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物流供应链管理论文:盐穴型地下储气库注采物流系统完整性评价研究

添加时间:2017-12-24 20:37:08   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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1 绪论

 
1.1 研究背景
天然气地下储气设备可有效解决应急供气问题和处理季节用气量波动调峰,是均衡燃气管线和调节区域供气平衡的重要方式[1]。盐穴型地下储气库的突出优点有储气量大、运行过程中吞吐量大、快、转换灵活、调峰范围广、运行成本低、安全可靠、经久耐用,存储的天然气有效工作气量比例较高,并且可以完全回收垫气,不仅能够较好地解决城市用气季节性不均匀的问题,而且具有重要的的战略意义[3]:(1)保障能源安全。油气储备设施是现代战争中重要的经济目标,其在国民经济和战争上的重要性,使其成为重点打击对象。建设盐穴型地下储气库可有效保护油气资源的战略贮备。(2)防止恐怖袭击。盐穴型地下储气库处于地质岩层深处,不易探查,不易接触,不易引爆,隐蔽性级别高,可有效预防大规模武器。欧美地区的战略燃料储备于地下 600 米-1200 米深的巨型盐穴中,这样的地理环境可有效防御人为和战争的破坏。(3)节省社会资源。盐穴型地下储气库利用天然地下盐穴,较少占用土地资源,达到节约减排,实现可持续发展的战略目标。盐穴型地下储气库与传统地面天然气储备设施相比,可大量节约土地利用。(4)节省建设成本低。我国地理构造丰富,拥有多种可存储天然气的天然地质构造,其中岩盐容腔物理结构稳定,开发成本主要集中为地面设施建设成本,据计算该项成本是开凿其余类型地下储库建设成本的 5%。为保证能源的战备需求,天然气消费大国天然气战略储备 3-6 个月国内天然气消费量。据不完全统计,目前全球有 36 个国家和地区建设超过 700 座地下天然气储备库,地下储气库总的存储气量为 3530×l08m3[5],约占全球天然气消费量3×1012m3的 11.7%。截止至 2015 年,10 年间全球地下储气库工作气量同比增长了15%。统计全球地下储气库天然气总储气量,欧美地区占 60%以上。目前,全世界计划建设地下储气库超过 90 座,并有 45 座将进一步扩大存储气量。届时总地下储气库工作气量将超过 4460×l08m3[7-8]。
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1.2 研究目的及意义
截止 2017 年,国内对于外天然气地下储气库的建设施工及运行的实践与研究已有百年之久。期间,地下储气库的运行安全已上升到国家能源安全重点关注问题。储气库因泄漏失效导致的事故与灾害给全世界各国造成了巨大的经济损失,或直接危害生命与财产安全。据不完全统计,国外在 20 世纪 90 年代处于储气库灾害性事故多发期,仅俄罗斯地区发生储气设备断裂和爆炸事故达五万余次。近日来,伴随我国地下储气库建设的发展,储气库失效事故也日渐频发,因此,地下天然气储备系统作为可靠性工程中的一个典型系统而备受关注,研究地下储气库设施的完整性问题具有重大的学术及经济意义与价值。我国地质盐岩层结构较国外盐穴地质相比,盐层薄、夹层多,地质结构特点对完井溶腔工程条件要求较高,盐穴型地下储气库受盐岩特性、储库深度、腔体体量和储库运行过程中注气采气作业产生周期性压力变化而产生蠕变收敛变形,当溶腔形状量变达到一定程度,盐穴体积减小,影响溶腔稳定性;形变严重时还会引起储库围岩垮塌,特别是顶板的破坏、储库上覆地层非均匀变形引起的套管靴破损等后果都可能导致储库密闭性失效,使得压力存储介质沿着盐层裂隙通道或直接通过套管发生渗漏。上述两种情况均可导致储气库发生泄漏危害,一旦发生泄漏,可能将存储物质释放到周围环境[3],并可能引发火灾或爆炸事故,带来人员安全灾害、经济损失及环境破坏。在注气排卤阶段由于卤水对套管柱的腐蚀、氧化作用,引起套管穿孔致使卤水进入浅层地下水;或卤水中难溶物结晶或盐饱和析出附着于管壁,致使管径减小或堵塞,引发卤水外泄等事故,以上事故使各种污染物进入地下环境造成水体污染。注采能力下降将导致储气库注采气运行效率降低,可能造成额外的维修费用,引起经济损失。因此,为全面认知、预测和调控我国盐穴型地下储气库失效可能引起的灾害事故,并重视注采气过程对储气库稳定性的重要影响,有必要总结国外盐穴型地下储气库建设经验教训,并结合国内盐穴型地下储气库风险管理相关研究成果,开展盐穴型地下储气库完整性分析与评价研究,建立适合我国盐岩地下储气库注采系统完整性评价、失效分析、风险评价与预警体系,既能确保我国的战略能源储备及安全平稳运营的需求,也为我国开展地下能源储库选址、设计、建造和运营等工作提供理论指导。
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2 理论综述
 
