油氣輸送鋼管安全運(yùn)行的質(zhì)量控制模式及影響因素

張 蕾，何小東，陳宏達(dá)

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安 710077）

油氣輸送鋼管安全運(yùn)行的質(zhì)量控制模式及影響因素

張 蕾，何小東，陳宏達(dá)

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安 710077）

為了進(jìn)一步探索油氣管道安全運(yùn)行的質(zhì)量控制模式，總結(jié)了油氣管道失效控制的基本方法，并對(duì)我國近年來油氣管道失效事故和油氣輸送鋼管的質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。基于可靠性和失效控制理論，建立了影響管道安全運(yùn)行的鋼管質(zhì)量因素樹圖，分析了管道失效的主要模式和原因，并提出了有效的質(zhì)量控制模式及相應(yīng)的改善措施。研究結(jié)果表明，油氣輸送鋼管的總體質(zhì)量水平和控制能力與國外有一定差距，需要采取有效的質(zhì)量控制措施，從而保證油氣管道的安全可靠運(yùn)行。

油氣管道；質(zhì)量控制；失效控制；樹圖

管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸方式之一，在油氣輸送中發(fā)揮著越來越大的作用[1]。由于石油、天然氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，管道長距離輸送需要通過復(fù)雜多樣的地理環(huán)境，如沙漠、地震斷裂帶、煤礦采空區(qū)、高原、河流等地區(qū)，管道的失效風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，而油氣管道安全可靠性運(yùn)行有助于保障國家的經(jīng)濟(jì)安全、社會(huì)穩(wěn)定和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，失效控制對(duì)于油氣輸送管道安全可靠運(yùn)行具有重要的意義[2-4]。

管道的安全可靠運(yùn)行最主要的因素之一是管材本身質(zhì)量的好壞，管材有效的質(zhì)量控制措施十分關(guān)鍵[5]。油氣輸送用鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于制管廠的生產(chǎn)能力、質(zhì)量控制能力（包括質(zhì)量管理體系的建立和實(shí)施），而采購方代表的監(jiān)造和第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)督抽查，有利于促進(jìn)企業(yè)在產(chǎn)品制造過程中質(zhì)量控制能力的提升和質(zhì)量改進(jìn)。在油氣輸送管線用焊管生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程中正確應(yīng)用各類管理工具（控制圖、排列圖、 描點(diǎn)圖、散點(diǎn)圖及直方圖）能夠有效實(shí)現(xiàn)質(zhì)量改進(jìn)[6]。

1 近年來我國油氣管道失效原因分析

對(duì)我國近年來28起油氣管道失效事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由于鋼管質(zhì)量問題造成的失效事故占39.29%，環(huán)焊縫質(zhì)量引起的事故占21.43%，腐蝕失效占17.86%，過量變形占14.29%，其他因素占7.14%。其中，鋼管質(zhì)量問題占事故總數(shù)的近40%，是管道發(fā)生失效事故的主要原因之一[7-8]。圖1所示為某油氣輸送管道因鋼管焊縫質(zhì)量問題而引起試壓開裂現(xiàn)場。管道的失效事故已嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)及國家的經(jīng)濟(jì)安全。

圖1 試壓時(shí)管道開裂泄漏失效現(xiàn)場及斷口形貌

2 油氣輸送鋼管的質(zhì)量水平及控制措施

2.1 油氣管道的主要失效模式及控制方法

油氣管道的主要載荷是輸送介質(zhì)（原油、成品油、天然氣等）的工作壓力。現(xiàn)代油氣管道正向著大直徑、高壓力的趨勢發(fā)展，其服役條件也日益苛刻。海底管道除輸送介質(zhì)的內(nèi)壓外，還要承受海水的外擠力（外壓）[9]。除正常的內(nèi)壓和外壓載荷外，油氣管道還可能遭受各種非正常的外部干擾，包括第三方造成的人為機(jī)械損傷、地面交通因素引起的交變載荷、地震和地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的管道損傷等[10]。另外，環(huán)境溫度（服役溫度）和腐蝕介質(zhì)也是油氣管道的重要服役條件。油氣管道的失效模式主要包括爆炸、斷裂、變形、表面損傷4大類，其失效原因通常有外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設(shè)備和操作等[11]。

