腐蚀作用下城市埋地燃气管道的失效概率分析(正式)

编订：__________________单位：__________________时间：__________________腐蚀作用下城市埋地燃气管道的失效概率分析(正式)Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level.Word格式 / 完整 / 可编辑文件编号：KG-AO-2039-65 腐蚀作用下城市埋地燃气管道的失效概率分析(正式)使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体、周密的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。

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摘要：失效概率确定是管道定量风险评价的核心内容。

为此，针对城市燃气输配管道特点，通过建立管道失效概率模型，利用可靠性理论得出了腐蚀作用下城市埋地燃气管道失效概率随服役年限的变化情况，并对影响管道失效概率的随机参数进行了分析。

结果表明：在管道投入运行初期，腐蚀对管道失效概率的影响较小，其余参数的相对影响随工作压力大小而变化，当工作压力小于2.5MPa时，竖直荷载是影响城市埋地燃气管道失效概率的最主要因素；随着工作压力的增加，竖直荷载影响失效概率的重要性逐渐下降，材料屈服强度、管道壁厚的重要性逐渐增加，而工作压力的重要性显著增加；当工作压力达到4.0MPa 时，对管道失效概率影响较大的因素为材料屈服强度、工作压力、竖直荷载和管道壁厚等；随着管道服役年限的增加，腐蚀对失效概率的影响增大并逐渐占据主导地位，在管道运行后期，影响管道失效概率的主要参数是腐蚀指数、腐蚀乘子和工作压力。

关键词：燃气管道腐蚀失效概率风险评价可靠性理论服役年限完整性管理Analysis of failure probability of urban underground gas pipelines under corrosion effectAbstract：Failure probability determination is the core of quantitative risk assessment on pipelines．In this studv，a modcl for failure probability of pipelines was constructed considering the specific features of gas transmission and distriburion Dipeline networks in urban areas．The model was used to determine the changes of failure probability of urban underground gas pipelines with itsservice life under corrosion effect by using reliability theory．In addition，random parameters that may affect the failure probability of pipelines were analyzed．The results show that corrosion may present minor impacts on the failure probability of pipelines in early stages of operation，whereas impacts of other parameters may vary in accordance with operation pressures．Under operation pressures below 2.5MPa，vertical loads are the most important contributor to the failure probability of urban underground gas pipelines．With ttle increase of operation pressures，the impact of vertical loads on failure probability may decrease gradually，whereas that of yield strength of materials and wall thicknesses of the pipeline may increase steadily．When operation pressurereaches 4.0MPa，factors that may present significant impacts on the failure probability of pipelines include yield strength of materials，operation pressures．vertical loads and wall thickness of the pipelines．Over the service life of the pipelines，impacts of corrosion on failure probabilitv mayincrease gradually and eventually play a dominant role．In later operation stages，major factors that may impact the failure probability of pipelines include corrosion index，corrosion multiplier and operation pressure．Keywords：Gas pipeline；Corrosion；Failure probability；Risk assessment；Reliability theory；Service life；Integrity management风险评价技术是管道完整性管理的重要组成部分，也是保证城市燃气管网安全运营的重要手段，其中管道失效概率的确定是定量风险评价的核心内容，其准确性也决定了评价结果的合理性和适用性[1-3] 。

然而，管道失效概率的准确确定需要完整详细的管道失效数据库系统，如欧洲燃气管道事故数据库(Europe an Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)分类收集了包括丹麦、法国、德国等15个国家的燃气管道失效数据，对提高管道安全发挥了重要作用[4-6]。

国内管道失效数据库，特别是城市燃气管道的数据库建设相对滞后，目前我国对城市埋地燃气管道失效概率的分析主要采用基于专家知识经验的主观评价方法，如故障树法、层次分析法、模糊综合评价法等[7-10]。

