基于蒙特卡洛方法的油田管道內腐蝕狀態安全評價及預測

王宏軍 國濱 宮彥雙 馬義來 吳超 安超

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403001

摘 要 隨著管道長時間運行，油氣管道內壁會出現不同程度的腐蝕、凹點、裂紋、結垢及磨蝕等缺陷，需要及時維修或者更換。針對油田管道內壁腐蝕特點，提出了一種新的基于蒙特卡洛方法的管道安全評估模型。首先用管道內檢測儀器對目標管道進行內檢測，獲取相關缺陷的具體數據，然后在分析數據的基礎上預測腐蝕缺陷生長規律，最后基于安全預警模型對管道內腐蝕進行安全評價，預判管道失效年限。

關鍵詞 油田管道 內壁腐蝕 管道內檢測 綜合評價 安全預警

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0325?07

Safety Evaluation and Prediction of Corrosion Status of the Inner

Wall of Oilfield Pipeline Based on Monte Carlo Method

WANG Hong?jun1， GUO Bin2， GONG Yan?shuang1， MA Yi?lai2， WU Chao1， AN Chao1

（1. Tarim Oilfield Oil and Gas Engineering Research Institute; 2. China Special Equipment

Inspection & Research Institute）

Abstract?? With the long?term operation of the pipeline， the inner wall of the oil & gas pipeline encounters with different corrosions， concave points， cracks， scaling， abrasion and other defects， which need to be repaired or replaced in time. In this paper， a new pipeline safety evaluation model based on Monte Carlo method was proposed， in which， having the target pipeline inspected by the in?pipe detector to obtain specific data of related defects， and then， on the basis of analyzing these data， the growth law of corrosion defects was predicted and finally， based on the safety warning model， the internal corrosion of the pipeline was evaluated and its failure time was predicted.

Key words??? oilfield pipeline， inner wall corrosion， in?pipe inspection， comprehensive evaluation， safety warning

基金項目：國家重點研發計劃項目（批準號：2018YFF0215000）資助的課題。

作者簡介：王宏軍（1968-），高級工程師，從事油氣管道和站場完整性技術研究工作。

通訊作者：馬義來（1987-），高級工程師，從事油氣管道無損檢測技術的研究及設備研發工作，chantal1314@163.com。

引用本文：王宏軍，國濱，宮彥雙，等.基于蒙特卡洛方法的油田管道內腐蝕狀態安全評價及預測[J].化工機械，2024，

51（3）：325-331.

近年來，中國已成為世界范圍內最大的能源生產和消費國，能源利用效率逐年穩步提升。在能源儲運領域，應用范圍最廣且可以保證安全的運輸方式為管道運輸。相關數據顯示，截至2020年底，我國油氣管道總里程已經達到16.5萬公里，其中原油管線為3.1萬公里，成品油管線3.2萬公里，天然氣管道10.2萬公里，全國油氣管線已基本成網。但油氣管道運行安全問題日益增多，影響油氣管道運行安全的因素諸多[1～4]，其中腐蝕、第三方破壞、施工缺陷、材料失效等原因引發的泄漏事故頻頻發生，造成管道失效的主要原因是腐蝕、材料失效和設備失效。因此，根據管道內檢測結果，分析管道內壁缺陷發生規律，對在役管道的安全性進行評價顯得尤為重要。

目前，常見的油氣管道評價準則有ASME B31G準則、DNV?RP?F101準則和PCORRC準則。其中，ASME B31G準則是以彈塑性力學和斷裂力學為基礎，采用分級評價方法，適于評價帶有軸向裂紋、腐蝕缺陷的管道。DNV?RP?F101準則考慮了軸壓和彎曲載荷的影響形成一種管道評價體系。PCORRC準則主要考慮了腐蝕深度和軸向長度對剩余強度的影響，忽略了腐蝕寬度，保守性較小，準確度較高。因此，筆者采用以上3種方法進行小管徑管道的缺陷安全失效應力計算，并基于蒙特卡洛大數規律來統計管道失效概率次數，對油田管道內腐蝕狀態安全進行評價和預測。最后，以實際工程為背景，基于以上理論對某油氣田的管道內腐蝕狀態進行安全評價和預測，預判管道失效年限。

1 評價方法

1.1 ASME B31G方法

ASME B31G方法[5]是美國機械工程協會于1984年提出的，主要預測管道單一表面缺陷的失效壓力值。基于ASME B31G方法預測的管道環向失效應力計算公式為：

p′=（1）

式中 A——腐蝕缺陷剖面投影面積，mm2;

A——腐蝕缺陷處管道壁面積，mm2;

M——膨脹系數，大小與腐蝕缺陷軸向長度、壁厚和管徑相關;

S——管道運行的流變應力，取管道屈服應力值即可，MPa。

膨脹系數M的計算式為：

M

=

，≤50

M

=0.032+3.3

，>50（2）

式中 B——管壁厚度，mm;

D——管道直徑，mm;