失效分析是判斷失效模式、分析失效原因和影響因素的技術(shù)活動(dòng)[12]。失效控制的任務(wù)是針對(duì)失效模式、失效原因提出防止失效的措施，即對(duì)失效分析結(jié)果進(jìn)行反饋。油氣管道失效控制的步驟（圖2）如下：①搜集國內(nèi)外大量失效案例，建立油氣管道失效信息數(shù)據(jù)庫；②對(duì)失效案例進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，確定油氣管道的主要失效模式（包括二、三級(jí)失效模式）；③分析各種失效模式發(fā)生的原因、機(jī)理和影響因素；④提出各種失效模式的控制措施和方法。

圖2 油氣管道失效控制的基本方法

失效信息數(shù)據(jù)庫是失效控制的基礎(chǔ)，應(yīng)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析功能，并且擁有盡可能多的案例支持。除廣泛搜集國內(nèi)外油氣管道已發(fā)生的重大失效案例外，尚需加強(qiáng)對(duì)新發(fā)生的油氣管道失效事故的分析研究。在大量失效分析的基礎(chǔ)上，凝練一些重大共性的科學(xué)問題進(jìn)行較深入的研究。隨著失效案例不斷增多，失效信息數(shù)據(jù)庫不斷充實(shí)，失效模式及其原因、機(jī)理、影響因素的動(dòng)態(tài)變化和調(diào)整，失效控制措施和方法也不斷完善和更新。EPRG基于大量失效分析，提出了油氣管道不同加載狀況下的失效模式和材料性能控制指標(biāo)。對(duì)于新建管道的失效控制，應(yīng)充分分析該管道的服役條件和設(shè)計(jì)參數(shù)，借助失效信息數(shù)據(jù)庫，確定其主要的失效模式，提出相應(yīng)的控制措施和方法。

2.2 我國油氣輸送鋼管的質(zhì)量水平

西氣東輸二線管道工程采用了大量的X80鋼管，該項(xiàng)目的成功投產(chǎn)標(biāo)志著我國由管道建設(shè)追趕者成為管道建設(shè)領(lǐng)跑者[13-14]。由于油氣輸送鋼管制造流程較長，所采用高鋼級(jí)管線鋼生產(chǎn)技術(shù)難度大，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)工序多，涉及到制造設(shè)備能力、技術(shù)水平、人員專業(yè)技能、檢測能力以及質(zhì)量管理體系建立、實(shí)施和運(yùn)行是否有效等。與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)油氣輸送鋼管的總體質(zhì)量水平和控制能力還有一定差距。圖3為國內(nèi)外X80級(jí)Ф1 219 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管管體屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)的正態(tài)總體分布。從圖3可看出，國外優(yōu)異的油氣輸送鋼管屈服強(qiáng)度分布相對(duì)集中，而國內(nèi)管廠生產(chǎn)的鋼管屈服強(qiáng)度分布較為分散。油氣輸送鋼管屈服強(qiáng)度與鋼廠提供的鋼板總體屈服強(qiáng)度水平和制管廠的原材料控制及成型控制都有一定關(guān)系，這在一定程度上反應(yīng)了目前國內(nèi)外油氣輸送鋼管的總體質(zhì)量控制水平和能力差異。

圖3 國內(nèi)外油氣輸送鋼管質(zhì)量控制水平差異

圖4是某重大管道工程采用Ф1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的不合格原因統(tǒng)計(jì)分布圖。從圖4可看出，影響油氣輸送鋼管不合格的因素較多，僅與焊接有關(guān)的不合格比例就高達(dá)54%，如焊縫理化性能、補(bǔ)焊、未熔合、未焊透、氣孔等。雖然經(jīng)過后續(xù)檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)這些缺陷，但仍有可能存在漏檢現(xiàn)象。因此，一方面需要從原材料和鋼管的生產(chǎn)過程進(jìn)一步提高制造水平；另一方面，需要采取有效的質(zhì)量控制措施以便持續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定一致的合格產(chǎn)品，這對(duì)于長輸油氣管道運(yùn)行的安全可靠具有重要作用。

