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全心全意 安全可靠
燃气输配管网完整性管理初探
2007-11-30   点击:6550

 时间:2007-11-27    来源: 中国管道商务网
    1 前言
    城市燃气输配管网长期埋设在地下,受到各种不确定性因素的影响和破坏,会不同程度地出现了腐蚀等缺陷,给系统安全带来潜在的巨大危害。
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    一旦发生事故,不仅经济损失巨大,而且易成为社会不稳定因素,因此必须对城市燃气输配系统安全评价给予高度重视。
    完整性管理(Integrity Management Program,IPM)就是为满足安全管理的客观需要,近几年发展起来的以管道安全为目标的系统管理体系,内容涉及管道设计、施工、运行、监控、维护、更换等全过程[1]。简单地说,完整性管理体系就是在前期对整个燃气管网系统进行可靠性、风险性评价的基础上,利用完整性检测技术评估运行状态指标,确定再评价周期等。它反映了燃气管道安全管理从单一安全目标向提高效率、增加综合经济效益的多目标发展的趋势。
    2 完整性管理
    2.1 概 述
    美国管道安全局最新颁布的规定强制性要求燃气运营商必须对所管辖的天然气管道实施完整性管理,并提供了四种可供选择的方案[2]:内部检测技术、压力试验、直接评价、其他能够评价管道现状的技术(允许使用没有写入该规定的方法)。规程指出单一技术的应用不可能全面阐明潜在的事故诱因,应该在考虑风险评价结果、缺陷类型、方法有效性和可行性等之后,进行选择、组合,从各自不同的角度出发,最终得到不同类型的评价报告[3]。可见,完善的天然气管道完整性管理技术结合了在线检测技术,水力静压试验,直接评价和腐蚀控制等措施,至少包括以下内容[4]:① 决定哪些管段处于高危地区(High Consequence Areas,HCAs);②具有针对性的评价计划;③具有连续性的完整性评估方案;④整合、分析与完整性有关的数据和失效后果,确定评价后管道如何维修的标准等;⑤识别和评价用来保护高危地区的防护和减缓措施;⑥度量完整性管理方案的有效性;⑦权威人士对评价结果和数据分析的认可。
    2.2 完整性管理的基本步骤
    通用的完整性管理程序包含以下几个步骤:
    (1)预准备阶段
    本阶段工作的主要内容有:①根据客观情况划分管段,确定失效类型,例如国际管道研究委员会(Pipeline Research Committee Internationa1, PRCI)将天然气管道失效原因归纳为3种时间类型、9种失效类型、21种小类,再加上未知原因,共22小类。②分别对各管道进行评价并将结果汇总,确定需要优先考虑的管段和重点预防的失效类型。③收集管道完整性管理数据,包括管道原始施工图和监测记录、管材合格证书、制造设备技术数据、管道设计与工程报告、管道调查和试验报告、管道监测计划、运行和管理计划、应急处理计划、事故报告、技术评价报告、操作规范和相应的工业标准等。④依靠专家或公众社会对某事件达成的共识所量化的经验值。
    (2)风险评价阶段
    利用风险评价得到不同管段的风险指标和不同失效原因的风险指标,比较其结果,确定需要优先开展管道完整性评价的管段区域和需要优先预防的失效原因。
    (3)完整性评价阶段
    对需要优先评价的管段,采用综合检测技术的结果评价管道的完整性。
    (4)维修、调整、制定预防措施和确定再评价间隔周期阶段
    通过管道维修、运行工况调整和预防措施来消除或减缓检测中发现的安全隐患,提高管道安全性,是对检测评价的响应。再评价周期主要根据维修标准、维修数量和预防措施有效性来确定,基本原则是:经过本次维修后的残余缺陷到下个周期的完整性检测中不会发展成危险性缺陷。工程技术人员可以根据客观需要来选择适宜的方法确定再评价周期,例如通过比较管材最小屈服极限、管道最大操作压力、按检测缺陷预测的失效压力三个数值,即可按照约定法即可确定再评价周期等。
    2.3 在线检测
    在线检测使用管内移动的传感设备,通过无损探测技术(Non-Destructive Testing,NDT)识别、定位和描述金属损失、管道变形、缝状缺陷、管位移动等情况,是测量在役管道机械、腐蚀、焊接缺陷的有效方法,也是为监测和管理管道风险提供可靠信息的最重要手段。它所提供的数据有助于量化腐蚀速率、事故后果严重性,确定再检测时间间隔,能够定量给出风险评价结果,提供管道维护和整改方案等。但是,它不能测得缺陷发生的具体位置,也不能预测其未来发展趋势,所以必须采用其他方法作为补充,而且要每隔一段时间进行再评价[5]。
    根据最初探测目标,在线检测技术适用于以下几种情况:
    (1)金属损失:探测、测量腐蚀造成的损失特征量。根据不同的侧重点还可以检测制造缺陷、焊接问题、机械损伤、凹坑、褶皱、迭层、水压试验造成的裂纹等其他缺陷。常用方法有漏磁探伤和超声波法。
    (2)变形:探测、测量凹坑、褶皱、弯曲半径等特征量。
    (3)裂缝:所能探测的裂缝位于管体或焊缝,包括疲劳裂纹、沿焊缝方向的疲劳裂纹、由焊接质量差造成的各种裂缝等。具体方法有超声波检测、环向漏磁、电磁检测和弹性波长试验。
    (4)绘制管位移动图。
    美国ASME B31.8S规范认为“在线探测技术的有效性取决于取样管道的特定条件和设备选择是否得当”。因此,制定高效、可行、经济的预案,对数据作必要的初步评价,提高项目管理水平,提供长期的系统维护方案,有助于大幅度提高在线检测技术的应用水平。
