徐 婷，王 洁 编译

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077； 2. 渤海石油装备福建钢管有限公司 福建 福州 350512)

0 引 言

石油和天然气满足了世界上基础能源需求的54%，作为主要能源，在国家的经济建设中占有举足轻重的地位。由于其易燃、易爆，且形态为流体或者气体，对运输过程中的安全性要求非常高。在诸多运输方式中，管道运输是最适合的方式之一。管道服役过程中，腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。管道泄漏成为目前面临的重大问题。油气管道一旦泄漏，将会造成人员伤亡、经济损失及环境污染等。因此，对油气管道进行可靠性评价研究成为一项重要的工作。

现行准则中的腐蚀评价方法依赖由经验获取的安全系数，因此，对管道相关风险或安全水平的真实影响尚不清楚。极限状态设计(LSD)是一种成熟的工艺，已成功应用于许多结构系统，包括海上管道。本文主要是制定一套LSD方法来评价陆上管道的腐蚀特征。这些检查旨在达到与前面提到的工作中开发的设计方法所包括的安全水平相一致的安全水平。比较了这些方法所需的修复次数和一些实际管道的其他方法所需的修复次数。

1 范 围

本文提出的方法适用于输送非酸性天然气和低压(LVP)烃类液体的陆上输送管道。该方法是为埋地越野管道制定的。不考虑与穿越段、地面段和其他特征有关的特殊条件。根据失效后果的严重程度，评价准则涉及两类极限状态。

最大极限状态(ULS)，一种极限状态，将导致容器的损坏，并导致与安全相关的或环境破坏的显著潜在危险。这一类包括大的泄漏和破裂。

泄漏极限状态(LLS)，一个小的泄漏(针孔)导致有限的容器损坏。对于天然气管道而言，这一类别不会造成任何重大的安全或环境后果。对于LVP液体管道，LLS可能会导致一些环境后果，但这些后果通常不会像ULS那么严重。本方法中使用的腐蚀极限状态方程来自CSA Z662的附录O，适用于SMYS等于或大于241 MPa的管道。

2 方 法

2.1 概念

用于开发的LSD方法是基于可靠性的方法，该方法以规定的可靠性级别为目标，以实现一致的安全或风险级别。LSD方法的主要局限性是可靠性目标只能在管道相关情况范围的大概基础上实现，因此可靠性水平的一致性只能在一定的公差范围内实现。

2.2 标定过程

LSD检查的校准过程主要包括：1)选择一组方法定义标定输入参数的特征值；2)对于每个标定事例，使用年失效概率与时间的关系来识别初始极限状态(即LLS或ULS)，并计算发生这种情况的时间(特征的“可靠寿命”)。在图1的示例中，8.5 a后，超过ULS目标；3)计算相应的安全系数；4)在所有安全级别中所有校准示例重复步骤2)和步骤3)；5)对于每种极限状态类型(LLS和ULS)，分析步骤4)中相应的结果，以确定安全系数与校准示例参数(如直径、钢级和壁厚)之间的相关性。基于这些相关性，以离散性最小化的方式将安全系数定义为适当参数的函数。

只有在30 a或更短的时间内超过允许的失效概率的事例才会进行分析。

ULS和LLS检查是同时标定的，通过确保与给定的极限状态类别对应的检查不会受到由其他极限状态类别控制的情况的不适当影响，从而达到更好的一致性。

图1 失效概率作为腐蚀特征时间函数的说明

3 安全的方法

3.1 可靠性目标

可靠性目标(= 1-允许失效概率)用于标定见表1和表2表示的ULS和LLS LSD方法。

表1 ULS 可靠性目标 (km·a)-1

表2 LLS可靠性目标 (km·a)-1

3.2 确定安全等级

为给定的管道确定的安全级别是其ULS失效严重程度的函数。表3总结了以后果严重程度划分的安全等级体系。对天然气管道，释放的后果被定义为致命的数量的函数,与αβPD3成正比。对于LVP烃类液体管道，泄漏对环境的影响决定其失效后果，因此，泄漏量和泄漏部位的敏感性是其失效的直接函数。环境影响与βD1.6成正比，β的值,基于管道位置特征(土地利用和环境敏感性)。

