输气干线系统失效模式研究

摘 要：管道输气已经成为世界上天然气输送的最主要方式，也是一种高效和安全的输送方式，其运行可靠性对于世界的能源供应起着重要的作用。输气干线系统中各个基本单元的失效模式研究作为可靠性分析的基础，对于后续分析整体系统可靠性有重要意义。管道单元、压气站单元以及自控系统是输气干线系统中的基本单元，而输气干线系统中不同基本单元的失效模式各不相同，所以需要在系统基本组成单元失效模式的定义与基本内涵的基础上，对单元的失效模式分别进行研究。今后在进行输气系统可靠性评价时，需要明确各个单元的失效模式，以对系统可靠性作出最为准确的判断

关 键 词：输气干线系统；失效模式；管道单元；压气站单元

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1711-04

Research on the Failure Mode of Transmission System

XIE Qing-qing

（China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 100249，China）

Abstract： Using pipeline to transport gas has become the main way of gas transportation in the world， and it also is a kind of efficient and safe way of transportation. At the same time， the operation reliability of transmission system plays an important role for the world"s energy supply. Failure mode research on each basic unit of the transmission system as the basis of reliability analysis is important for analysis of the overall system reliability. Transmission system consists of pipeline unit， compression station unit and control system， and the failure modes of each unit are not the same. As a result， it is necessary to define the failure modes of each unit before analyzing. For further research on the reliability assessment of transmission system， it is necessary to make the failure mode of each unit clear and definite in order to judge the reliability of the system.

Key words： transmission system；failure mode；pipeline unit；compression station unit

目前，运用管道输气已经成为世界上输送天然气的最主要方式，也是一种高效安全的输送方式。天然气管网对天然气生产和供应非常重要，因为一旦管网发生故障，就会直接影响天然气气田生产以及供气质量。随着我国天然气管道的迅速发展，到目前为止已经建成并运营的天然气输送管线总长已经超过了4万km，天然气管道运行可靠性已得到高度重视[1]。天然气管输工艺流程虽然不复杂，但由于使用各种控制仪表和自动化装置，以及天然气为易燃易爆介质等原因，使得管道系统从工艺以及设备来看，需要较高的可靠性水平。如果发生事故，很可能是灾难性的，不仅污染环境，最主要的是会影响到天然气的供给。因此，对天然气管道系统中各个单元的失效模式研究十分必要。

输气干线系统的失效模式研究是指将输气干线系统分为独立的单元——管道单元、压气站单元、自控系统单元进行分析研究。输气干线系统的失效模式研究可以为设计人员、管理人员提供改进和管理管道的依据，使他们对系统运行和系统行为有更加深入的了解。

1 管道单元失效模式

管道单元“失效”一般是指管道发生故障而不能发挥原有功能的现象，也就是说失效是指管道单元部分或完全失去输气能力的现象，这种现象可以分为异常失效和自然失效两种情况。其中自然失效就是在管道使用周期达到使用寿命时，而发生失效的现象；异常失效是指由于管道在设计、制造、安装和运行过程中存在问题而导致的失效，例如人为误操作、自然灾害、腐蚀等导致的失效。管道单元失效具体表现形式就是管道单元的失效模式。一般来说，输气管道单元的失效模式主要包括：腐蚀、断裂和变形。管道单元主要的失效因素已在表1中列出。

表1 管道单元主要失效模式[2]分类

Table 1 Main failure modes classification of pipeline unit

失效因素具体因素

断裂韧性断裂

脆性断裂

变形膨胀、伸长、凹坑

外力引起的压扁

焊接引起的过度变形

泄漏机械损伤、腐蚀损伤

管道单元的失效主要取决于管道本身和外界这两类因素。其中，管道单元本身主要是指管道自身质量，包括钢管自身质量、防腐层的质量以及施工好坏等。外界因素主要指使用条件如输送气体成分、气体温度以及气体压力等，还包括管道外界环境，如管道所经地区等级、土壤性质等。失效模式随着管道所处的内外部条件的不同而不同，需依据实际情况加以分析。

1.1 断裂

（1）韧性断裂。在制造管道过程中，金属材料中很有可能会存在裂纹等常见缺陷，随着管道的运行，管道整体或局部在进入屈服状态时，就会产生较为明显的塑性变形，使得管道裂纹扩展。管道裂纹的扩展会使得管道的宏观形状发生变化，如果这种变形没有被发现，塑性变形将会继续积累。当管道的塑形变形的能力达到极限值，管道就会发生通常意义上的韧性断裂。

（2）脆性断裂。脆性断裂通常是指管道在没有经过明显的变形的情况下，直接发生断裂。断裂时在管道上几乎看不到管道的塑性变形，塑形变形是指：直径增大、壁厚减薄等现象。管道在脆性断裂时常常会形成碎片，这是脆性断裂的特定，通常发生在温度较低的情况下。管材本身具有的脆性是引起管道脆性断裂的最重要原因。目前在我国这样的气候条件下，随着国内冶金水平的提高，一般都不具备发生脆性断裂的条件。输气管道的断裂模式会直接地影响管道的质量，还会影响其安全可靠性、使用寿命。关于这方面的研究国内外目前已经做了很多，而且还在深入。