2.1 完整性评价概述
完整性评价是对所有影响系统完整性的因素进行综合的、系统化的评价与管理,从项目立项初期到生产运行的各个阶段进行实时监控和检测,在失效事故未发生前识别和评估系统面临的各项风险因素,采取相应的维稳措施,将失效风险概率控制在不影响系统可靠性的范围之内[55]。2015 年 10 月 13 日,新版本 GB32167《油气输送管道完整性管理规范》发布,代表着国内管道完整性管理进行一个新时期[56]。此标准于 2016 年 3 月 1 日正式实施,管道企业实施管道完整性管理将成为强制要求。管道的完整性管理 PIM (Pipeline Integrity Management)定义为:管道运营管理部门通过采用监控、检测等方式获得评价管道完整性相关信息,不断识别和评价影响管道完整性的失效风险因素,并制定相应的控制对策,将运行失效风险概率控制在合理的区间,最终达到持续改善、预防和规避管道失效事故的发生。管道完整性评价包括数据收集与整合、内外检测、适用性评价、基于失效的风险评价以及剩余寿命预测等相关评价内容。
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2.2 盐穴型地下储气库注采概述
盐穴型地下储气库建腔是采用水溶等方式在地下天然盐层中制造空腔,形成存储天然气的地质空间[57]。建腔工作结束后,建造一个竖直的井筒与地面井口连接,连接地面注采气设施。盐穴型地下储气库溶腔完成到运行开始前准备工作为两阶段:(1) 完井阶段:注气排卤。注气排卤工作是盐穴型地下储气库完井的重要阶段,因为在造井初期,注水溶盐形成储气容腔同时,积余大量盐质卤水,要顺利形成负压空腔,则要将卤水排除,注入天然气。(2) 排卤结束后,有两种方式处理排卤管柱:通过工程作业将排卤管柱起出,但施工作业要求较高;另外,也可采取保存排卤管的方式,当注气排卤作业结束后,向排卤管底端置入封隔器,堵塞管柱通道,该方式允许排卤管重复使用,有利于储气库后期作业积存液体的排出。
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3 管柱载荷及强度评价模型构建.........23
3.1 生产套管载荷分析.........23
3.2 注采套管载荷分析.........25
3.2.1 有效内外压..........25
3.2.2 轴向载荷.....26
3.3 注采管柱剩余强度评价..........29
3.4 本章小结.......35
4 基于概率神经网络失效概率评价模型构建.......36
4.1 失效概率分析.........36
4.2 神经网络预测原理.........40
4.3 改进概率神经网络.........42
4.4 概率预测及风险等级划分.......43
4.5 本章小结.......44
5 管柱剩余寿命评价模型构建....45
5.1 剩余寿命参数分析.........45
5.2 管柱腐蚀剩余寿命预测..........48
5.3 注采管柱冲蚀寿命预测..........49
5.4 注采管柱疲劳剩余寿命预测...........50
5.5 本章小结.......54
 
5 管柱剩余寿命评价模型构建
 
在分析影响管柱剩余寿命参数的基础上,针对盐穴型储气库注采井工作环境,评价生产套管腐蚀剩余寿命,注采管柱冲蚀剩余寿命以及注采管疲劳寿命。从三个评价角度对注采系统管柱剩余寿命进行了综合性评价。
 
