天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性與可維修性技術研究現(xiàn)狀

王坤

摘 要：天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和可維修性的研究對管網(wǎng)系統(tǒng)高效安全運行的具有重要作用。從管道單元可靠性、設備單元可靠性和管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性三個方面重點介紹了天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并對管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的發(fā)展趨勢做出了展望，闡述了當前使用較為廣泛的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可維修性技術RCM，最后針對國內(nèi)外管網(wǎng)的可靠性與可維修性技術存在的問題提出了未來研究的發(fā)展方向和建議。

關 鍵 詞：天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)； 可靠性； 可維修性； 研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TE 88 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1994-03

Abstract： Research on reliability and maintainability of natural gas pipeline network system plays an important role in efficient and safe operation of the pipeline network system. The research status of natural gas pipe network system reliability technology was emphatically introduced from three aspects： the pipe unit reliability， equipment unit reliability and the reliability of pipeline system， and the development trend of network system reliability was discussed. The technology of natural gas pipe network system maintainability RCM was introduced. Finally， the development direction of future research and some suggestions on pipe network reliability technology and maintainability technology were put forward.

Key words： natural gas pipeline network system； reliability； maintainability； research status

天然氣管網(wǎng)是連接我國能源供給和需求的生命線，在國民經(jīng)濟和能源安全上具有重要作用和意義。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，大輸量輸氣管道將大量修建。目前，我國輸氣管道建設已經(jīng)進入第三代，需要采用新材料新技術才能進一步提高管網(wǎng)輸送效率。對天然氣管網(wǎng)進行系統(tǒng)可靠性和可維修性的技術研究，并將其運用于實際的設計，施工，管理和維護上，可以有效的保證管網(wǎng)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)高效運行[1]。

1 管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性技術發(fā)展現(xiàn)狀

天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性是指天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[2]，常用可靠性，可維修性，魯棒性三個指標來衡量。根據(jù)天然氣管網(wǎng)的自身特點，將管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分為兩個層次，較低層次的保證天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部所有設施和設備結構完整的結構可靠性；較高層次的保證天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常滿足市場用戶供氣需求的供氣可靠性[3-5]。顯然供氣可靠性是建立于結構可靠性的基礎之上的。

1.1 管道單元可靠性研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外針對管道單元和設備單元的可靠性的研究較為透徹。對于管道單元而言，傳統(tǒng)方法是基于應力的設計評價方法[6]，將管道系統(tǒng)存在的各種不確定因素，集中在統(tǒng)一的安全系數(shù)中，即設計系數(shù)。這些不確定性因素包括管道材料，制造，施工，運行的不確定性。這個設計系數(shù)是通過設計人員的經(jīng)驗和對風險的定量評估而確定的。雖然這種方法已廣泛運用于管道設計，施工和安全評價中，但隨著對管道失效機理的研究的日益深入，其缺陷也是日益明顯。

一種更為合理的可靠性設計和評價方法是基于應變的設計方法，即所謂的極限狀態(tài)設計方法[7-11]。極限狀態(tài)是指管道處于失效和安全的臨界狀態(tài)。極限狀態(tài)設計方法通過識別可能的極限狀態(tài)，建立對應的極限狀態(tài)方程和設計的準則，從而保證所設計管道的安全可靠和經(jīng)濟有效。與基于應力的設計方法不同在于對管道各個階段的不確定性定量分析而非定性評價。

極限狀態(tài)設計方法具體的設計評價步驟：首先對管道可能存在的各種極限狀態(tài)進行識別，建立與之相對應的極限狀態(tài)方程和評價標準，通過對極限狀態(tài)方程的計算，可以得到管道失效的概率。對極限狀態(tài)方程的計算是整個可靠性評價的關鍵。可以通過多種方法完成，包括各種模擬方法，如蒙特卡洛模擬方法、重要性抽樣方法和拉丁超立方抽樣方法以及一階和二階可靠性方法。

1.2 設備單元可靠性研究現(xiàn)狀

對于設備單元的可靠性研究，主要是指壓縮機單元的可靠性研究。目前較常采用的是故障樹分析方法和基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的分析方法[12，13]。

故障樹分析方法是一種自上而下的推導演譯分析方法[14]。壓縮機常出現(xiàn)的失效事件，通常稱其為頂事件是故障樹分析方法的起始點。然后對導致壓縮機失效的事件途徑進行分析歸納，最終得到各個基本故障即基本事件。對故障樹進行定性分析即可確定導致失效事件的基本故障的組合，而對其定量分析即可估計各類失效出現(xiàn)的概率，從而推導出壓縮機的可靠度。對于故障樹分析而言，其難點在于對壓縮機的工作原理和失效機理做出準確的分析，在進行定量分析時需要足夠多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行支持。