1.2 变形

输气管道变形包括：（1）由于管道过热或者负荷过载而引起的管道管体的膨胀、伸长、凹坑等现象；（2）外力引起的压扁；（3）焊接引起的变形。本文所指变形是由于管道的变形影响正常输气时的变形，不包括管道的破裂，仅仅指管道形状的改变。

地下管道的变形特征会受很多因素的影响，周围的土质以及上部载荷等都会影响管道变形特征。管道上部载荷大小、管道之间相对位置关系以及管道的埋深等因素，都在一定程度上影响着管道位移分布、管道受力状态[3]。为此，应加强管道地下部分的监控，防止管道因过度变形而导致故障。

1.3 泄漏

泄漏主要包括两种情况：即管道机械损伤引起的泄漏；管道腐蚀损伤引起的泄漏。泄露这种故障模式是输气管道中最为常见的故障模式。目前调查研究表明，导致管道发生泄漏的原因主要有管道腐蚀、管道机械损伤以及第三方损害管道。目前国内外对腐蚀管道泄漏的研究较为深入，已经形成管道结构强度可靠性理论，建立了结构可靠性模型。对于机械损伤等其他因素导致的管道泄漏目前只停留在事故数据统计阶段，具体的研究还不是太深入。

1.4 复合失效因素

在实际情况中，以上三种管道失效模式存在转换，例如管道失效开始时可能是孔洞泄漏，随后由于某种原因逐渐发展成管道断裂。由于不同的失效模式之间相互关联，所以要及时找出管道中存在缺陷的部位，及时进行维修，防止发生重大事故。

具体的管道单元失效形式通常是复杂的，往往是上述几种管道失效模式的组合[4]导致的复合失效。以下较为全面地总结了管道发生故障的原因，通常输气管道失效因素可划分为六种：外部干扰因素、腐蚀因素、材料缺陷因素、设备因素和操作因素以及其他原因，如表2所示。

表2 管道失效因素分类[3]

Table 2 Classification of pipeline failure factors

输气管道失效因素具体因素

外部干扰第三方造成的机械损伤，通常是人为的

地面压力造成的疲劳失效

地震等自然灾害造成的管道损坏

腐蚀内腐蚀：由输送介质引起

外腐蚀：由外部环境引起

焊接和材料缺陷焊接缺陷

材料缺陷

设备和操作设备故障

违章操作

其他原因未知原因

管道失效后其气体损失量的大小以及后果由管道的失效模式及失效原因共同决定，划分为四种气体损失情况：微孔泄漏、孔洞泄漏、管道断裂、漏气爆炸。微孔泄漏和孔洞泄漏是管道失效后果较轻的情况，但微孔和孔洞泄漏总会演变为管道的开裂，产生严重后果，在可靠性分析中应注重分析其经济损失。

2 压气站单元失效模式

压气站单元是输气干线管道系统中输气站场最重要的组成部分。本文对管道输气站场失效模式的分析重点放在对压气站单元失效模式的评定上。压气站单元失效是指压气站不能在规定的条件下完成规定的任务，即压气站单元部分或者完全失去输气能力的现象。压气站正常运行与否会直接影响到天然气的输送，因此必须保障压气站的运行安全[4]。对压气站中存在的危险因素进行分析研究，对提高压气站管理水平与维护水平具有重要的意义。

与管道单元相似，压气站的失效模式通常是指压气站失效的表现形式。一般认为压气站可分为表3所示的四个子系统，表中还列出了其失效因素。

表3 压气站内各个子系统失效模式[5]

Table 3 Failure modes of compressor station subsystem

压气站的内部单元失效模式

清管区失效泄漏、破裂

压气区失效流体振动、机械振动、故障停机

阀门失效泄漏

卡滞、阀体破裂、振动

工艺管道失效断裂、变形、泄漏

下面分别对压气站内各个子系统的失效模式及其后果进行分析。

2.1 清管区

收发清管球是清管器收发区的作用，因此对清管区进行分析即是对收发装置进行分析。

清管区包含清管球、阀门、收发球筒等部件，其中收发球筒的故障模式主要是泄漏和破裂，其主要故障原因总结如下：（1）清管器材质不是耐腐蚀性材质；（2）材料的热处理效果差；（3）阀门或者法兰泄漏；（4）仪表、安全泄压等装置使用时间较长导致的失灵；（5）清管区的操作规程不正确，没有日常维护程序。清管区失效会影响清管器的收发，一般情况下不会对输气系统造成太大的影响，但是如果清管区发生爆炸，就会造成严重后果。

2.2 压气区

压气区主要组成部分有：压缩机、驱动设备，其中带动压缩机的驱动设备主要有两种：电动输气机组和燃气发动机组。压气区失效因素主要包括机械振动、流体振动和故障停机这三种情况。

