X 城区钢质埋地燃气主干管网高风险管段识别技术研究

引言

X 城区作为成都市一个重要城区，是城市发展过程中较早使用天然气的地区之一。经过对近年来数据整理收集，X 城区燃气主干管管网存在的主要安全风险是第三方损伤、管道腐蚀、管网设计和误操作等问题。以及前期管道设计施工水平的限制，部分服役年限较长的燃气管道存在着巨大的安全风险。因此有必要对X 城区的燃气管道开展腐蚀破坏风险评价，筛选腐蚀破坏高风险点，对代表性管道开展安全裕量计算和缺陷管道剩余寿命评价[1]。通过风险综合评价，筛选出高风险管段。

通过理论计算，给出了不同工况、不同腐蚀缺陷下的X 城区主燃气管网的安全裕量和临界尺寸，并对如何筛选出X 城区燃气主干管管网的高风险管段和三级风险预警进行了探讨。考虑到腐蚀工况复杂及检测成本，明确了X 城区管道内/外检测周期为剩余寿命的三分之一，对于剩余寿命超过 15 年的管道内/外检测周期为 5 年，并给出了相应的管控措施，对于解决 X 城区燃气主干管管网的安全性和风险控制具有重要的理论和应用价值。

1.Kent 风险评价方法

燃气管道的风险因素众多，各因素之间相互存在关联，且存在非线性的特征，因此其风险评价是一项复杂系统工程[2]。其内容包括：评价指标体系建立的基本原则、风险评价方法的优选、评价指标的选定、风险因素权重计算、风险指标的量化、风险值的计算和风险等级的量化与排序。

1.1 指标体系简介

Kent 风险评价方法中，给出了四个一级指标，包括：第三方损伤指数；腐蚀指数；设计指数；误操作指数。该方法以风险的数量指标为基础，对管道事故损失后果和事故发生可能性，按因素的权重值各自分配一个指标，然后对这些指标进行组合，从而形成一个相对风险指标。

1.2 钢质埋地燃气管网风险评价步骤

第一步：建立一级指标和二级指标。

第二步：根据打分依据，给一级指标和二级指标打分。其中，燃气管道风险等级划分的分值范围可以参考图 1-1，并由行业专家根据燃气管道的实际情况调整评估定级，并完成一级指标和二级指标打分。本文给出的燃气管道安全裕量计算结果和三级风险预警界限值给专家打分提供了依据，避免了因人为因素造成风险评价结果失真。

第三步：根据燃气管道风险评价指标权重计算方法，完成一级指标和二级指标权重计算。

第四步：一级指标和二级指标的风险分值与相应的权重相乘，计算风险值。

图1-1 燃气管道风险等级划分表

总而言之，综合风险分值 Ψ= 第三方损伤指数 × 权重系数 + 腐蚀指数× 权重系数 + 设计指数 × 权重系数 + 误操作指数 × 权重系数。数值在0～100 分之间变化，数值越高，风险越高。

2.钢质埋地主干燃气管网风险评定依据

2.1 基于燃气管道事故及原因统计的风险评定依据

经过收集整理了X 城区近四年燃气管道事故的统计，发现第三方破坏是导致燃气管道破坏的首要因素，年均都在 80 起以上，特别是在 2021 年达到了 126 起。此外，由于腐蚀因素导致的事故数量也较多，2021 年时达到了83 起。此外由于管道施工质量、设计等因素导致的事故数量年均也在 10 起以上，由于运维操作导致的事故数量最少[3]。

2.2 基于含腐蚀缺陷燃气管道三级预警界限的风险评定

2.2.1 含点蚀缺陷燃气管道三级预警评定依据

根据各管段最大安全工作压力计算结果，确定现役含缺陷管段的三类安全预警值的评定依据。管体腐蚀损伤评定类别，依据其继续使用的能力划分。判断依据是：

1）当腐蚀区域的最大深度与公称壁厚相比 ⩽10% 时，或者设计压力与最大允许操作压力的比值小于管道设计系数时，评定为第3 类腐蚀。

2）当设计压力与最大允许操作压力的比值大于管道设计系数 ∠Ω<1Ω 时，评定为第 2 类腐蚀。

3）当设计压力与最大允许操作压力的比值 >1 时，评定为第 1类腐蚀。

2.2.2 含裂纹缺陷燃气管道三级预警评定依据

根据腐蚀层度可划为立即修复，限期修复，监测使用

根据燃气管道内压分别为设计压力、最大可操作压力和最高工作压力三种工况条件，结合含裂纹缺陷主干线管道失效的临界尺寸计算解析模型和剩余强度计算方法，以临界裂纹高度作为含裂纹缺陷燃气管道的三级预警界限，确定了含裂纹缺陷燃气管道的三类安全预警评定依据，实现了安全风险评定的量化依据[4]。含裂纹缺陷燃气管道三类安全预警评定类别划分未立即修复，限期修复，监测使用。

