摘 要： 近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生了數(shù)起油氣管道在環(huán)焊縫附近破損的嚴(yán)重事故。從管道強(qiáng)度的視角討論事故原因，并引出管道“非設(shè)計(jì)載荷”的概念，提出識(shí)別管道載荷與識(shí)別管道缺陷在管道保護(hù)中是兩個(gè)同樣重要的方面。討論了基于各種檢測(cè)/監(jiān)測(cè)手段，識(shí)別施加在管道上的“非設(shè)計(jì)載荷”，及評(píng)價(jià)這些載荷作用下管道安全性的方法，為最終采用數(shù)字孿生技術(shù)，建立基于“載荷―應(yīng)力/應(yīng)變”模型的管道安全運(yùn)維技術(shù)，保障管道結(jié)構(gòu)安全性提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 油氣管道；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；缺陷；非設(shè)計(jì)載荷；識(shí)別

《 石 油 天 然 氣 管 道 保 護(hù) 法 》 的 實(shí) 施 和 青 島“11·22”管道事故后果的嚴(yán)重性，引起了各級(jí)政府、相關(guān)企業(yè)和社會(huì)各界對(duì)管道保護(hù)的重視。近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生了數(shù)起油氣管道在環(huán)焊縫附近破損的嚴(yán)重事故，引發(fā)了行業(yè)內(nèi)外對(duì)大口徑、高壓力、高鋼級(jí)油氣管道安全性的擔(dān)憂。根據(jù)我國(guó)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬(wàn)公里，因此必須認(rèn)真思考和正確認(rèn)識(shí)管道安全性，才能有效實(shí)施管道保護(hù)。本文就通過(guò)各種檢測(cè)/監(jiān)測(cè)手段識(shí)別施加在管道上的載荷，評(píng)價(jià)管道在這些載荷作用下的安全性進(jìn)行討論。

1 管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與“非設(shè)計(jì)載荷”

管道安全性就是要保證管道的完整性。根據(jù)定義，管道完整性指管道在結(jié)構(gòu)上和功能上應(yīng)該是完整的，其中結(jié)構(gòu)完整性指管道結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)管道所受的載荷類型不同，管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)分為基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)和基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)。管道強(qiáng)度可能用應(yīng)力表達(dá)，也可能用應(yīng)變表達(dá)，見(jiàn)表達(dá)式（1）。

如強(qiáng)度條件滿足該表達(dá)式（1），則管道結(jié)構(gòu)是安全的，否則就是不安全的。管道在設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度條件一定是滿足式（1）的。但制管、焊接施工的瑕疵和運(yùn)行過(guò)程中設(shè)計(jì)工況的改變，可能不再滿足式（1）。

一方面，如制管或焊接施工中存在焊接缺陷，或管道在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕缺陷，這些缺陷將會(huì)形成管道中的應(yīng)力集中，相當(dāng)于減小了管道截面幾何尺寸，增加了管道應(yīng)力或應(yīng)變，是管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的內(nèi)因。所謂保障管道本質(zhì)安全，就是要在管道施工中保證焊接質(zhì)量，在運(yùn)行過(guò)程中保證腐蝕防護(hù)措施的有效性，不斷實(shí)施內(nèi)外檢測(cè)和適用性評(píng)價(jià)技術(shù)，使得管 道自身始終符合設(shè)計(jì)要求和適用性評(píng)價(jià)要求，使其不產(chǎn)生缺陷，或及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并予以修復(fù)，消除本體不安全因素。

另一方面，在管道運(yùn)行過(guò)程中由于地質(zhì)災(zāi)害、非法占?jí)盒纬傻墓芡料嗷プ饔茫瑫?huì)在管道上產(chǎn)生新的載荷。這些新的載荷不是管道設(shè)計(jì)時(shí)考慮的載荷，可稱之為“非設(shè)計(jì)載荷”。它的存在增大了管道內(nèi)力，必然會(huì)增加管道應(yīng)力或應(yīng)變，這是管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的外因。對(duì)此，必須采用各種檢測(cè)/監(jiān)測(cè)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害土壤位移、占?jí)旱葘?dǎo)致管道應(yīng)力應(yīng)變的異常變化，及時(shí)識(shí)別并消除管道“非設(shè)計(jì)載荷”，消除外部不安全因素。

由式（1）可見(jiàn)，管道破損有三種情形：①無(wú)“非設(shè)計(jì)載荷”，在正常運(yùn)行載荷作用下，管道因存在缺陷而破損；②管道無(wú)缺陷，管道在“非設(shè)計(jì)載荷”作用下破損；③管道破損時(shí)既存在缺陷又有“非設(shè)計(jì)載荷”。

2 識(shí)別管道“非設(shè)計(jì)載荷”的重要性

近年來(lái)國(guó)內(nèi)油氣管道發(fā)生過(guò)數(shù)起在環(huán)焊縫附近斷裂的事故，從圖 1所示的管道發(fā)生破損現(xiàn)場(chǎng)看，管道斷口兩側(cè)常常有較大的相對(duì)位移，說(shuō)明這些破損是由于拉伸或彎曲載荷造成的。

