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管道硬质聚氨酯泡沫 防腐保温层 分析

在原油和重质油输送过程中, 当温降较大时 ,管内输送油品易凝结,造成巨大的损失。 因此,输送特殊流体的埋地钢质管道不但要进行外层腐蚀防护 ,而且必须保温, 以减少大气和土壤环境的影响。 为此,具有防腐保温功能的管道外覆盖层在长输油管中被广泛使用。 自上世纪 80 年代中期以来,硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温结构开始引入我国的管道工程建设中[1] ,现已在很多长输管线中获得推广应用。目前国内外对硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层的研究 , 主要集中在加工工艺、 施工管理、 组成成分、 施工技术、 工艺设计优化等方面 ,对它在使用过程中的失效机理、 失效模式及检测评价技术尚未开展系统全面的研究工作 ,也没有一个明确的保护失效准则和统一的国家标准, 由此给施工和管理带来极大的不便,也不利于管道的安全运行和科学管理。埋地管道硬质聚氨酯泡沫防腐保温层失效模式及其故障树分析运输、 补口 、 补伤以及施工环境、 土壤环境、 质量控制、 人为干扰等诸多因素,必须通过大量的实验分析与现场调研,才能准确确定硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层的失效机理及失效模式, 进而提出相应的对策,下面就导致硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层失效的一些具体原因进行分析。 1.1 第三方破坏第三方破坏是由于各种外力作用而使保温层受损的破坏,包括机械损坏和人为破坏两种情况。 如在管线下沟时产生弯曲变形而引起的保温层开裂、剥离等损伤;在建筑、 修路等施工现场,大型机械,如挖掘机、 装载机等, 由于作业时的力量过大造成保温层破损。 当埋地管道穿越耕地、 村庄时, 在埋深较浅、 土质疏松的情况下常会使管道露出, 以及打孔盗油等,都会引起保温层的人为破坏。 1.2 施工质量差施工质量差造成的防腐保温层失效主要包括保温层补伤补口失效以及涂敷泡沫塑料时管体与防腐层结合差造成的失效。 如果在现场作业中对补 口部位处理不到位,会使得补 口处粘接力达不到要求,而引起保温层剥离失效。 此外, 管道金属基体与外覆盖层之间的粘接状态是保证外防护层长周期安全运行的重要因素[2] ,与施工质量有着直接的关系,也是引发防腐保温层失效的一个重要因素。 1.3 自然环境原因自然环境造成的防腐保温层失效通常是指保温层材料因水解、 日光照射、 土壤侵蚀等自然老化以及因 自然应力造成的保温层破坏。 此外 , 管线跨越处由于入土处土壤与空气在交界面处会产生微电池腐蚀 ,造成保温层剥离失效 ;由于硬质聚氨酯泡沫塑料填充不饱满, 出现空洞 , 引起夹克层厚薄不均,导致内应力集中,且在土壤压力长期作用下造成夹克层塌瘪开裂。 1.4 材料的性能缺陷防腐保温层材料性能的缺陷会直接导致保温层的失效,其中包括材料预制形成时的缺陷和埋地后由微孑L渗透造成的材料失效。 硬质聚氨酯泡沫塑料的拉伸失效[31主要由于聚氨酯泡沫塑料预制过程中形成的穿孔以及材料表面加工过程中形成的缺陷处存在应力集中,从而降低 了保温层泡沫塑料的抗拉性能 ,若现场操作不当极易引起保温层的损坏,而且是保温层的内伤,会给管道的安全运行造成极大隐患 。 此外,在硬质聚氨酯泡沫塑料预制过程中, 自身会形成诸多固有缺陷,使得腐蚀介质渗透成为可能;腐蚀介质的微孔渗透过程在覆盖层表面上看不出明显变化,但渗透介质积累到一定程度, 同时有热胀冷缩、 压力变化、 扩散性底蚀、 腐蚀产物等作用影响,会导致保温层破坏,造成失效[2]。 2 防腐保温层失效的故障树分析法硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层的失效受多种因素的影响,不同的失效形式都有特定的失效原因和条件,不同的施工过程、 运行环境、 质量控制、 维护管理等导致管道防腐保温层失效的模式各不相同。