    2.4 水压试验
    水压试验(也称为流体静力学压力试验)是确保管道完整性运行的有效方法之一,能够检查出随时间变化的缺陷,如普遍腐蚀、腐蚀疲劳和疲劳裂纹等。该方法能够发现钢管内部腐蚀、外部腐蚀、疲劳裂纹、损伤、制造与施工质量不佳等多种危害管道安全的问题,并且只需要开挖对管道完整性有确定性风险的部位,施工工程量有限,因而使用范围广泛。但是试验时必须注意以下几个关键问题:①必须停止待测管道供气。②为确保试验用液体介质(例如水)在管内流动,待测管道应封闭成环。③经验表明,随着试验压力升高,典型的管材缺陷开始生长。如果该缺陷接近失效极限,即使停止试验或保持压力值不变,延性剪切作用仍会继续,且作用大于该缺陷造成的管道失效。当管道位于失效边缘时,剪切作用会给管道造成非常严重的损伤,在后面的压力试验中(即使压力值小于前一次试验值)导致管道失效[6],因而必须确定合理的试验压力。
    2.5 直接评价
    直接评价(Direct Assessment,DA)是分析历史数据、地上测量结果,确定特定缺陷造成的风险部位的过程。优点是不影响正常供气,不需要对管道做预先处理。缺点是使用范围有限,如果缺乏详细资料,要进行有针对性的开挖工程,获取可靠的数据。
    针对不同问题,直接评价又分为内部腐蚀直接评价、外部腐蚀直接评价、应力腐蚀直接评价。其中,内部腐蚀直接评价(Internal Corrosion Direct Assessment,ICDA)针对的是短期内可能存在湿气及游离水的输送干气的钢质管道。该方法假设积水最多的部位最容易发生内部腐蚀。所以,首先对积蓄电解液的部位做详细检查,认为该点的剩余强度就是系统剩余强度的最小值。如果该处没有发生腐蚀,那么认为其它部位更不可能发生腐蚀。因此,关键之处是发现管道内部可能发生水原始积聚的部位。外部腐蚀直接评价(External Corrosion Direct Assessment,ECDA)则是基于间接分析的结果,更准确定位外部腐蚀的位置。由于实地开挖观察腐蚀情况开销大,通常根据管道现状决定开挖点的位置和数量[7]。应力腐蚀直接评价(Stress Corrosion Cracking Direct Assessment,SCCDA)的目的是明确管道系统是否容易发生应力腐蚀裂纹,裂缝是否严重和继续生长。与管道内部、外部腐蚀相比,应力腐蚀缺陷直接导致的事故所占份额很小,失效机理复杂,研究对象主要集中在有外部腐蚀缺陷的管道应力腐蚀缺陷[8]。但是,科技进步将使其逐渐发展成为独立性、操作性更强的评价方法。
    3 结论及建议
    综上所述,完整性管理的关键是完善的基线评价方案,合理的整合数据和高级的数学模型。该技术以整个燃气输配系统的可靠性评价和风险评估为前提,三者构成一个完整的体系,若跨越前两个阶段而直接采用在线检测等技术,则未必能实现预期效果。
    面对现代城市燃气输配管网系统向大容量、大规模、长输送距离、多压力级制等方向发展的趋势,为逐步建立和完善燃气管网的安全评价和管理体系,笔者提出以下几点建议供参考:
    (1)制定和完善我国城市燃气管道行业安全评价管理的强制性行业规范。
    (2)建立安全评价数据库及数据管理规范。一个完备的管道安全评价数据库不仅为系统的可靠性评价、腐蚀情况预测、风险评价、剩余强度计算、剩余寿命评估、检测与维修提供基础数据和必要依据。而且,能够按照不同要求进行数据调用、查询等统计分析工作,以数据或图形等多种形式给出结果,最终达到对在役管道的动态管理。存储有关位置信息、商业分布、人口分布等空间信息和极大量数据时,可以引入数据仓库技术[9]。
    (3)现有数据的来源渠道、存储方式各不相同,应建立本行业数据流通交换机制,重视数据整合。
    (4)建立数据库与其他系统的对接通信机制。科技发展和管理者对数据的客观需要,使数据管理方式跳跃式地从纸介存储向地理信息系统 (Geographic Information System,GIS)发展,如美国管道安全局(Office of Pipeline Safety,OPS)的项目——全国管道地图系统(National Pipeline Mapping System)就体现了这一趋势[10]。除此以外,把管道安全评价数据库和公司人员调配等企业管理资源数据库对接,便于高层管理者或特定部门同时获取高关联度的人力资源、设备运行记录和公司经营防御性信息,对实现可靠、高效的电子文件管理系统(Electronic Document Management System,EDMS)、企业资产管理(Enterprise Asset Management,EAM)有不可替代的作用[11]。
    (5)加强相关的课题研究。例如非埋地管线的安全评价技术,管道系统经济性问题,管线服役期动态可靠性及其维修理论,管道防腐覆盖层的有效保护寿命和缓蚀剂的有效保护寿命预测,用模糊总和评判原理建立管道失效严重度多层次模糊综合评判模型,用人工神经网络技术建立管道的疲劳寿命仿真模型等。
    (6)研制开发具有较高灵敏度,能够探测到微小泄漏量但不发生错误警报的检测设备,实现国产化。
    (7)开发管道安全评估软件包,全面进行强制性推广,支持评估工作。一方面,可以在全面了解、深刻理解现有软件后,针对其缺点进行修改和完善;另一方面,在有效的项目管理之下,结合专家经验,技术人员可以重组数据流,结合实际需要自行开发程序,将表面上毫无关联的数据转化为具有实用价值的信息。