近十年来, 国外的长距离油、气输送管道设计中出现了可靠性设计。管道工程的可靠性设计一般只限于就管道工程的构成做可靠性评价, 还没有发展到进行可靠性优化设计。这里所说的可靠性评价.是指在设计阶段就管道工程和结构的可靠性进行分析, 不涉及施工阶段和投产后操作阶段的可靠性。由于管道工程的特殊性, 可靠性评价存在许多不完整和不成熟的地方。我国的管道工程设计还没有正式进行可靠性评价, 相应的研究工作亟待加强。

从国外所做的管道工程可靠性评价看, 各家设计公司所用方法及评价的深度大不一样, 有的只对工程的线路部分及泵(压气)站的组件(管子、阀门、设备)做可靠性的定性分析, 或根据各组件的故障率对其可靠性进行预测, 比较深入的, 则进行整个系统的可靠性评价。由于存在不同的可靠性指标, 采用的基本参数也不相同, 所以评价的结果难以对比。所谓管道工程的可靠性评价, 是就管道某一部分(例如线路或否站)或整体的结构性质, 按照可靠性理论计算某些指标, 然后根据这些指标评价该工程的某部分或整体的可靠性。指标是评价工程可靠性的定量标准, 是开展油、气管道工程可靠性评价必须首先研究的对象。

评价管道工程可靠性所用指标很多, 其主要的：欧、美各国使用故障率(Failure rate) λ, 可靠度(Reliability) R, 可用度(Availability) A; 前苏联使用可靠度(Надежность) H, 准备系数(Коэффициент готовности)K_r件或单件设备)的故障率按一定逻辑关系计算而得。元件故障率是利用元件在使用中产生故障的历史资料统计得来。故障率是该元件产生故障的频率, 它表征元件的基本质量。按照美国核管理委员会NUREG 0492的规定^〔1〕, 故障的分布服从指数定律, 也即元件可靠度和故障率有以下关系:

式中t——所分析的时间。

可靠度R是所分析工程对象可靠性的概率量度。组件和整体工程的可靠度R要根据元件、组件的组合关系计算, 它是表征组件或整体工程可靠性的基本指标。

可用度是工程的某一部分或整体在某时刻具有规定功能的概率, 可按下式计算:

式中  μ——组件的修理率, 1/h, 是平均修理时间的倒数;

λ——组件的故障率, 1/h。

准备系数的含义相同于可用度, 按下式计算^〔2〕:

式中  T_P——组件总工作时间. h;

T_B——组件强迫停机时间. h;

γ——T_B/T_P。

油气管道工程可靠性评价主要针对管道线路部分、泵(压气)站和自控系统。国外有的设计公司认为, 泵(压气)站内的电气、自动化系统(包括软件) 由于其元(组) 件固有可靠性大大高于机械设备, 所以不对其进行可靠性分析。对于线路部分.因管子质量较好, 也不对其进行分析。线路部分的评价目前是根据相应的故障率预测。世界各主要经营油、气管道的地区和国家都积累有油气管道线路部分故障率的资料。线路故障率λ的含义是一定长度管道在一定时间内出现故障的次数, 单位是1/(1 000 km·a) 或1/(km·a)。欧洲输气管道使用的故障率λ可按管道通过的地区类别、管道壁厚选取。表 1为某工程所用数据。

表  1  欧洲输气管道故障率数据

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从表 1数据可看出, 故障率λ数据随壁厚增大而减小。表 2为美国运输部(U.S. DOT)根据1982年至1991年期间美国成品油管道线路部分的事故统计资料计算出的故障率λ^〔1〕。

表  2  美国成品油管道故障率

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加拿大能源保护局(Energy Resources Conservation Board)统计1955年至1982年期间的资料^〔1〕得出: 原油管道故障率为1.2/(1 000 km·a). 输气管道故障率为0.7/(1 000 km·a)。前苏联采用的输气管道线路部分故障率为: 通过草原与盛含盐土的荒漠地区时取1.5 × 10^-3/(km·a), 其它地区(冻土、林区、山地)取0.5 × 10^-3/(km·a), 平均值为0.8 × 10^-3/(km·a)^〔2〕。也有研究结果认为故障率与管径有关, 即

式中  D——管道直径, m。

对线路部分可靠性的评价, 直接采用与所评价线路相对应的故障率, 按式(1)计算可靠度。也可以按下式计算该线路部分发生故障的概率：

图 1为按照美国运输部的成品油管道故障率得出的故障概率分布图^〔1〕。

图  1  管道线路故障概率分布图

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已知线路检修所用时间, 再根据故障率及管道长度可得出管道总工作时间T_P。按式(3) 求得管道的准备系数K_r。前苏联提供的有关数据见表 3。

表  3  不同管径管道的准备系数计算数据

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前苏联《干线输油管道工艺设计规范》(BHTII 2-86) 中要求长度为400 ~ 500 km的管道部分的准备系数为0.995。

在式(2) 与式(5) 中, A=μ/(λ+μ)=1/(1+λ/μ), K_r=T_P/(T_P+T_B)=1/(1+T_B/T_P), μ为修理时间的倒数, 即1/μ=T_B。而1/T_P为一定长度管道发生故障的频率, 即1/T_P=λ。所以式(2) 与式(3) 中可用度与准备系数是一致的。

