摘 要： 近年來國內(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。從管道強度的視角討論事故原因，并引出管道“非設(shè)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同樣重要的方面。討論了基于各種檢測/監(jiān)測手段，識別施加在管道上的“非設(shè)計載荷”，及評價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)強度；缺陷；非設(shè)計載荷；識別

《 石 油 天 然 氣 管 道 保 護 法 》 的 實 施 和 青 島“11·22”管道事故后果的嚴(yán)重性，引起了各級政府、相關(guān)企業(yè)和社會各界對管道保護的重視。近年來國內(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)外對大口徑、高壓力、高鋼級油氣管道安全性的擔(dān)憂。根據(jù)我國《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到24萬公里，因此必須認(rèn)真思考和正確認(rèn)識管道安全性，才能有效實施管道保護。本文就通過各種檢測/監(jiān)測手段識別施加在管道上的載荷，評價管道在這些載荷作用下的安全性進行討論。

1 管道結(jié)構(gòu)強度與“非設(shè)計載荷”

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)滿足強度要求。根據(jù)管道所受的載荷類型不同，管道強度設(shè)計分為基于應(yīng)力的設(shè)計和基于應(yīng)變的設(shè)計。管道強度可能用應(yīng)力表達，也可能用應(yīng)變表達，見表達式（1）。

如強度條件滿足該表達式（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)計時，強度條件一定是滿足式（1）的。但制管、焊接施工的瑕疵和運行過程中設(shè)計工況的改變，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，或管道在運行過程中出現(xiàn)腐蝕缺陷，這些缺陷將會形成管道中的應(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，在運行過程中保證腐蝕防護措施的有效性，不斷實施內(nèi)外檢測和適用性評價技術(shù)，使得管 道自身始終符合設(shè)計要求和適用性評價要求，使其不產(chǎn)生缺陷，或及時發(fā)現(xiàn)缺陷并予以修復(fù)，消除本體不安全因素。

另一方面，在管道運行過程中由于地質(zhì)災(zāi)害、非法占壓形成的管土相互作用，會在管道上產(chǎn)生新的載荷。這些新的載荷不是管道設(shè)計時考慮的載荷，可稱之為“非設(shè)計載荷”。它的存在增大了管道內(nèi)力，必然會增加管道應(yīng)力或應(yīng)變，這是管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的外因。對此，必須采用各種檢測/監(jiān)測手段，及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害土壤位移、占壓等導(dǎo)致管道應(yīng)力應(yīng)變的異常變化，及時識別并消除管道“非設(shè)計載荷”，消除外部不安全因素。

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

2 識別管道“非設(shè)計載荷”的重要性

近年來國內(nèi)油氣管道發(fā)生過數(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)場看，管道斷口兩側(cè)常常有較大的相對位移，說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(shè)中，盡管API 1104標(biāo)準(zhǔn)要求環(huán)焊縫的強度應(yīng)高于鋼管管材的最小規(guī)定強度值。鋼管管材強度按API 5L 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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。這就造成實際上焊縫是低強匹配，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，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)致排查管道隱患時把重點放在排查管道缺陷，而忽視了作用在管道上的“非設(shè)計載荷”。因為即使管道沒有缺陷，在“非設(shè)計載荷”作用下也可能發(fā)生破損。所以發(fā)現(xiàn)和識別管道上存在的“非設(shè)計載荷”，評估在這些載荷作用下管道的強度和安全性，并及時采取措施消除有威脅的“非設(shè)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(shè)計載荷”造成管道破損的措施

為防止“非設(shè)計載荷”造成管道破損，應(yīng)建立針對管道“非設(shè)計載荷”的檢測/監(jiān)測、評價、預(yù)報預(yù)警預(yù)防體系。

產(chǎn)生“非設(shè)計載荷”的原因主要包括：地質(zhì)災(zāi)害、非法占壓、第三方施工、強行組對等。實際上，絕大部分“非設(shè)計載荷”的發(fā)生是有預(yù)兆并可監(jiān)測的，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)測體系。

在管道上黏貼各種應(yīng)變計可直接測量管道應(yīng)力/應(yīng)變，該方法優(yōu)點是可直觀準(zhǔn)確反映管道應(yīng)力/應(yīng)變值及其變化，缺點是測量點數(shù)量有限，需結(jié)合管道結(jié)構(gòu)分析計算找到管道最大應(yīng)力點。間接測量法較多，可測量土壤的含水、地應(yīng)力、坐標(biāo)及位移等參數(shù)以監(jiān)測滑坡，測量地層溫度以監(jiān)測凍土的凍脹和融沉，光纖測量振動以監(jiān)測第三方施工， IMU檢測獲得管道變形和應(yīng)變等。大部分間接測量方法可直接監(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)計載荷”的識別過程。

根據(jù)管道缺陷的檢測結(jié)果和管道載荷的監(jiān)測結(jié)果，需建立各種常見地質(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)等之間的對應(yīng)關(guān)系，如式（2）所示。

同時需建立管道應(yīng)力/應(yīng)變相關(guān)強度的實時評價方法。從而可根據(jù)管道檢測/監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)管道載荷識別、應(yīng)力/應(yīng)變分析計算和結(jié)構(gòu)安全性實時評價，實時判斷預(yù)警，乃至實時預(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/監(jiān)測、評價、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維技術(shù)的一部分，實現(xiàn)管道的數(shù)字運行。

4 結(jié)論

從管道結(jié)構(gòu)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(shè)計載荷”的概念。根據(jù)國內(nèi)近年管道破損事故的形貌，簡要敘述了識別“非設(shè)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(shè)施結(jié)構(gòu)強度研究。