可靠性技术是近几十年发展最为迅猛的学科之一，国内外学者在利用可靠性理论对长距离油气输送管道进行安全评价方面做了大量的工作[11-15]。

笔者针对城市燃气输配管道特点，建立了埋地管道失效概率模型，并基于可靠性理论对腐蚀作用下的城市埋地燃气管道失效概率进行了分析。

1 埋地管道失效概率模型目前的城市燃气管道设计中广泛采用安全系数法(或许用应力法)，它的基本思想是：将影响管道应力和强度的各设计变量作为确定型变量，管道在承受外荷载后，由计算得到的应力应小于该结构材料的许用应力，并用安全系数来描述设计的安全裕量。

然而，根据应力－强度分布干涉理论[16]，管道的强度和工作应力均可看成随机型变量，由于安全系数法设计中采用了较大的安全系数，故在工作初期，即使考虑了各设计变量的随机性，管道强度也总是大于所受应力，单是力学因素很难导致管道发生除第三方施工破坏外的失效(图1)。

随着管道服役时间的增加，在土壤腐蚀等因素的作用下，管道强度会逐渐衰减，可能会由图1中的位置a沿着衰减曲线移到位置b，使应力、强度分布曲线发生干涉，即由于管道承载能力小于所受荷载产生的应力而导致管道失效，并且管道强度和应力的离散程度越大，管道失效的可能性也越大。

对于城市埋地钢制燃气管道，外部荷载施加在管道上的等效应力主要由环向应力和纵向应力构成，径向应力几乎可以忽略，如果钢管失效采用Mises失效准则，则管道荷载产生的等效应力(sequi)可用式(1)表示：式中sequi为管道所受荷载产生的等效应力，MPa；sh为管道所受荷载产生的环向应力，MPa；s1为管道所受荷载产生的纵向应力，MPa。

环向应力(sh)主要由介质工作压力、土壤和交通等竖直荷载产生，在考虑腐蚀的情况下，可按式(2)计算[17-18]：式中p为管道介质的(相对)工作压力，MPa；D为管道的外径，mm；d为管道的计算壁厚，mm；k为腐蚀乘子；T为管道服役年限，a；n为腐蚀指数；Kb为管道弯曲系数；W为管道承受的土壤、交通等竖直荷载，kN；Ep为管道弹性模量，MPa；Kz为管道基座系数。

纵向应力(s1)主要由管材泊松效应、温差效应和管道纵向弯曲等原因产生，在考虑腐蚀的情况下，可按式(3)计算[17-18]：式中up为管材泊松比；ξ为土体约束系数；a为热膨胀系数，℃-1(-1标在右上位置)；Dt为管道安装与工作时的温度差，℃；c为管道轴向曲率，m-1(-1标在右上位置)。

假设ss表示管道材料的屈服强度，则根据应力－强度干涉理论，管道强度小于应力的全部概率即为管道的失效概率(pf)。

以下方程称为管道的结构功能函数(Z)[16]，即分析管道的失效概率即是分析结构功能函数Z0)，分析了p＝4.0MPa时各随机参数重要性因子随管道服役年限的变化情况，模拟结果如图4所示。

分析图4可得出如下结论：1)随着管道服役年限的增加，材料屈服强度、工作压力、竖直荷载、管道壁厚、管道弯曲系数和管道基座系数6个参数对管道失效概率的影响均不同程度降低，其中屈服强度的重要性因子下降较明显，在管道运行后期，其对失效概率的影响也低于工作压力的影响。

2)腐蚀指数和腐蚀乘子对管道失效概率的影响随服役年限的增加而增大，并逐渐成为管道失效的主要因素。

特别当T＝50a时，这2个因素对管道失效概率的影响分别为46.2％和18.9％，其余参数中除了工作压力的影响为14.4％外，其他均小于10.0％，即受到腐蚀的城市埋地管道在运行后期，影响管道失效概率的主要参数是腐蚀指数、腐蚀乘子和工作压力。