管道完整性与安全超*评价系统
董绍华1 陈*诺1 张河苇1 *同德1 *斐2
1.中*石油大学（北京）管道技术与安全研究中心
2.北京奥蓝仕技术有限公司
栏目主持人
董绍华教授（中*石油大学（北京）教授，博士生导师，管道技术与安全研究中心主任） ： 进入新世纪以来，管道技术飞速发展，大数据、物联网、云计算相继出现，信息化、工业化两化融合加速，目前已经由数字化管道进入了智慧管道阶段。管道工业化自主产权逐渐成为管道行业的主流趋势：管材方面， X80、 X90、 X100管线钢和低温钢的研发与应用；设备方面，燃气轮机、发动机、电驱压缩机组的*产化工业化应用，以及重大装备如阀门、泵、高精度流量计等*产化；工程建设方面，焊口检测技术向着数字化、自动化缺陷识别和评判方向发展；运行方面，参与管道完整性管理*际标准的编制和.标准的发布实施，体现了我*管道维护管理具备规范性、科学性以及安全性的.点。但管道保护*域仍然存在盲区， 2013年以来，相继发生了2013年青岛11·22事故、 2014年高雄7·31事故，以及2017年贵州7·2事故，造成重大人员.亡和财产损失，有些事故上升为公共安全事故。这些事故给我们的启示是：要通过基于风险的技术与管理模式，预测或掌控可能存在的风险点，并对未来发展趋势做出研判，依据风险大小提前预控，将事故隐患消除在萌芽状态。
中*石油大学（北京）管道技术与安全研究中心借助《管道保护》这个平台，通过开设“油气输送管道安全保护新技术”栏目，让广大读者及时了解*际和*内管道安全保护.新技术与发展趋势，结合我*管道保护工作需求，进*步促进“政、产、学、研、用”相结合，保障和实现管道本质安全。如有意见和建议可拨打热线电话： 010–89733657， 0931–8960050 。
中*石油大学（北京）管道技术与安全研究中心与*际材料力学工程科学学会（IMMETS）组织*内外多家完整性技术团队成功开发了全球.套管道完整性与安全超*评价系统V4.0（Pipeline Integrity and SafetySuper-Assessment System V4.0，以下简称超*评价系统）。该系统是目前*际上覆盖标准.多，功能点.多，适用于各类输送介质的管道完整性和安全评估软件，具有较好的界面和良好的计算精度。该软件开发范围包括多项评价标准，如DNVRP F101评价、 ASMEB31.G评价、 Rstreng评价、 Modified B31.G评价、美*石油学会API 579适用性评价、英*.标准金属结构可接受性BS7910适用性评价、美*石油学会API1104等标准，参考了英**电力局CEGB-R6、德*GKSS研究中心EFAM-ETM的工程缺陷评定方法、欧洲共同体结构完整性评价方法SINTAP，主要模型依据是上述标准中的经典计算算法。
1 超*评价系统概述
超*评价系统可以对油气管道中的裂纹型、体积型和几何缺陷进行安全评定。裂纹型缺陷又可分为长大型和非长大型缺陷。对于非长大型缺陷主要是对管道的剩余强度进行评价，解决管道母材和焊缝在当前运行工况条件下能否安全运行的问题，提*管道升压、降压和维修、更换指南。对于含长大型缺陷管道除按非长大型缺陷进行评价外，则根据缺陷的长大规律对管道剩余寿命进行预测，确定管道的检测与维修周期。对于体积型缺陷可以进行管道结构的.限承载能力分析和安全评价。此外，根据用户不同要求，超*评价系统还可以用来确定管道母材和焊缝在不同工况下的临界缺陷尺寸，通过疲劳强度分析，分析管道免于脆断的韧性要求等。
本软件系统同时也考虑氢致开裂断裂完整性评价判据，通过研究氢浓度对管道断裂的影响，重新建立了新的管道失效评定关系，并给出失效评定图，确定*定输送压力和H2S含量下，含裂纹缺陷管道的安全度和安全范围，并在软件中给出了安全系数。
本软件系统的寿命预测模块是基于内检测数据对齐理论，同时考虑材料疲劳模型，综合给出缺陷内检测数据的发展速率与疲劳扩展速率，自动剔除内检测数据中的不正确数据，通过整体对齐和疲劳强度理论精确地预测管道的剩余寿命。
超*评价系统对管道缺陷评价分四种情况处置。
（1）对安全生产不造成危害的缺陷允许存在。
（2）对安全性虽不造成危害但会进*步发展的缺陷要进行寿命预测,并允许在监控下使用。
（3）若含缺陷构件降*使用时可保证安全可靠性要求，可降*使用。
（4）含对安全可靠性构成危胁的缺陷构件，应立即采取措施，返修或停用。
2 软件模块和模型
2.1 软件系统模块
（1）管道API579适用性评价软件/API 579 for Pipeline System。
（2）管道*际缺陷评价软件(DNV-RP101\ASMEB31.G)/Pipeline Defects Assessment based on
International Standards。
（3）管道焊缝评估系统软件/Pipeline Welding Assessment System。
（4）管道BS7910 评估软件/BS7910 Assessment Software。
（5）管道氢致开裂完整性评价与寿命预测系统/Pipeline HIC Assessment and Life Predict System。
（6）管道内检测数据对齐与评价系统/Pipeline ILI Data Alignment and Assessment System。
