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基于可靠性的天然气管道一级地区强度设计系数研究

华红玲  
【摘要】:目前,国内天然气管道在一级地区的强度设计系数仍采用0.72,但采用0.72强度设计系数的天然气管道建设投资成本大、输送效率低。近年来,由于国内在天然气管线钢的冶金技术、制造水平、管道施工技术等方面的快速发展,天然气管道安全管理水平的显著提高,为提高我国输气管道在一级地区的强度设计系数奠定了良好的基础和条件。因此,结合国内的实际情况,为节约管道建设投资和提高管道输送效率,基于可靠性理论研究天然气管道强度设计系数对国内天然气管道工程设计具有一定的指导意义。 通过国内外相关文献资料与工程实践调研,本文归纳了北美地区强度设计系数对输气管道事故率的影响;结合天然气管道工程实例分析了提高强度设计系数对管道止裂韧性的要求,并采用管道失效计算模型和管道后果估算模型分别计算了强度设计系数为0.72、0.8时天然气管道周围的个体风险水平;依据概率统计方法和可靠度基本原理,建立了强度设计系数为0.8时以应力-强度关系为基础的管道可靠度数学模型,采用C#编制了相应的天然气管道可靠度计算程序,并结合天然气管道工程实例验证了提高天然气管道强度设计系数的可行性。得到以下结论: (1)根据美国天然气管道失效统计数据,强度设计系数≤0.72、0.72时管道失效率分别为2.5×10-4/(km·a).3.1×10.4/(km·a),即强度设计系数高于0.72比强度设计系数低于0.72的天然气管道的事故率高了O.6×104/(km·a),但仍在可接受范围内;强度设计系数由0.72增大为0.8时,一级地区天然气管道(X80钢、输送压力12MPa)的止裂冲击功要求有较大幅度提升,由215J增大为263J。 (2)采用概率统计方法与可靠度基本原理,通过变量置换将非标准的可靠度计算模型转化为标准正态分布函数,由此将求解目标由管道可靠度转变为管道可靠性系数Z,并确定了强度设计系数为0.8时天然气管道的可靠度判据,即Z≥3.2。 (3)基于天然气管道工程实例数据,研究相关因素对管道可靠性系数的影响规律,并进行了敏感性分析,结果表明在一定条件下一级地区天然气管道强度设计系数为0.8时,Z≥3.2,提高强度设计系数合理可行;Z对相关参数的敏感性由高到低依次为:最小屈服强度、管道壁厚、运行压力、管道直径偏差系数。 (4)确定了高后果区潜在影响半径为418m、管道最大屈强比为0.95,提出了0.8强度设计系数下天然气管道完整性管理建议:静水压试验压力为1.25MAOP,在具备条件之下应对0.8强度设计系数管段X80钢管进行100%SMYS工厂试压;将静水试压、管道内检测和直接评估的时间间隔修改为4年、8年、12年、16年;采取调整天然气管道与断层的交叉角度、增加天然气管道延性、降低管道与土壤间的相互作用以控制管道的过量变形。


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