基于可靠性的天然气管道一级地区强度设计系数研究

【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。 【关键词】：天然气管道 强度设计系数 可靠性分析 可靠度模型 完整性管理
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE973.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 研究的目的与意义9-10
• 1.2 国内外输气管道设计标准对比分析10-13
• 1.2.1 输气管道强度设计标准10-11
• 1.2.2 等效强度设计系数11-12
• 1.2.3 不同输气管道设计规范中强度设计系数的比较12-13
• 1.3 输气管道强度设计系数的构成13-16
• 1.3.1 强度设计系数0.72的构成13
• 1.3.2 强度设计系数由0.72至0.8的提升13-15
• 1.3.3 强度设计系数与地区等级15-16
• 1.4 强度设计系数0.8在标准法规中的应用16-23
• 1.4.1 美国行业规范ASME B31.816-18
• 1.4.2 美国联邦法规49 CFR 19218-21
• 1.4.3 加拿大联邦法规CSA Z66221-23
• 1.5 强度设计系数0.8在实际管道中的应用23
• 1.6 研究内容与技术路线23-25
• 第2章 提高强度设计系数对天然气管道的影响分析25-41
• 2.1 强度设计系数对输气管道事故率的影响25-28
• 2.1.1 美国输气管道事故率统计分析25-27
• 2.1.2 加拿大输气管道事故率统计分析27-28
• 2.2 提高强度设计系数对输气管道安全可靠性的影响28-30
• 2.2.1 含缺陷管道临界极限尺寸28-29
• 2.2.2 管道刺穿抗力29-30
• 2.3 提高强度设计系数对输气管道止裂韧性的要求30-35
• 2.3.1 天然气管道设计参数30-31
• 2.3.2 止裂冲击功要求31-35
• 2.4 提高强度设计系数对天然气管道运行风险的影响35-39
• 2.4.1 管道失效概率计算模型36-37
• 2.4.2 管道失效后果估算模型37-38
• 2.4.3 管道风险评价与控制38-39
• 2.5 本章小结39-41
• 第3章 0.8强度设计系数的天然气管道可靠性分析基础41-49
• 3.1 可靠性工程与概率统计基础41-44
• 3.1.1 可靠性工程基础41
• 3.1.2 概率统计基础41-44
• 3.2 可靠度计算基本原理44-47
• 3.2.1 极限状态与极限状态方程44-45
• 3.2.2 失效概率和可靠指标45-47
• 3.3 天然气管道可靠度分析基本参数47-48
• 3.3.1 管道几何尺寸47
• 3.3.2 输送压力47
• 3.3.3 管材基本力学性能47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 0.8强度设计系数的天然气管道可靠度模型49-56
• 4.1 可靠度模型分析49-50
• 4.2 可靠度计算模型的建立50-51
• 4.3 可靠度计算模型的求解51-53
• 4.3.1 最小屈服强度参数μ_r与σ_r的取值52
• 4.3.2 环向应力参数μ_s与σ_s的求解52-53
• 4.4 可靠度的判别依据53-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第5章 程序编制与实例应用56-64
• 5.1 基本参数56-57
• 5.2 程序编制57-58
• 5.3 实例应用58-61
• 5.4 不同参数对管道可靠性系数的影响61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 0.8强度设计系数下的天然气管道完整性管理建议64-74
• 6.1 输气管线主要危险因素与失效模式64
• 6.2 天然气管道不同生命周期完整性管理数据64-66
• 6.3 管道高后果区潜在影响半径66
• 6.4 0.8强度设计系数下的天然气管道完整性管理建议66-73
• 6.4.1 管材技术条件67-69
• 6.4.2 完整性评价时间间隔69-71
• 6.4.3 天然气管道水压试验71-72
• 6.4.4 过量变形控制72-73
• 6.5 本章小结73-74
• 第7章 结论与建议74-76
• 7.1 结论74-75
• 7.2 建议75-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-81
• 附录A 标准正态分布函数值表81-82
• 附录B 可靠度计算程序代码82-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果84
• 发表的学术论文84
• 参与的科研项目84
• 学术竞赛获奖84

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