（7）管道焊缝底片缺陷自动识别系统/Pipeline Welds Image Recognition and Assessment System。
上述模块全部集成在*个平台上，形成超*评价软件包，其界面如图 1所示。
图?1??软件系统界面
2.2 软件使用模型
软件使用模型包括断裂评估模型，寿命疲劳模型，凹陷评估模型，腐蚀评估模型，缺陷定性评估模型，缺陷定量评估模型， ASME b31.G 评估、 Rstreng评价、 Modified B31.G评价模型， DNVRP F101评价模型，氢致开裂评价模型， HIC评估模型，管道焊缝底片缺陷识别模型，基于内检测数据的自动对齐模型，管道材料疲劳模型，管道应力应变场力学模型。
3 软件功能及.点
3.1 软件功能
超*评价系统软件可以对油气管道中的裂纹型和体积型缺陷以及凹坑进行安全评定。主要功能包括体积型缺陷.限承载能力分析、裂纹型缺陷剩余强度评定、含缺陷管道剩余寿命预测,温度使用范围评估，凹坑缺陷可修复性评估，氢致开裂断裂评估、焊缝底片缺陷自动识别评估等，具体包括以下内容。
（1）含体积型缺陷管道结构的.限承载能力分析和安全评价。
（2）确定管道在不同工况下的临界缺陷尺寸，分析管道免于脆断的韧性。
（3）含体积型缺陷管道.限承载能力分析。
（4）含裂纹型缺陷管道剩余强度评定。
（5）含缺陷管道剩余寿命预测（疲劳）。
（6）几何变形评价。
（7） DNVRP F101许用应力法和分安全系数体积型方法评价。
（8） ASME B31.G方法体积型缺陷评价。
（9） Rstreng方法体积型缺陷评价。
（10） Modified B31.G体积型缺陷评价。
（11）焊缝NDT缺陷评价。
（12）服役温度下材料性能评价。
（13）焊缝底片识别与评价。
（14）基于数据对齐的腐蚀寿命预测评价。
3.1.1 体积型缺陷.限承载能力分析
含体积型缺陷管道*般是塑性失稳失效，.限承载能力（或.限载荷）是衡量该类结构的重要指标。评价点(Kr， Lr)*般落在接近评价曲线右下角的区域（即塑性失稳区）。
.限承载能力与管道参数以及管材性能有关。缺陷尺寸和分布形态（位置、走向）的影响很大。*般缺陷尺寸越大，管道的.限承载能力越低，结构的安全性越低。
3.1.2 裂纹型缺陷剩余强度评定分析
含裂纹型缺陷管道随着服役条件变化，容易发生断裂失效事故。评价点(Kr， Lr)*般落在评价曲线左上角或中部区域（即单纯断裂以及断裂/塑性失稳混合区）。
对于非长大型缺陷或者是长大型缺陷的现状可以进行管道的剩余强度评价，判定管道在当前运行工况条件下能否安全运行，提*管道升压和降压、维修和更换指南。
3.1.3 含缺陷管道剩余寿命预测分析
对于含长大型缺陷管道,可以根据缺陷的长大规律对管道剩余寿命进行预测, 确定管道的检测与维修周期。
（1）剩余寿命可用合理的确定性参数加以计算。如均匀腐蚀时能计算出FCA (金属管道未来腐蚀裕度)，而剩余寿命就等于用假定的腐蚀速度除以未来的腐蚀裕量。该腐蚀速度是根据过去的壁厚数据、腐蚀设计曲线，或按相同服役条件下，构件的腐蚀经验确定出来的。
（2） 没有或几乎没有剩余寿命。为了后续操作，可采用*些必要的补救措施，如对已损害的构件进行修复、使用衬里或涂层以隔*环境，以及实时监测等。
（3）针对母材和焊缝裂纹扩展的寿命评价，软件提*了三种裂纹扩展机理：疲劳、环境裂纹、蠕变裂纹增长，可以计算管道寿命，也可以计算临界裂纹尺寸。
3.2 软件.点
3.2.1 形成评价数据库
软件系统将评价计算基本情况写入数据库中，便于统计查询。评价要素如下：管线名称、管线外径、管线起点位置、管线*点位置、建设时间、管段评价位置桩号、评价人员、评价日期、结构类型、材料类型、母材或焊缝、分析类型、缺陷深度、缺陷长度,、缺陷宽度、安全评价结论等。
3.2.2 评价报告自动输出
本软件系统可自动生成完整性评价报告，给出评价输入数据表格、评价参数使用过程、评价报告结论等，方便评价人员编制报告时使用。
3.2.3 评价人员易入门
该系统是*款适用于自学的软件系统，入门操作简单，无需操作人员了解断裂力学、材料力学等相关专门知识，只需知道材料、缺陷尺寸、运行压力、设计压力、管体尺寸即可进行完整性评价。
4 未来展望
通过近5年的推广应用，超*评价系统正逐步发展完善。随着内检测精度的提高，以及焊缝底片识别模型、内检测数据对齐模型等自动寿命分析模块功能的不断提升，未来向着大数据、人工智能方向发展，.*形成全球*先的智能化管道完整性评价分析系统，应用前景非常广阔。
作者：董绍华， 1972年生，中*石油大学（北京）教授，博士生导师，管道技术与安全研究中心主任。管道完整性与安全技术专家；.五届.安全生产专家组成员；.质检总局.种设备压力管道技术委员会委员； NACESTAG 75 完整性技术专家委员会主席；北京石油学会理事兼石油应用与储运专业委员会主任；担任2017年.重点研发计划“公共安全专项”.储备库安全项目.席。主要研究方向为管道完整性管理技术、管道安全评价技术、管道信息大数据工程技术等。曾获省部*奖励25项，参与编制行业、企业技术标准40余部，发表学术论文90余篇。
来源：《管道保护》2018年.2期（总.39期）