2.2.3 含腐蚀缺陷燃气管道风险预警评定结果

（1）含点蚀缺陷埋地直管道

根据上述现役含缺陷管段的三类安全预警值的计算方法，可得含点蚀缺陷主干线管道的预警计算结果，见图2-1。

（2）含裂纹缺陷主干线管道

根据上述现役含裂纹缺陷管段的三类安全预警值的计算方法，在最高工作压力工况条件下进行计算，可得含裂纹缺陷主干线管道的预警计算结果，见图 2-2。

图2-2 各燃气管道以裂纹高度为指标的三级预警界限

3.实例计算

该输气管线长度是 20.7km ，管线规格为 Φ219×6mm ，管材等级为 L245 无缝钢管，最小屈服强度为 245MPa ，极限抗张强度为415MPa。设计压力为 4.0MPa ，最大可操作压力为 3.5MPa ，最高工作压力为2.5MPa。该管段设计安全系数是 2.5，按照设计压力和公称壁厚计算，实际安全系数 3.36，壁厚腐蚀裕量为6mm。

根据点蚀缺陷下该管道安全裕量计算结果，在设计压力下该管道最大允许点蚀深度为 5.5mm 。根据裂纹缺陷下该管道安全裕量计算结果，在设计压力下该管道埋藏裂纹的最大允许裂纹高度为 0.34mm （未考虑腐蚀减薄） mm ，表面裂纹的最大允许裂纹深度为 4.78mm （未考虑腐蚀减薄）mm。

每一个管段应根据具体情况确定权重指标的排序。按照权重计算方法，可得到二级指标权重计算结果，见图3-1。

图3-1 燃气管道风险现状综合评价指标权重计算结果汇总根据上述情况，结合安全裕量评价计算结果，按照燃气管道风险评价步骤完成了该管线风险评价，具体风险打分如图3-2 所示。

图2-1 含点蚀缺陷主干线管道风险预警计算结果

图 3-2 A1-A2 安全风险分值分布情况由燃气管道风险评价步骤得：

同理按照第三方损伤的一级指标二级指标，分别计算和列出腐蚀、设计、误操作的一级指标和二级指标权重计算结果，并计算出可得：

S₂=W₂×R₂=33.3460

S₃=W₃×R₃=26.2510

S₄=W₄×R₄=23.8025 （34.8590）33.3460

A=W× S=（0.4457 0.2847 0.1051 0.1644） =31.702426.251023.8025

通过计算，可以得到该管道的风险综合评价分值。通过风险综合评价，可以有效的评估出各个管线的风险，完成管道风险的排序，筛选出高风险管段。

4. 结论

（1）X 城区钢质埋地燃气主干管管网存在的主要安全风险是第三方损伤、管道腐蚀、管网设计和误操作等问题。随着城市快速发展，X 城区燃气用量的快速增加，以及前期管道设计施工水平受限，X 城区部分服役年限较长的燃气管道存在巨大的安全风险，亟需进行科学合理安全评估和剩余强度评价。

（2）在最大可操作压力条件下，管道最大允许点蚀深度介于4.42mm-6.93mm ， 埋 藏 裂 纹 最 大 允 许 裂 纹 高 度 介 于0.40mm-3.76mm ， 表 面 裂 纹 最 大 允 许 裂 纹 深 度 介 于3.29mm-5.23mm 。按照最大允许的均匀腐蚀速率和点蚀腐蚀速率计算，管道剩余寿命均在20 年以上，满足设计要求。

（3）通过风险综合评价，可以有效的评估 X 城区各个管线的风险，完成风险的排序，筛选出高风险管段。为了使经济与安全达到更好的平衡，让有限的资金得到更加合理的利用，应集中精力控制住高风险区域，才能把区域内的燃气管道整体风险控制在可控范围之内。

参考文献：

[1]尤英俊，刘传庆，吕达，周吉祥，王俊强.城市燃气管道完整性管理现状及发展趋势[J].中国特种设备安全，2021，37（08）：6-9.

[2]吕彦伟，刘钦节，付强，袁宏永，付明.基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃 气 管 疲 劳 寿 命 预 测 分 析 [J]. 中 国 安 全 生 产 科 学 技术，2019，15（11）：96-101.

[3]Chouchaoui B A， Pick R J. Behavior of longitudinally aligned corrosion pits[J]. Int. J. Pres. Ves. & Piping， 1996（67）： 17-35

[4]杨锋平，高富超，邹斌，罗金恒，贾海东.含裂纹型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析[J].石油管材与仪器，2016，2（06）：83-86+89 .

作者简介：

何斯旭，1984.10.11，男，成都市，汉，本科，中级方向：燃气安全。