机械振动是指设备内转子、滚动轴承、联轴器等零件的机械振动；流体振动则是指由于某种原因导致流量下降而导致的压缩机出现喘振的现象。

这两种故障模式会导致压缩机出口流体流动参数发生变化，从而影响干线输气系统的输气能力。故障停机是最严重的故障事故，是指直接导致整个压气站的停运的故障，如供电系统崩溃、压缩机组故障停机。下面对离心式压缩机组的压缩机与燃气轮机两个组成部分的失效因素做详细描述：（1）压缩机失效：压缩机安装不平衡；润滑油管堵塞；轴承间隙不当；叶片加工质量差；齿面疲劳点蚀；气道内落入杂志或者异物；电机故障等。（2）燃气轮机失效：点火不通；轴承等热处理差；管路冰堵；过载；喷嘴雾化不良；电路故障。

压气区是压气站内最重要的部分，它的失效有可能会导致整个压气站的停运，应从日常检修和维护中提高其可靠性水平，以预防性维护来防止较大事故的发生。

2.3 阀门

阀门的失效模式对于阀门的可靠性研究具有重要意义。Lchakrabot在文献[6]中介绍了阀门可靠性的评估方法：统计学方法和参数法。压气站单元中的阀门主要分为4大类：全站阀、机组阀、状态阀、护站阀，阀门的故障模式主要是阀门振动、阀门卡死和阀门泄漏。导致各种故障模式的原因如下：

（1）阀门卡死：主要是指阀杆活动受阻，有物理原因和化学原因两种：应力蠕变造成的阀杆弯曲变形，这属于物理原因；化学原因造成阀门导杆与导向件之间摩擦力过大，化学因素主要有腐蚀。阀门卡死会造成阀门前后的压力变化，影响气体流动稳定性，严重时还会影响整个站场的运行。

（2）阀门泄漏：阀门泄漏主要包括内部泄漏和外部泄漏两种情况，原因是密封失效。失效因素有：阀门内部密封接触面磨损或腐蚀造成缺陷；内部紧固件松动；密封件未压紧等。阀门的泄漏在情况较轻是会造成大量流体损失，同时会造成能源损耗、环境污染，在情况较为严重时，会酿成重大事故，造成不可收拾的场面。

（3）阀门振动：介质流动过程中的振动会使得管道和阀门产生振动，这是阀门振动失效的主要原因，同时阀门的过度节流会导致其输出信号不确定而产生振动，如果阀门的频率与系统频率接近，就会产生共振，这也会造成阀门震动失效。

（4）阀体破裂：阀体破裂失效的原因有：阀门材质内部存在砂眼、气孔；铸造局部强度未达到要求；阀门振动使得其自身出现裂纹；在低温下阀体被冻裂等。

总之，阀门的失效模式主要有卡滞、泄漏和振动这三种，应当从理论角度对阀门的具体失效模式进行分析研究，提出提高阀门自身可靠性的方法。与此同时，应在设计和使用阀门过程中采集数据，对阀门失效机理展开深入研究。

2.4 工艺管线

压气站工艺管道按照敷设方式分为地面管道和埋地管道两种，这两种管道的失效模式相似，区别在于埋地管道只会受到土壤腐蚀，而地面管道只会受到大气腐蚀。站内管线的失效模式同干线输气管道的失效模式相同，也分为断裂、泄漏和变形，在这里不做赘述。引起站内管线失效的因素有：管道材质不耐腐；无泄压装置；内涂层失效；阴极保护失效；管道焊口组对差或者没有焊透；管道搬运中受损；未考虑压力波动；设计不合理等。

3 自控系统单元失效模式

自控系统是干线输气系统中实行监控以及管理的系统，能够为可靠性分析提供数据来源。自控系统的可靠性水平不仅仅取决于系统中的硬件结构，还取决于系统软件的通信设备，这一点不同于管道单元以及压气站单元。以下是输气干线系统中自控系统单元主要的失效模式：

（1）误操作，使SCADA系统无法操作管道主系统；

（2）不能同应用软件传输或交换正确数据；

（3）不能向硬、软件存储或调出数据；

（4）丢失数据故障。

4 结 论

本文是输气管道干线系统可靠性研究前的一篇探究性文章，可为今后深入研究输气系统可靠性提供参考与指导。建议在今后在对干线天然气管道可靠性评价前，细致研究系统的失效模式，将每个单元的失效可能性进行量化，并利用管道系统运行模拟软件来计算，提高计算速度与精度。

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[6]Gringerg L S， Karmugin B V. The reliability of safty valves[J].Journal of Fluids and structures，2002，10（1）：382-383.

（上接第1710页）

采用大变形钢管或增加壁厚的方法提高管道的许用应变，保证其适应土壤位移的能力。

5）加强冻土区管道沿线的温度和位移检测，及时进行安全性校核。

3 结束语

冻土区管道的安装与运行面临着诸多的风险与挑战，国内外针对冻土区管道的设计与安全评价进行了大量的研究，尤其针对典型的危害形式取得了一定的成果，给出了基于数值计算或解析推导的管道设计方法，并总结了大量的工程防护措施，对工程实际有一定的指导作用。但同时需要意识到，冻土管道是具有重大战略意义的复杂系统工程，还有许多问题解决，这需要政府与大型石油企业重视并长期资助相关科研单位、院所进行攻关研究。

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