L——腐蝕缺陷軸向長度，mm。

當≤20時，A=dL，A=BL，當>20時，A=dL，A=BL（d為腐蝕剖面缺陷深度）。因此，根據管道環向失效應力和失效壓力轉換公式p=計算得到管道失效壓力p：

p=S（3）

1.2 DNV?RP?F101方法

DNV?RP?F101方法[6]是挪威船級社和英國燃氣公司合作聯合推出解決海洋管道腐蝕引發的應力失效問題的一種較為可靠的評價方法。普遍適用于管道腐蝕情況預測和失效應力的計算。DNV?RP?F101方法的原理是使用腐蝕缺陷的軸向長度、深度等參量，判別管道目前的安全失效狀態。基于DNV?RP?F101方法預測失效壓力計算式為：

p=S（4）

其中M為該方法的膨脹系數，其計算式為：

M=（5）

1.3 PCORRC方法

PCORRC方法[7]是Stephens提出的該方法采用有限元軟件計算管道缺陷的殼體從而獲得極限狀態函數，利用管道缺陷的軸向長度、深度等參量，判別管道剩余強度壓力。基于PCORRC方法預測失效壓力計算式為：

p=S1-

M

（6）

其中，M為PCORRC方法的膨脹系數，其計算式為：

M=1-exp??????? （7）

2 失效概率

對管道失效概率的評估是定量評價油氣管道風險的基礎，為了更加準確地評價影響油氣管道失效因素，降低不確定因素的影響，引入失效概率這一概念。

2.1 失效狀態模型

p為管道運行壓力，失效狀態模型適用于其缺陷深度不超過國標規定的80%壁厚的管道的評價，若缺陷深度超過其限定值，管道發生泄漏的概率會增加。基于可靠性理論計算管道失效概率。當管道失效概率超過目標失效概率時，管道會發生失效，管道失效概率與可靠度目標之和為1，建立失效狀態方程的模型為：

Z=p-p（8）

2.2 失效概率分析

根據以上各個評價方法可知，影響管道失效的隨機變量的幾何參數有管道外徑、壁厚、缺陷深度及缺陷長度等參數，由此可建立失效狀態方程，設隨機變量為X=[X1，X2，X3，X4]=（D，B，L，d），X代表變量參數，概率分布函數為f（X），i=1，2，

3，4。

將已知參數代入，并且利用蒙特卡洛[8～10]大數定律來統計失效概率次數，判斷Z<0的情況。若在Γ次循環中，有n次出現Z<0的情況;根據大數定律，失效次數n與總循環次數Γ的比值即為管道失效概率P，即：

P=（9）

由可靠性理論可知管道失效概率與管道可靠性之和為1。管道失效概率與管道的可靠性成反比，當可靠性降低時管道的風險等級增加，需要及時去維修保護。國標API 579將管道風險等級分為5類，分別為低風險、較低風險、中風險、中高風險、高風險。管道的可靠性風險的劃分見表1。

3 某油田背景

研究某油田管道失效時，必須明確管道失效時的參數量分布，如明確幾何參數、材料參數、載荷參數等這些主要的變量，某油田的參數見表2。

由表2可知，主要影響管道失效的幾何參數有管道外徑、管道壁厚、缺陷長度、缺陷深度，各參數的概率分布呈現正態分布，結果如圖1所示。

4 對某油田評價

4.1 管道缺陷失效壓力計算

使用ASME B31G方法、DNV?RP?F101方法、PCORRC方法對管道失效壓力進行計算，計算結果見表3～5。不同管道缺陷失效壓力評價方法計算結果比較如圖2所示。

由圖2可知，3種評價方法中ASME B31G方法計算管道缺陷失效壓力值最小，5個樣本統計值范圍在32.0～32.5 MPa;PCORRC方法計算值略高于前者，5個樣本統計值范圍在32.5～33.0 MPa;DNV?RP?F101方法計算值較高，5個樣本統計值范圍在34.7～35.2 MPa。

4.2 失效概率

按表1中的安全可靠性風險等級劃分，運用MATLAB軟件編程并進行結果運算，設置管道初始使用年限和服役年限。其中初始使用年限為20年，服役年限為55年。MATLAB解析過程中以服役10年為一階段，進行仿真運算。

使用MATLAB軟件結合ASME B31G方法預測管道失效概率，運算結果如圖3所示。

由圖3可知，達到所設置的管道目標安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為8.2～10.1年、10.1～11.5年、11.5～13年、13～14.2年、14.2年以上，管道失效預警等級與預警關系見表6。

從表6可看出，當管道服役年限為8.2～10.1年時，管壁會發生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時發布紫色警告即可;當服役年限為10.1～11.5年，管道腐蝕速率增加，管道可能發生意外，在此服役階段屬于低預警級別，管道需要定期檢查，發布綠色警告;當服役年限在11.5～13年，管道腐蝕速度繼續增加，管壁進一步減薄，泄漏可能性較大，此服役階段為中度預警級別，需要發布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關注;服役年限在13～14.2年時，管道可能存在泄漏點，管理和操作部門需要時刻關注管道，及時進行管道減壓，多頻定期復檢和維護保養，需發布紅色警告;服役年限在14.2年以上，管道腐蝕嚴重，發生泄漏失效，需及時更換管道，發布黑藍色警告。