5.1 剩余寿命参数分析
管道腐蚀速率的确定是预测管道剩余寿命的必要环节,建立合理的腐蚀速率数学模型,才能建立正确的腐蚀管道剩余寿命预测方法,获得精确的预测结果。利用 SVM 解决回归问题的关键是选取合适的核函数,核函数的计算能力直接影响了回归模型的泛化能力,通常选择为多项式核函数、高斯径向基核函数(RBF,Gaussian Radial Basis Function)、Sigmoid 核函数等。管道在实际运行过程中,由于受到腐蚀作用,管道表面金属缺失,导致管体强度改变,当管道实际壁厚无法承受储气库的实际运行压力时,管柱将破裂导致管道失效,此时该腐蚀缺陷尺寸为管道允许的极限缺陷尺寸,当前腐蚀条件下,储气库实际运行压力为管道的最大允许压力[79]。
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结论
 
在通过对国内外研究文献的整理与分析的基础上,本文采用理论分析、数值模拟、实证评估与现行规范结合的研究方式对盐穴型地下储气库注采系统载荷分析、剩余强度评价、失效分析及剩余寿命预测等完整性评价方面进行了全面的研究,最后通过实际工程算例验证文中提出的完整性评价模型,具体研究工作成果如下:
(1) 针对盐穴型地下储气库注采系统管柱提出了有效内外载荷及多条件复杂工作环境下的轴向载荷分解与计算,其中轴向摩阻效应则计算雷诺数确定传输过程中气体的流态,区分不同流体对管道的摩擦强度,改进轴向载荷精度;为考虑缺陷腐蚀对管柱剩余强度的影响,在基于安全系数的剩余强度评价模型的基础上加入了剩余强度应力集中系数,并通过单轴应力计算三轴等效应力,增强管柱剩余强度评价模型的可靠性。
(2) 使用概率神经网络预测盐穴型地下储气库注采系统失效概率。分析影响注采系统失效概率的参数,根据历史数据及管道设计规范,得到相关参数的概率密度分布函数,利用计算机辅助为计算失效概率提供数据基础;对比蒙特卡洛模拟与灰色理论 GM(1,1),计算失效概率,为预测模型提供训练数据。为明确预测概率失效等级,使用一种基于贝叶斯最小风险准则引申的并行算法代替 BP 网络使用的Sigmoid 函数,采用学习矢量量化方法聚类训练样本,有限高斯混合模型改进 PNN网络提高预测速率,预测模型最后得到失效等级,有效直观检测失效风险。
(3) 从腐蚀、冲蚀、以及疲劳三个角度预测注采系统管道剩余寿命。分析预测剩余寿命相关参数,API 570 标准及 PCA-SVN 预测模型给出两种腐蚀速率计算方法;计算腐蚀坑最大深度的两种方法,包括断裂力学计算模型及 Gumbel 分布 型极值分布统计模型。生产套管与注采管柱考虑计算腐蚀剩余寿命,注采管柱考虑夹盐粒气体对注采管的腐蚀,使用冲蚀速率计算剩余寿命。对于注采管疲劳寿命,设计基于断裂力学的 FAD 失效评估模型,设计腐蚀缺陷增量,迭代计算疲劳腐蚀的载荷比与韧性比,得到疲劳腐蚀极限裂纹尺寸,结合腐蚀裂纹扩展速率方程,最终得到疲劳腐蚀剩余寿命。
(4) 利用文中提出的完整性评价模型,设计并开发了盐穴型地下储气库完整性评价软件,涵盖了文中 3-5 章中研究的计算模块。以金坛储气库西一井为算例,结合建立的储气库注采系统完整性评价模型,分析了注采系统管柱在实际工程环境中的载荷及强度性状。使用MATLAB仿真对在役注采系统管柱进行失效概率预测。使用剩余寿命预测模块预测了三项剩余寿命。根据评价结果,验证了评价模型及开发软件的正确性与实用性,表明研究成果可以为盐穴型地下储气库注采系统工程完整性评价提供可靠参考。
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参考文献(略)

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