故障树分析法 (failure tree analysis, FTA 法)是分析复杂、 大型结构件安全可靠性的有效工具‘4] ,通过对导致管道外防腐保温层失效的各因素重要度的分析, 可以用故障树分析法‘53对管道外防腐保温层失效模式作出定量研究。 2.1 故障树模型的建立根据故障树顶事件确定原则,选择 “硬质聚氨酯泡沫塑料保温层失效 ” 为顶事件。 引起保温层失效的直接原因分别为 “ 第三方破坏 ” 、 “ 施工质量差 ” 、 “ 自然原因 ” 、 “材料本身性能差 ”等四种,其中的任一原因均会导致保温层失效, 以上述这四种原因作为次顶事件,采用类似方法继续向下分析,直到分解到各种故障形式的基本事件为止。 根据前述的各失效模式及其产生的原因分析,得到硬质聚氨酯泡沫塑料保温层失效的故障树模型 ,如图 1 所示,故障树中各符号所代表的具体事件如表 l 所示。由建立的故障树 (图 1)模型 , 可得防腐保温层失效事件 T 与最小底层基本事件的关系为: T=Xl.X2+X3 - X4+X5.X6+X5.X7+X8 +X9+X10+X11+X12+X13+X14. X15+X16 +X17+X18. X19+X18. X20+X21 (1) 2.2 防腐保温层失效的定量分析通过故障树模型, 可 以对导致防腐保温层失效的概率及主要 因素进行定量分析, 包括 以下两个方面 : (1)故障树顶 事件发生的概率计算设故障树的全部最小割集为 Ki , K2 , …K 。 , 则故障树顶事件发生的概率为: P(K1+K2+---+K 。 )一 r∑一一 ∑ P(K ,K , )+ ∑ P(KiK ,Kt)+ …十 1l 逻辑 口 中间事件图 1 硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层失效的故障树模型表 1 故障树中各符号所代表的基本事件 要度,则临界重要度为: ┏━┳┓┃ 代号 基本事件 ┃ 代号 基本事件 ┃ 代号 基本事件 ┃┣━╋┫ T 保温层失效 ┃ 1341 预制缺陷 ┃ Xl0 粘结力差 ┃ Bl 第三方破坏 ┃ 斟..预制嚣霎嘉形成 ┃ Xll 管沟回填质量差 ┃ B2 施工质量差 ┃ B412 表要翟舌蓑磊中 ┃ Ⅺz 管裂理 ┃ B3 自然失效 ┃ Xl 外鬻度 ┃ X13 土壤侵蚀 ┃ B4 材料本身原因 ┃ X2 操作违规 ┃ X14 管道裸露 ┃ Bll 机械损坏 ┃ X3 管道埋深浅 ┃ X15 外防护层破损 ┃ B12 人为破坏 ┃ X4 违章施工 ┃ X16 髓渊觥 ┃ Blll 输嚣蓑淼中 ┃ x5 管道监察不力 ┃ X17 应力破坏 ┃ 蛐 兹嚣 ┃ X6 冲沟处 ┃ X18 施工经验欠缺 ┃ B121 漏管处破坏 ┃ X7 跨越处 ┃ X19 原料配比不合格 ┃ B21 补伤补口失效 ┃ X8 打孔盗油破坏 ┃ X20 材料强度不够 ┃ B31 自然老化 ┃ X9 补昱釜票暮嘉面 ┃ 凇,材糕鬻成 ┃┗━┻┛ (2)故障树基本事件的重要度分析故障树中各个底事件对保温层失效的影响是不同的,其影响的大小可用底事件重要度描述。 如果已知顶事件的发生概率, 则基本事件的概率重要度 J。 (Xi) 为: Ip(Xi) 一 aP(X1,X2, … ,K) /aXi (3) 临界结构事件重要度是以各基本事件概率的变化与顶事件发生概率变化之比来确定基本事件的重 · 662 . I(R一 Ip(Xi) P(q1 ,q2 , … ,吼 ) (4) 式中:CR 为临界度;qi 为第 i 个基本事件发生 的概率。为了计算防腐保温层顶事件发生的概率和进行基本事件重要度分析,必须事先知道基本事件发生的概率。 事故概率可通过对现有事故原因统计以及事件发生的频率代替其概率, 也可采用统计法或调查法来估计。 2.3 应用分析依据建立 的防腐保温层失效的故障树分析模型 ,选取某油 田埋地长输管道硬质聚氨酯泡沫塑料保温层进行失效概率计算,该埋地长输管道长 464 km ,管道敷设地段人 口 密度低, 大部分为山区。 通过采用调查法对底事件发生概率进行计算。 考虑到精确估算事件的概率,所以采用模糊集理论处理这些不确定信息。 当事件的描述不明确时,倾向于采用 自然语言,如 “小、 中等、 较大、大 ”等来描述事件的概率。 

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