使用MATLAB軟件結合PCORRC方法預測管道失效概率，結果如圖4所示。

由圖4可知，達到所設置的管道目標安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為8.5～10.8年、10.8～12.7年、12.7～14.6年、14.6～15.9年、15.9年以上。管道失效預警等級與預警關系見表7。

由表7可看出，當管道服役年限在8.5～10.8年，管壁會發生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時發布紫色警告即可;當服役年限在10.8～12.7年，管道腐蝕速度增加，管道可能發生意外，在此時間階段屬于低預警級別，管道需要定期檢查，發布綠色警告;當服役年限在12.7～14.6年，管道腐蝕速度繼續增加，管壁進一步減薄，泄漏可能性較大，此時間階段為中度預警級別，需要發布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關注;服役年限在14.6～15.9年時，管道可能存在泄漏點，管理和操作部門需要時刻關注管道，及時進行管道減壓，多頻定期復檢和維護保養，需發布紅色警告;服役年限在15.9年以上，管道腐蝕嚴重，發生泄漏失效，需及時更換管道，發布黑藍色警告。

使用MATLAB軟件結合DNV?RP?F101方法預測管道失效概率，結果如圖5所示。

由圖5可知，達到所設置的管道目標安全水平0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的服役年限范圍為11.1～17.2年、17.2～25年、25～36.1年、36.1～54.8年、54.8年以上。管道失效預警等級與預警關系見表8。

當管道服役年限在11.1～17.2年，管壁會發生輕微腐蝕管壁開始減薄，但管道不會泄漏，及時發布紫色警告即可;當服役年限在17.2～250年，管道腐蝕速度增加，管道可能發生意外，在此時間階段屬于低預警級別，管道需要定期檢查，發布綠色警告;當服役年限在25～36.1年，管道腐蝕速度繼續增加，管壁進一步減薄，泄漏可能性較大，此時間階段為中度預警級別，需要發布黃色警告，需要該管線的管理和操作部門的關注;服役年限在36.1～54.8年時，管道可能存在泄漏點，管理和操作部門需要時刻關注管道，及時進行管道減壓，多頻定期復檢和維護保養，需發布紅色警告;服役年限在54.8年以上，管道腐蝕嚴重，發生泄漏失效，需及時更換管道，發布黑藍色警告。

5 結束語

管道服役期限越長，管道損傷問題越嚴重，影響著管道的生產安全。利用管道損傷的幾何輪廓是建立管道安全失效預警模型的核心。基于ASME B31G方法、DNV?RP?F101方法、PCORRC方法求解了某油田管道損傷的失效應力，發現采用ASME B31G方法對管道失效的預測與真實管道運行失效過程和時間接近，失效概率隨著時間推移逐年提升，柱狀圖趨勢平滑，可信度較大;采用DNV?RP?F101方法對管道失效的預測年限相較前兩者過大，柱狀圖顯示趨勢不穩定，可信度較低;采用PCORRC方法對管道失效的預測年限稍大于ASME方法，柱狀圖趨勢平滑，有一定可信度。因此，上述3種方法中，PCORRC方法對某油田管道損傷的失效壓力計算效果最佳。并基于蒙特卡洛求解了管道損傷處的失效概率和可靠度，預測了管道損傷處的失效年限，對維護管道正常運行，強化管道安全運營監管，夯實管道的安全運輸事業有著重要的意義。

參 考 文 獻

[1] 泰國治，丁良棉，田志明.管道防腐蝕技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2] 賀煥婷.埋地鋼質管道腐蝕防護系統模糊評價[J].油氣田地面工程，2017，36（3）：1-5.

[3] 李秋揚，趙明華，任學軍，等.中國油氣管道建設現狀及發展趨勢[J].油氣田地面工程，2019，38（S1）：14-17.

[4] 宋艾玲，梁光川，王文耀.世界油氣管道現狀與發展趨勢[J].油氣儲運，2006，25（10）：1-6.

[5] ASME. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines：ASME B31G—1991[S].New York：ASME，1991.

[6]?? DNV. Corroded pipelines：DNV?RP?F101[S]. Norway：DNV，2004.

[7] 張足斌，張淑麗，潘俐敏，等.腐蝕缺陷管道剩余強度評價方法選擇及應用[J].油氣儲運，2020，39（4）：400-406.

[8] 徐正國，周東華.基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅的實時可靠性預測方法研究[J].機械強度，2007，29（5）：765-768.

[9] 張仙風，呂志鵬.基于MATLAB的蒙特卡羅方法在可靠性設計中的應用[J].裝備制造技術，2006（4）：76-77.

[10] 楊璐，姚安林，張錦偉.油氣長輸管道設計方案綜合風險評價方法研究[J].中國安全科學學報，2013，23（8）：133-138.

（收稿日期：2023-06-26，修回日期：2024-05-13）