摘 要： 近年來(lái)國內發(fā)生了數起油氣管道在環(huán)焊縫附近破損的嚴重事故。從管道強度的視角討論事故原因，并引出管道“非設計載荷”的概念，提出識別管道載荷與識別管道缺陷在管道保護中是兩個(gè)同樣重要的方面。討論了基于各種檢測/監測手段，識別施加在管道上的“非設計載荷”，及評價(jià)這些載荷作用下管道安全性的方法，為最終采用數字孿生技術(shù)，建立基于“載荷―應力/應變”模型的管道安全運維技術(shù)，保障管道結構安全性提供基礎。

關(guān)鍵詞： 油氣管道；結構強度；缺陷；非設計載荷；識別

《 石 油 天 然 氣 管 道 保 護 法 》 的 實(shí) 施 和 青 島“11·22”管道事故后果的嚴重性，引起了各級政府、相關(guān)企業(yè)和社會(huì )各界對管道保護的重視。近年來(lái)國內發(fā)生了數起油氣管道在環(huán)焊縫附近破損的嚴重事故，引發(fā)了行業(yè)內外對大口徑、高壓力、高鋼級油氣管道安全性的擔憂(yōu)。根據我國《中長(cháng)期油氣管網(wǎng)規劃》，到2025年全國油氣管網(wǎng)規模將達到24萬(wàn)公里，因此必須認真思考和正確認識管道安全性，才能有效實(shí)施管道保護。本文就通過(guò)各種檢測/監測手段識別施加在管道上的載荷，評價(jià)管道在這些載荷作用下的安全性進(jìn)行討論。

1 管道結構強度與“非設計載荷”

管道安全性就是要保證管道的完整性。根據定義，管道完整性指管道在結構上和功能上應該是完整的，其中結構完整性指管道結構滿(mǎn)足強度要求。根據管道所受的載荷類(lèi)型不同，管道強度設計分為基于應力的設計和基于應變的設計。管道強度可能用應力表達，也可能用應變表達，見(jiàn)表達式（1）。

如強度條件滿(mǎn)足該表達式（1），則管道結構是安全的，否則就是不安全的。管道在設計時(shí)，強度條件一定是滿(mǎn)足式（1）的。但制管、焊接施工的瑕疵和運行過(guò)程中設計工況的改變，可能不再滿(mǎn)足式（1）。

一方面，如制管或焊接施工中存在焊接缺陷，或管道在運行過(guò)程中出現腐蝕缺陷，這些缺陷將會(huì )形成管道中的應力集中，相當于減小了管道截面幾何尺寸，增加了管道應力或應變，是管道結構發(fā)生破損的內因。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，在運行過(guò)程中保證腐蝕防護措施的有效性，不斷實(shí)施內外檢測和適用性評價(jià)技術(shù)，使得管 道自身始終符合設計要求和適用性評價(jià)要求，使其不產(chǎn)生缺陷，或及時(shí)發(fā)現缺陷并予以修復，消除本體不安全因素。

另一方面，在管道運行過(guò)程中由于地質(zhì)災害、非法占壓形成的管土相互作用，會(huì )在管道上產(chǎn)生新的載荷。這些新的載荷不是管道設計時(shí)考慮的載荷，可稱(chēng)之為“非設計載荷”。它的存在增大了管道內力，必然會(huì )增加管道應力或應變，這是管道結構發(fā)生破損的外因。對此，必須采用各種檢測/監測手段，及時(shí)發(fā)現地質(zhì)災害土壤位移、占壓等導致管道應力應變的異常變化，及時(shí)識別并消除管道“非設計載荷”，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)“非設計載荷”，在正常運行載荷作用下，管道因存在缺陷而破損；②管道無(wú)缺陷，管道在“非設計載荷”作用下破損；③管道破損時(shí)既存在缺陷又有“非設計載荷”。

2 識別管道“非設計載荷”的重要性

近年來(lái)國內油氣管道發(fā)生過(guò)數起在環(huán)焊縫附近斷裂的事故，從圖 1所示的管道發(fā)生破損現場(chǎng)看，管道斷口兩側常常有較大的相對位移，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。這是因為在管道建設中，盡管API 1104標準要求環(huán)焊縫的強度應高于鋼管管材的最小規定強度值。鋼管管材強度按API 5L 標準執行，該標準中管材屈服強度和抗拉強度允許范圍很寬，比要求的最小規定強度值高不少，如X80的屈服強度為555～705 MPa，抗拉強度為625～825 MPa。這就造成實(shí)際上焊縫是低強匹配，管道往往在焊接熱影響區破損。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)，我們并不能因為管道常斷裂在焊縫附近，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于焊接質(zhì)量，導致排查管道隱患時(shí)把重點(diǎn)放在排查管道缺陷，而忽視了作用在管道上的“非設計載荷”。因為即使管道沒(méi)有缺陷，在“非設計載荷”作用下也可能發(fā)生破損。所以發(fā)現和識別管道上存在的“非設計載荷”，評估在這些載荷作用下管道的強度和安全性，并及時(shí)采取措施消除有威脅的“非設計載荷”，是與識別管道缺陷同等重要的一項工作。

3 防止“非設計載荷”造成管道破損的措施

為防止“非設計載荷”造成管道破損，應建立針對管道“非設計載荷”的檢測/監測、評價(jià)、預報預警預防體系。

產(chǎn)生“非設計載荷”的原因主要包括：地質(zhì)災害、非法占壓、第三方施工、強行組對等。實(shí)際上，絕大部分“非設計載荷”的發(fā)生是有預兆并可監測的，作為智慧管道建設的重要組成部分，首先我們應建立管道載荷監測體系。

在管道上黏貼各種應變計可直接測量管道應力/應變，該方法優(yōu)點(diǎn)是可直觀(guān)準確反映管道應力/應變值及其變化，缺點(diǎn)是測量點(diǎn)數量有限，需結合管道結構分析計算找到管道最大應力點(diǎn)。間接測量法較多，可測量土壤的含水、地應力、坐標及位移等參數以監測滑坡，測量地層溫度以監測凍土的凍脹和融沉，光纖測量振動(dòng)以監測第三方施工， IMU檢測獲得管道變形和應變等。大部分間接測量方法可直接監控地質(zhì)災害的發(fā)生，也需要結合管道結構分析計算出作用在管道上的載荷和管道中的內力、應力或應變，這就是“非設計載荷”的識別過(guò)程。

根據管道缺陷的檢測結果和管道載荷的監測結果，需建立各種常見(jiàn)地質(zhì)災害和土壤位移作用下的管 道應力/應變分析模型，即管道應力/應變與土壤位移形式和位移、管道尺寸及管材參數、土壤特性參數等之間的對應關(guān)系，如式（2）所示。

同時(shí)需建立管道應力/應變相關(guān)強度的實(shí)時(shí)評價(jià)方法。從而可根據管道檢測/監測結果，實(shí)現管道載荷識別、應力/應變分析計算和結構安全性實(shí)時(shí)評價(jià)，實(shí)時(shí)判斷預警，乃至實(shí)時(shí)預防。作為智慧管道建設的重要內容，應致力于使上述檢測/監測、評價(jià)、預警技術(shù)成為管道數字孿生技術(shù)中基于模型的管道安全運維技術(shù)的一部分，實(shí)現管道的數字運行。

4 結論

從管道結構強度角度，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“非設計載荷”的概念。根據國內近年管道破損事故的形貌，簡(jiǎn)要敘述了識別“非設計載荷”的方法。指出有效識別載荷與識別缺陷對管道安全同等重要。

作者：張宏，男，中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院教授，主要從事油氣儲運設施結構強度研究。