如果一段管道受拉伸或彎曲載荷作用，管道一般在環(huán)焊縫處破損。這是因?yàn)樵诠艿澜ㄔO(shè)中，盡管API 1104標(biāo)準(zhǔn)要求環(huán)焊縫的強(qiáng)度應(yīng)高于鋼管管材的最小規(guī)定強(qiáng)度值。鋼管管材強(qiáng)度按API 5L 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)中管材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度允許范圍很寬，比要求的最小規(guī)定強(qiáng)度值高不少，如X80的屈服強(qiáng)度為555～705 MPa，抗拉強(qiáng)度為625～825 MPa。這就造成實(shí)際上焊縫是低強(qiáng)匹配，管道往往在焊接熱影響區(qū)破損。如果這一段受載管道的某一道環(huán)焊縫存有缺陷，管道一定會(huì)在該焊縫上破損。這就是近幾年管道事故常發(fā)生在焊縫附近，且這些焊縫往往有一定缺陷的原因。

由此可見(jiàn)，我們并不能因?yàn)楣艿莱�斷裂在焊縫附近，且焊縫往往有一定的質(zhì)量問(wèn)題，就將管道破損的原因完全歸結(jié)于焊接質(zhì)量，導(dǎo)致排查管道隱患時(shí)把重點(diǎn)放在排查管道缺陷，而忽視了作用在管道上的“非設(shè)計(jì)載荷”。因?yàn)榧词构艿罌](méi)有缺陷，在“非設(shè)計(jì)載荷”作用下也可能發(fā)生破損。所以發(fā)現(xiàn)和識(shí)別管道上存在的“非設(shè)計(jì)載荷”，評(píng)估在這些載荷作用下管道的強(qiáng)度和安全性，并及時(shí)采取措施消除有威脅的“非設(shè)計(jì)載荷”，是與識(shí)別管道缺陷同等重要的一項(xiàng)工作。

3 防止“非設(shè)計(jì)載荷”造成管道破損的措施

為防止“非設(shè)計(jì)載荷”造成管道破損，應(yīng)建立針對(duì)管道“非設(shè)計(jì)載荷”的檢測(cè)/監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)預(yù)警預(yù)防體系。

產(chǎn)生“非設(shè)計(jì)載荷”的原因主要包括：地質(zhì)災(zāi)害、非法占?jí)骸⒌谌�方施工、�?qiáng)行組對(duì)等。實(shí)際上，絕大部分“非設(shè)計(jì)載荷”的發(fā)生是有預(yù)兆并可監(jiān)測(cè)的，作為智慧管道建設(shè)的重要組成部分，首先我們應(yīng)建立管道載荷監(jiān)測(cè)體系。

在管道上黏貼各種應(yīng)變計(jì)可直接測(cè)量管道應(yīng)力/應(yīng)變，該方法優(yōu)點(diǎn)是可直觀準(zhǔn)確反映管道應(yīng)力/應(yīng)變值及其變化，缺點(diǎn)是測(cè)量點(diǎn)數(shù)量有限，需結(jié)合管道結(jié)構(gòu)分析計(jì)算找到管道最大應(yīng)力點(diǎn)。間接測(cè)量法較多，可測(cè)量土壤的含水、地應(yīng)力、坐標(biāo)及位移等參數(shù)以監(jiān)測(cè)滑坡，測(cè)量地層溫度以監(jiān)測(cè)凍土的凍脹和融沉，光纖測(cè)量振動(dòng)以監(jiān)測(cè)第三方施工， IMU檢測(cè)獲得管道變形和應(yīng)變等。大部分間接測(cè)量方法可直接監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，也需要結(jié)合管道結(jié)構(gòu)分析計(jì)算出作用在管道上的載荷和管道中的內(nèi)力、應(yīng)力或應(yīng)變，這就是“非設(shè)計(jì)載荷”的識(shí)別過(guò)程。

根據(jù)管道缺陷的檢測(cè)結(jié)果和管道載荷的監(jiān)測(cè)結(jié)果，需建立各種常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害和土壤位移作用下的管 道應(yīng)力/應(yīng)變分析模型，即管道應(yīng)力/應(yīng)變與土壤位移形式和位移、管道尺寸及管材參數(shù)、土壤特性參數(shù)等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如式（2）所示。

同時(shí)需建立管道應(yīng)力/應(yīng)變相關(guān)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)方法。從而可根據(jù)管道檢測(cè)/監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)管道載荷識(shí)別、應(yīng)力/應(yīng)變分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)安全性實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)判斷預(yù)警，乃至實(shí)時(shí)預(yù)防。作為智慧管道建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)致力于使上述檢測(cè)/監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、預(yù)警技術(shù)成為管道數(shù)字孿生技術(shù)中基于模型的管道安全運(yùn)維技術(shù)的一部分，實(shí)現(xiàn)管道的數(shù)字運(yùn)行。

4 結(jié)論

從管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度，管道存在缺陷和外載荷兩方面分析了管道破損的原因，提出了“非設(shè)計(jì)載荷”的概念。根據(jù)國(guó)內(nèi)近年管道破損事故的形貌，簡(jiǎn)要敘述了識(shí)別“非設(shè)計(jì)載荷”的方法。指出有效識(shí)別載荷與識(shí)別缺陷對(duì)管道安全同等重要。

作者：張宏，男，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院教授，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。