而對于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的分析方法，其關鍵在于壓縮機運行工況和事故的數(shù)據(jù)庫的完整性。其具體步驟是首先對壓縮機失效模式進行評定，所謂壓縮機失效模式是指壓縮機出現(xiàn)失效的各種形式。然后建立相應的壓縮機運行工況的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫必須能夠準確的記錄壓縮機的發(fā)生故障的時間，危害程度及運行數(shù)據(jù)。所以這就要求數(shù)據(jù)庫不僅能夠記錄正常工作時壓縮機的運行參數(shù)，也要求能夠?qū)Πl(fā)生故障后的運行數(shù)據(jù)進行記錄。通過數(shù)據(jù)庫，根據(jù)壓縮機可靠性常服從的概率統(tǒng)計分布，即可對壓縮機的可靠性進行量化。

1.3 管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀

對于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，是一個多單元超復雜系統(tǒng)，它包括上游氣源，連接氣源和市場的物理管網(wǎng)，系統(tǒng)所處的外在環(huán)境和下游市場四個部分組成。國內(nèi)于2013年首次提出了大型天然氣管網(wǎng)可靠性的概念，提出要以系統(tǒng)全局可靠性最優(yōu)和關鍵單元可靠性最高為原則，綜合考慮多方面因素，保障其安全高效運行。

目前對于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性函數(shù)的求解，國內(nèi)外一般采用以下思路[15]：對管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部單元之間的相互關系清晰，管道和關鍵設備的失效機理明確，上下游對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響和要求確定，外部環(huán)境對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響可知的情況下，可以采用確定性方法求解。對管道單元和關鍵設備失效機理模糊，外部環(huán)境對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響不確定的情況下，可以采用概率統(tǒng)計方法求解。具體的分析步驟：首先對管網(wǎng)系統(tǒng)的基本單元進行可靠性函數(shù)求解，基本單元即管道單元和設備單元。然后根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部件的組合形式和相互之間影響程度求解系統(tǒng)可靠性函數(shù)。最后根據(jù)外部環(huán)境以及上游氣源和下游市場對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，對系統(tǒng)可靠性函數(shù)進行修正。可知，求解基本單元可靠性函數(shù)是求解系統(tǒng)可靠性的基礎，明確基本單元之間的相互關系是求解系統(tǒng)可靠性的關鍵，確定外部環(huán)境和人為因素對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響是求解管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的重要組成部分。

1.4 管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的發(fā)展趨勢

由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)是由多條管道，眾多設備組成，其各自技術參數(shù)，相互之間的連接關系各不相同，對系統(tǒng)可靠性的貢獻也各異，故對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性進行統(tǒng)一分析和評價難度較大。為此，必須對管道單元，設備單元建立統(tǒng)一的歸一化標準體系，以便能夠準確客觀的評價管網(wǎng)系統(tǒng)中某一基本單元對系統(tǒng)可靠性的影響，能將不同子單元系統(tǒng)可靠性函數(shù)耦合求解系統(tǒng)可靠性函數(shù)。

對系統(tǒng)可靠性進行分析研究時，管網(wǎng)系統(tǒng)及其外部環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量與精度都有較高的要求。這就需要建立基于可靠性研究的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫是管網(wǎng)系統(tǒng)進行可靠性研究的基礎。如何將管道SCADA系統(tǒng)，管道完整性管理，管道運行生產(chǎn)管理系統(tǒng)等企業(yè)信息化和管控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)錄入可靠性研究的數(shù)據(jù)庫中，將是建立該數(shù)據(jù)庫的關鍵。

管網(wǎng)系統(tǒng)在進行可靠性分析時，管網(wǎng)系統(tǒng)中基本單元失效大多是指結構之主要功能的破壞，以及導致出現(xiàn)的安全和環(huán)境問題，對管道單元而言，一般是指管道破裂和爆裂。對于另一種失效即系統(tǒng)不能滿足其功能的能力研究逐漸增多，此類失效往往是指能夠影響其正常功能但不會造成安全和環(huán)境的影響，對管道單元而言，則是指管道的壓扁和凹陷。另外，對于第三方影響以及出現(xiàn)的自然災害對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，研究較少，未能充分考慮，也是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究的發(fā)展趨勢。

2 管網(wǎng)系統(tǒng)可維修性研究現(xiàn)狀

天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)基本單元大都是可維修性產(chǎn)品，發(fā)生故障后通過維修都可以恢復其工作能力[16]。一般情況下，維修包括被動維修和主動維修兩種類型，主動維修又分為預測性維修和預防性維修。管網(wǎng)系統(tǒng)在進行維修時需要花費大量人力物力資源，所以管網(wǎng)系統(tǒng)維修性研究對管網(wǎng)的安全高效運行具有重要作用，通常將維修性研究看成是僅次于可靠性研究的工作，維修性研究成果能夠帶來大量的經(jīng)濟回報。維修性研究的目標在于通過提高維修效果來減少系統(tǒng)停機時間。