表3 根据后果严重程度确定的ULS安全等级

注：α为产品系数；β为环境敏感度位置系数；P为设计压力，MPa，D为直径，mm。

3.3 标定输入

3.3.1 标定事例

对多种管道情况进行了标定，每种情况的特征是给定的直径、SMYS、最大工作压力(MOP)和环应力与SMYS比值(%SMYS)的组合。表4总结了这些参数的范围。标定共使用11 084例。

表4 标定事例

注:t为壁厚，mm。

3.3.2 输入参数

失效概率计算中使用的输入参数概率分布见表5。

表5 用于腐蚀检查标定的输入参数分布

a视标定事例而定(见表4);b基于工具规范±10%t，有80%的置信度;c基于工具规范±20%t，有80%的置信度。

3.4 LSD 准则标定

3.4.1 特征值

检查LSD的输入参数特征值见表6。

表6 腐蚀LSD准则中使用参数的特征值

a为超越概率。

3.4.2 ULS 准则

腐蚀特征的ULS准则如下：

Pc<γuPbc

(1)

式中，γu为ULS安全系数;Pbc为特征处的压力，MPa。

3.4.3 LLS 准则

腐蚀特征的LLS准则由下式给出：

hc+ehc+ghc×τL<γLtc

(2)

(3)

式中，γL为LLS 安全系数，τL为剩余LLS可靠性寿命。

3.4.4 LSD 准则评价

经校正的LSD准则的准确性是通过将该准则应用于开发过程中所使用的所有校正案例来评估的。与LSD准则相关的计算失效概率与允许失效概率之间的差值是衡量准则在实现可靠性目标方面一致性的指标。ULS和LLS准则在不同允许概率水平下的计算失效概率与允许失效概率之比以红色标记如图1至图3所示。注意到允许概率级别是基于年度的每个特征来定义的，它是安全等级和特征密度的函数。对于LLS来说，准则的精度在目标允许失效概率的一个数量级之内，这个数量级是设计中LSD准则校准时使用的公差。对于ULS来说，最低到1.5×10-7的概率等级，准则主要是在公差范围内。对于低于1.5×10-8的概率等级，结果偏离则相当大。有很大的偏差的低于1.5×10-9的概率等级对应着高安全等级的管道 (大口径、高压力和两位数的人口密度)，其在运行管道网络中比例较小。

图1 ULS失效概率与允许失效概率比较

图2 ULS失效概率与允许失效概率比较(天然气)

图3 ULS失效概率与允许失效概率比较(LVP)

如果认为该低概率区域内的分布是不可接受的，则可以将ULS准则的适用性限制在其允许的概率水平之上，并对该低概率区域内的管道进行充分的可靠性分析。

3.5 应用程序

3.5.1 特征密度评估

特征密度是截面上的特征数除以截面长度，通常由内检测(ILI)数据确定。因此，在从称做工具mc的特征数量估算实际特征数量m时，需要考虑检测和错误信号的概率。这两个量的关系如下:

(4)

这里FPPV是内检测假阳性预测值，由错误信号数量mfc和全部信号数量mc的比率估算。

(5)

POD是检测概率，由正确信号数量(mc-mfc)和全部信号数量mc的比率估算。

(6)

不必要的保守性可以通过消除mc中不重要的特征来减少，其中“不重要”指的是在下一次检查之前主观判断为太小而不会造成失效的特征。例如，低于壁厚10%的腐蚀特征可能被认为是不重要的，通常不向操作人员报告。虽然这一定义涉及主观判断，但它是在确定性腐蚀评估方法的背景下，为减少分析工作而经常做出的一种定义。

3.5.2 基于特征的评价方法

将LSD准则应用于各个特征包括以下步骤：1)在考虑的剖面上估计重要特征的密度，n(每千米)。2)利用n的值计算LLS和ULS的安全系数。3)定义输入参数的特征值。4)使用安全系数和特征值为在适合的LLS和ULS检查中的每个特征计算特征的可靠寿命。5)计算为LLS和ULS计算的两个可靠寿命值中的较短的特征寿命，例τ= min{τL,τU}。6)使用为每个特征计算的τ值来决定每个特征的修复时间和下一次检查的适当时间。

