ECDA)則是基于間接分析的結果,更準確定位外部腐蝕的位置。由于實地開挖觀察腐蝕情況開銷大,通常根據管道現狀決定開挖點的位置和數量[7]。應力腐蝕直接評價(Stress Corrosion Cracking Direct Assessment,SCCDA)的目的是明確管道系統是否容易發生應力腐蝕裂紋,裂縫是否嚴重和繼續生長。與管道內部、外部腐蝕相比,應力腐蝕缺陷直接導致的事故所占份額很小,失效機理復雜,研究對象主要集中在有外部腐蝕缺陷的管道應力腐蝕缺陷[8]。但是,科技進步將使其逐漸發展成為獨立性、操作性更強的評價方法。
        3 結論及建議
        綜上所述,完整性管理的關鍵是完善的基線評價方案,合理的整合數據和高級的數學模型。該技術以整個燃氣輸配系統的可靠性評價和風險評估為前提,三者構成一個完整的體系,若跨越前兩個階段而直接采用在線檢測等技術,則未必能實現預期效果。
        面對現代城市燃氣輸配管網系統向大容量、大規模、長輸送距離、多壓力級制等方向發展的趨勢,為逐步建立和完善燃氣管網的安全評價和管理體系,筆者提出以下幾點建議供參考:
        (1)制定和完善我國城市燃氣管道行業安全評價管理的強制性行業規范。
        (2)建立安全評價數據庫及數據管理規范。一個完備的管道安全評價數據庫不僅為系統的可靠性評價、腐蝕情況預測、風險評價、剩余強度計算、剩余壽命評估、檢測與維修提供基礎數據和必要依據。而且,能夠按照不同要求進行數據調用、查詢等統計分析工作,以數據或圖形等多種形式給出結果,最終達到對在役管道的動態管理。存儲有關位置信息、商業分布、人口分布等空間信息和極大量數據時,可以引入數據倉庫技術[9]。
        (3)現有數據的來源渠道、存儲方式各不相同,應建立本行業數據流通交換機制,重視數據整合。
        (4)建立數據庫與其他系統的對接通信機制。科技發展和管理者對數據的客觀需要,使數據管理方式跳躍式地從紙介存儲向地理信息系統 (Geographic Information System,GIS)發展,如美國管道安全局(Office of Pipeline Safety,OPS)的項目——全國管道地圖系統(National Pipeline Mapping System)就體現了這一趨勢[10]。除此以外,把管道安全評價數據庫和公司人員調配等企業管理資源數據庫對接,便于高層管理者或特定部門同時獲取高關聯度的人力資源、設備運行記錄和公司經營防御性信息,對實現可靠、高效的電子文件管理系統(Electronic Document Management System,EDMS)、企業資產管理(Enterprise Asset Management,EAM)有不可替代的作用[11]。
        (5)加強相關的課題研究。例如非埋地管線的安全評價技術,管道系統經濟性問題,管線服役期動態可靠性及其維修理論,管道防腐覆蓋層的有效保護壽命和緩蝕劑的有效保護壽命預測,用模糊總和評判原理建立管道失效嚴重度多層次模糊綜合評判模型,用人工神經網絡技術建立管道的疲勞壽命仿真模型等。
        (6)研制開發具有較高靈敏度,能夠探測到微小泄漏量但不發生錯誤警報的檢測設備,實現國產化。
        (7)開發管道安全評估軟件包,全面進行強制性推廣,支持評估工作。一方面,可以在全面了解、深刻理解現有軟件后,針對其缺點進行修改和完善;另一方面,在有效的項目管理之下,結合專家經驗,技術人員可以重組數據流,結合實際需要自行開發程序,將表面上毫無關聯的數據轉化為具有實用價值的信息。

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