圖4 螺旋埋弧焊管不合格原因統(tǒng)計(jì)（樣本數(shù)為3 429）

3 影響管道安全運(yùn)行的鋼管質(zhì)量因素及控制模式

油氣輸送鋼管的質(zhì)量對(duì)管道的安全可靠運(yùn)行具有重要影響。油氣輸送鋼管質(zhì)量指標(biāo)分為五類[15]：①材料的工藝性能（如成型性能和焊接性能）；②理化性能；③耐腐蝕性能；④幾何尺寸；⑤外觀及表面質(zhì)量。

設(shè)定“管道可靠運(yùn)行”為總目標(biāo)，將其分解為“管道不發(fā)生失效”和“維護(hù)管理將失效降到最低”兩個(gè)子目標(biāo)。把“保證管材質(zhì)量”作為管道不發(fā)生失效的第一層有效手段之一，將管材的不同質(zhì)量指標(biāo)控制作為下一步措施的目的，并對(duì)最終的手段進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)施第一方、第三方及購方代表制造過程監(jiān)督三者共同檢驗(yàn)的措施。圖5為管材質(zhì)量對(duì)管道可靠運(yùn)行影響因素樹圖。

以上措施主要與管材的成分設(shè)計(jì)、優(yōu)化軋制工藝、優(yōu)化成型工藝、控制流轉(zhuǎn)過程等手段有關(guān)，質(zhì)量控制模式需要采取如圖6所示。從圖6可看出，油氣輸送鋼管的質(zhì)量控制手段實(shí)施效果需要行政許可、過程監(jiān)督和檢驗(yàn)試驗(yàn)來評(píng)價(jià)，包括國家行政部門的制造能力許可、生產(chǎn)過程的第一方檢驗(yàn)、第二方代表制造過程監(jiān)督及審查、第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)監(jiān)督抽查檢驗(yàn)。采用這種質(zhì)量控制模式能夠保證西氣東輸、中亞管道、中緬管道等國家重點(diǎn)油氣管道工程用鋼管的質(zhì)量。

圖5 管材質(zhì)量對(duì)管道可靠運(yùn)行影響因素樹圖

圖6 油氣輸送鋼管的質(zhì)量控制模式

4 結(jié) 論

（1）失效模式和失效控制對(duì)油氣管道的可靠運(yùn)行具有重要作用，而鋼管質(zhì)量是可靠性的基礎(chǔ)。

（2）與國外產(chǎn)品質(zhì)量相比，國內(nèi)油氣輸送鋼管的總體質(zhì)量水平和控制能力存在一定的差距，原材料生產(chǎn)企業(yè)和鋼管制造企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步提高制造技術(shù)水平，保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定，從而為油氣管道工程提供持續(xù)一致的合格產(chǎn)品。

（3）以制造企業(yè)自身質(zhì)量控制為主，采取國家行政許可、采購入網(wǎng)、購方代表監(jiān)造、第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)抽查檢驗(yàn)相結(jié)合的方式是油氣管道用鋼管質(zhì)量控制的有效模式。

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Quality Control Modes and Influence factors of Oil and Gas Transportation Steel Pipe Safe Operation

ZHANG Lei,HE Xiaodong,CHEN Hongda
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

In order to further explore quality control modes of oil and gas transportation steel pipe safe operation,it summarized the basic methods of controlling oil and gas pipeline failure,and the statistic analysis was carried out for the oil and gas pipeline failure accidents in recent years and the current status of oil and gas pipe quality.Based on reliability and failure control theory,it established the steel pipe quality tree graph affecting pipeline safe operation,analyzed the main failure modes and causes,and put forward effective quality control mode and the corresponding improvement measures.The results indicated that a certain gap exists between the overall quality level of oil and gas transportation pipeline and control ability in China and abroad,should adopt effective quality control measures to ensure oil and gas pipeline safe operation.

oil and gas pipeline;quality control;failure control;tree graph

TE832

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.014

張 蕾（1982—），女，陜西淳化人，碩士，工程師，持有國家壓力管道鑒定評(píng)審注冊(cè)審核員、ISO 9001注冊(cè)審核員、ISO 4001注冊(cè)審核員等資質(zhì)，主要從事質(zhì)量體系管理、石油管材質(zhì)量監(jiān)督、制造許可評(píng)審等工作。

2016-03-20

黃蔚莉