应用基于特性方法的另一种方式是定义特定的时间周期τ，并使用极限状态检查来识别需要在时间周期τ之前修复的特性。通过改变τ并重复分析，可以制定修复计划。

这种方法相对简单，但很保守，因为它基于特征之间允许失效概率的平等划分，而不管特征的大小。保守等级随着特征数量的增加而增加，这可能是一个很大的限制，因为不必要的保守与大量的特征相结合会导致大量不必要的挖掘。表明该方法适用于每千米200以下的特征密度，但对于每千米400以上的特征密度，该方法的结果非常保守。

3.5.3 截面评定方法

截面评定方法是将管道截面腐蚀特征的失效概率作为一个整体来考虑，并保证整体失效概率低于该截面的允许阈值。

在以前讨论的基于特征的方法中，n值的定义和使用是为得到相应的安全系数γU(n)。对γU(n)来说，能够满足极限状态检查的特征将会有一个小于pf-a/n的ULS失效概率。因此，安全系数γU(n)可被视为在n特征之间把pf-a平分，或者说,一个功能安全系数γi,失效概率等于pf-a/ n(γi)。因此，长度l、特征总数m、特征密度n=m/l的管道截面，l的单位为千米(km)，在以下情况下满足可靠性目标:

(7)

(8)

与基于特征的方法类似，式(7)中对所有与时间有关的损伤特征(包括腐蚀、裂纹和凹痕)求和，以确保达到可靠性目标。当腐蚀是主要的时间依赖性威胁时，仅将该方程应用于腐蚀问题可得到近似解。

由于需要满足标准的修复不是唯一的,用户可以选择修复任何特征,只要对于ULS和LLS来说，剩余特征在时间τ内满足公式(7) 。为了提供实现该方法的指导，这里描述了一个简单而保守的过程。这个过程是基于以下目标:1)减少修复次数(首先选择失效概率最高的特征进行修复);2)将ULS和LLS标准要求的修复之间的任何重叠所导致的额外保守评价分配给ULS标准。

实现方法如图4所示。它涉及为每个特征在时间τ计算γi，然后利用γ和r的关系来计算γi。然后根据ri的增加顺序(失效概率的增加顺序)对特征进行排序。通过将ri值按失效概率增加的顺序相加，直到和达到l，根据式(7)可以识别出满足可靠性目标的最大特征数量，然后必须修复其余的特性。

如基于特征的方法所讨论的，基于特征的评价方法中使用的评价部分的长度限制为1 600 m，除非能够证明较长的评价部分具有统一的特征属性。为本条款的目的在评价特征属性的均匀性时，需要考虑的因素包括由管道物理特性、运行和环境属性决定的特征密度、特征大小分布和特征增长驱动力。

对于所有管道，基于截面的方法都不如基于特征的方法保守，这对于特征密度非常高，超过每千米400的管道尤其有益。

图4 截面评定方法过程

4 结 论

1)本文描述了用于评价陆地管道的腐蚀特征的一种LSD方法，包括最大极限状态(ULS)和泄露极限状态(LLS)两种失效模式。

2)ULS评价准则包括6个范围的可靠性目标，以6个安全级别表示，对应从低到极端的失效后果。LSD评价准则是为ILI工具检测到的各个特性定义的。准则包括一组使用单一安全系数和标定的管道特征值以及特征输入参数(如拉伸强度、生长率和尺寸误差)的检查，用于腐蚀检测的安全系数定义为特征密度的唯一函数。

3)由于天然气和LVP的LLS可靠性目标不同，天然气和LVP管道的LLS安全系数也不同。ULS安全系数定义为安全等级、SMYS百分比、特征密度和MOP的函数。满足指定可靠性目标的LLS和ULS检查精度在设计标准中使用的公差范围之内，但不包括在极低的允许概率水平的ULS检查。

参 考 文 献(略)

本文编译自 ADIANTO R, NESSIM M, LU Dongliang. Development of reliability-based criteria for corrosion assessment[C]//Proceedings of the 2018 12thInternational Pipeline Conference IPC 2018,September 24-28, 2018, Calgary, Alberta, Canada.