我國目前對于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)管道單元和設備單元，特別是壓縮機組通常采用的是定期性維修方式。定期性維修方式是指通過歷史經(jīng)驗確定維修周期的維修方式[17]。此維修方式對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠高效運行做出了很大的貢獻，但經(jīng)過多年使用也出現(xiàn)了諸多問題：用于維修的人力物力資源沒有得到最優(yōu)的配置，沒有考慮到現(xiàn)場設備的具體情況；存在一些設備過度維修而另一些設備維修不足的情況。鑒于定期性維修方式存在諸多弊端，如何實現(xiàn)經(jīng)驗型維修方式向科學型維修方式轉換，以建立安全高效的管理體制，提高管網(wǎng)系統(tǒng)可靠運行是目前維修性研究的發(fā)展趨勢。

以可靠性為中心的維修（RCM，Reliability Centered Maintenance），是目前國內(nèi)外較為通用的維修方式，該維修方式于20世紀60年代末美國航空業(yè)提出，最早是運用于飛機維修上，并取得巨大的收益[18，19]。RCM相比較于定期性維修方式，最大的不同在于其本身不是一種維修類型，而是一種分析方法。它以設備故障模式和故障后果作為維修性分析的基礎，考慮到設備維修的經(jīng)濟效益和運行的可靠性，通過邏輯判斷分析方法來確定設備維修方案。可以說RCM是一種以最小的維修代價，取得設備最大的運行可靠性和最優(yōu)的經(jīng)濟效益的維修方式。

3 結 論

隨著我國天然氣管道建設的快速發(fā)展，大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和可維修性研究在保障管網(wǎng)系統(tǒng)高效安全運行中起到越來越重要的作用。基于當前可靠性和可維修性的研究成果，必須建立和健全管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫，加大設備故障模式和機理研究，明確管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部基本單元之間的可靠性影響關系以及外部環(huán)境和人為因素對系統(tǒng)可靠性的影響。在系統(tǒng)可靠性研究的基礎上，采用以可靠性為中心的維修策略，可以實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，保障管網(wǎng)系統(tǒng)處于最佳的運行狀態(tài)。

參考文獻：

[1] 黃維和. 大型天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性[J]. 石油學報，2013，34（2）：401-404.

[2] 周楊飛，肖超波. 在役天然氣管道的可靠性分析[J]. 管道技術與設備，2012（03）：4-6.

[3] 張宗杰，蘇懷. 干線天然氣管道供氣可靠性評價方法[J]. 油氣儲運，2014，33（9）：945-949.

[4] 張宗杰，謝青青，文江波，等. 干線天然氣管道運行可靠性評價方法[J]. 油氣儲運，2014，33（8）：807-812.

[5] 劉雯. 天然氣管道的運行可靠性評價方法[J]. 天然氣工業(yè)，2001，21（4）：94-97.

[6] 李智勞，寧曉周，閆云聚. 基于應力概率分布的管道可靠性分析方法研究[J]. 武漢理工大學學報，2010（9）：72-75.

[7] 溫凱，張文偉，宮敬. 天然氣管道可靠性的計算方法[J]. 油氣儲運，2014，33（07）：729-733.

[8]International Organization for Standardization. ISO16708-2006 Petroleum and natural gas industries pipeline transportation systems-reliability based limit stat methods[S]. Switzerland：ISO，2006.

[9] Canadian Standards Association. CSA Z662-2007 Oil and gas pipeline system[S]. Mississauga：CSA，2007.

[10] 帥健.油氣管道可靠性的極限狀態(tài)設計方法[J].石油規(guī)劃設計，2002，13（1）：18-21.

[11] 楊鵬，余志峰，李程，等. 天然氣管道可靠性設計方法分析[C]. 中國國際管道會議暨中國管道與儲罐腐蝕與防護學術交流會，2013.

[12] Sidney Pereira dos Santos.Compressor station availability -managing its effects on gas pipeline operation[R]. 6th International Pipeline Conference September 25-29， 2006， Calgary， Alberta， Canada.

[13] Sidney Pereira dos Santos.Availability and risk analysis effects on gas pipeline tariff making[R]. 7th International Pipeline Conference September 29-October 3，2008， Calgary， Alberta， Canada.

[14] Charles E.Ebeling. 可靠性與維修性工程概論[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[15] 艾慕陽. 大型油氣管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性若干問題探討[J]. 油氣儲運， 2013，32（12）：1265-1270.

[16] 莫布雷 J.以可靠性為中心的維修[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[17] 祖宇樑. 基于RCM輸氣站場離心壓縮機系統(tǒng)維修策略研究[D].成都：西南石油大學，2014.

[18] 侯大立，高順華，周書仲. 基于可靠性的輸氣管道燃驅(qū)壓縮機組維修策略[C]. 中國國際管道會議，2013.

[19] 任世科，陳德昌，陳勇.以可靠性為中心的維護（RCM）技術在石化企業(yè)中的應用[J]. General Machinery，2005（12）：8-9.