目前评价管道线路部分所用故障率数据, 尚不能充分反映不同管子结构(管材与防腐涂层) 及管道所经地带持点(土壤腐蚀性、工程地质) 所引起的差别, 对评价结果有一定影响。

泵(压气) 站是由若干单件设备(如阀门、泵、压气机等) 按照其各自的功能组成若干子系统. 并最终形成一个系统。系统的可靠性既取决于构成系统的单件设备的可靠性, 也与它们的组合形式有很大关系。分析泵(压气)站系统可靠性时. 就要根据这种组合形式建立系统的可靠性模型。这种模型通常用可靠性逻辑框图表示。这种框图揭示系统可靠或故障与各个单件设备之间的逻辑关系, 也即明确它们之间是串联或并联关系。框图明了直观, 有助于对系统可靠或故障作出判断。例如在一加热输送的泵站中. 可能具有给油泵、主泵、换热器、燃油系统、锅炉、供水系统等.它们之间在功能上的关系如图 2所示。

图  2  泵站简化功能框图

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根据各个设备之间.设备与子系统之间的关系确定泵站的可靠性逻辑关系, 如图 3。

图  3  泵站可靠性逻辑框图

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对系统进行故障模式与效果分析(Failure Mode and Effect Analysis), 确定各个设备发生故障的原因及后果, 并估计其故障率。在子系统中, 有几台设备可以工作、当这几台设备全部停止工作才使系统停止工作, 该子系统中的设备为并联关系。反之, 子系统中任一台设备工作停止即能使系统停止工作, 则为串联关系。从输油工艺角度看, 输油泵站的泵机组工作方式有并联与串联两种, 但在可靠性分析上, 这两种否机组的工作方式都属于并联, 因为对于串联方式, 当一台宴机组停止工作, 备用泵机组可以立即启动, 接替停运泵的工作, 不影响泵站的输送。

如果假定各个设备的故障率与修理特性互为独立, 则串联系统可靠度为:

系统故障率为

系统可用度为:

式(6) ~(8) 中的R_i、λ_i, 与μ_i分别为各单件或组合的可靠度、故障率与修理率。

泵(压气)站工作的可靠性受很多因素影响, 例如供电系统、辅助系统及控制系统等。在这里只讨论机组本身对泵(压气)站可靠性的影响。前面说过, 机组在可靠性分析上属于并联，而且一般都有备用机组。因为备用机组只在运行机组停止工作时才投入运行，所以, 这种系统称做被动并联系统。被动并联系统的各机组间包含了并联问题, 即设备的故障与修理互相影响^{〔3, 4〕}, 这就不同于主动并联系统(所有并联机组同时运行)。如近似地认为故障率和修理率与时间独立，则可以用马尔柯夫过程来分析泵(压气)站中机组系统的可靠性。在分析中首先根据机组投入运行的几种可能状态绘成状态转移图, 列出几种状态的马尔柯夫方程, 然后求解方程。这些运算通，常是借助计算机完成的。表 4是对输油泵站装备4台和3台泵机组, 按四种不同组合方式运行时, 所计算出的可靠度^〔5〕。可靠度随组合情况而异, 也与机组的故障率和修理率有关。表 4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种情况分别为: 机组两用两备、三用一备、两用一备与三用无备, R(t)、λ与μ分别为泵机组系统可靠度、泵机组故障率与修理率。

表  4  泵站泵机组系统可靠度

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自控系统是整个管道系统的管理系统, 其功能是控制与调节各主要设备的运行, 预防并预报各主要设备或系统的故障。自控系统不仅不能因自身的故障影响管道系统的正常运行, 而且还必须有效地管理管道主系统。因此, 对自控系统的可靠性要求较高, 其系统元件的故障率应较低、修理率较大。重要环节应有必要的几余设置。自控系统的可靠性即以可用度表示。自控系统的故障表现为: 误操作使SCADA系统无法操作管道主系统; 不能同应用软件交换或传输正确数据; 不能向软、硬件上存储或调出、传输数据; 丢失数据。根据自控系统中元件的故障率数据、修理率数据及元件的组合方式可计算出其可用度。

从上述的可靠性分析中可以看出, 管道所使用的主要元件、设备的基本数据故障率λ与修理率μ是非常重要的。只有这些数据齐全准确, 才能计算出较为可信的可靠性与可用度。国外有关机构为此建有各种用途的可靠性数据库。油气管道可㠑性评价可供利用的可靠性数据库(国外)有: ENI可靠性数据库、海洋可靠性数据第二版OREDA-92、美国电机及电子工程师学会标准IEEE Std 500-1984、化工过程安全中心(美国化学工程师学会)过程设备可靠性数据、危险与可靠性信息系统微机数据库RMC HARIS、欧洲1970 1986年输气管道事故数据、英国气体数据库等。

因为使用设备的性能、操作与修理条件都不尽相同, 这些数据对我们不一定完全适用。但是可以做为编制自用数据的基础。数据库是进行可靠性评价的基础, 在开展油气管道可靠性评价的研究工作时, 应对可靠性数据库给予充分的重视。