基于事故樹分析法的長輸管道泄漏因素分析

顧文婷李 超畢中毅

1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院 （陜西 西安 710054）

基于事故樹分析法的長輸管道泄漏因素分析

顧文婷1李 超1畢中毅2

1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院 （陜西 西安 710054）

泄漏是長輸管道的典型事故，也是引起其他一些事故的重要原因。通過運用事故樹分析法對長輸管道泄漏問題進行定性和定量分析，可以識別引起長輸管道泄漏的主要因素。通過構(gòu)建管道泄漏事故樹，求解重要度、事故發(fā)生概率和臨界重要度，形成基于事故樹分析的長輸管道泄漏因素分析方法，能為更好地實施長輸管道安全管理提供重要依據(jù)。

事故樹分析法 長輸管道 管道泄漏因素

長輸管道是指產(chǎn)地、儲存庫、使用單位之間的用于運輸商品介質(zhì)的管道[1]，其中應(yīng)用最為廣泛的是輸油及輸氣管道。在現(xiàn)代油氣集輸生產(chǎn)過程中，長輸管道的作用越來越重要，而因管道泄漏所造成的安全事故和環(huán)境污染也讓企業(yè)蒙受了巨大的損失，因此防范管道泄漏，提高油氣管道運輸技術(shù)的安全性、可靠性成為了企業(yè)急需解決的問題。

我國長輸管道技術(shù)起步較晚，發(fā)展亦相對滯后，其安全事故曾多次發(fā)生，尤以管道泄漏問題最為嚴重。例如，四川石油管理局南干線在1971～1990年共發(fā)生108起失效事故，每次事故停輸時間超過24h，經(jīng)濟損失約達1億元人民幣，塔里木輪南-庫爾勒輸油管線在建成后的試壓過程中還發(fā)生了爆炸和泄漏事故。因此，開展長輸管道安全評價工作對避免事故發(fā)生，消滅事故隱患，實現(xiàn)長輸管道安全生產(chǎn)有著重要的意義，同時也為制定防范措施和安全管理提供重要的科學(xué)依據(jù)。目前實際工作中應(yīng)用最為廣泛的評價方法有安全檢查表法、專家評議法、預(yù)先危險分析法、故障假設(shè)分析法、事故樹分析法等，其中事故樹分析法是從一個可能的事故開始逐層的分析引起事故的觸發(fā)事件、直接原因和間接原因，并分析這些事故之間的相互邏輯關(guān)系，最后通過樹狀圖和特定的符號將邏輯關(guān)系表示出來[2]，這不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在因素，并對各種系統(tǒng)的危險性進行辨識和評價。事故樹分析法具有簡便實用、表述清晰、靈活性強、分析全面等特點，被經(jīng)常用于航空航天技術(shù)、石油化工企業(yè)等的安全評價方面。

事故樹分析法

事故樹分析法（Accident Tree Analysis，ATA）起源于故障樹分析法（FTA），是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。

事故樹分析由美國貝爾電話研究所于1961年為研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)而首先提出來，1974年美國原子能委員會運用FTA對核電站事故進行了風(fēng)險評價，發(fā)表了著名的《拉姆遜報告》。該報告有效利用了事故樹分析法，在社會各界引起了極大的反響，受到了廣泛的重視，從而迅速在許多國家和許多企業(yè)應(yīng)用和推廣。我國開展事故樹分析法的研究是從1978年開始的。目前已有很多部門和企業(yè)正在進行普及和推廣工作，并取得了一大批成果，有效地促進了企業(yè)的安全生產(chǎn)。

事故樹分析法首先要確定頂上事件，即所要研究的對象，其次要調(diào)查導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的所有原因，而后用邏輯門符號將各個基本事件逐層聯(lián)系起來形成樹狀圖，最后根據(jù)樹狀圖進行相關(guān)計算和分析從而得出結(jié)論[3]。

用事故樹描述事故的因果關(guān)系直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，既可定性分析，又可定量分析。通過計算最小割集、最小徑集的定性分析確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序可求出危險因素對事故影響的程度；通過定量分析，根據(jù)各危險因素的概率計算出事故發(fā)生的概率，從數(shù)量上說明是否能滿足預(yù)定目標值的要求，從而確定采取措施的重點和輕重緩急順序。

管道泄漏的事故樹分析

1 導(dǎo)致管道泄漏的原因主要有以下幾個方面

（1）自然災(zāi)害的破壞。主要包括管道上方路面的塌方、洪水和地震等非人力所能制約的災(zāi)害因素。

（2）第三方的破壞。主要包括管道上方的違章施工作業(yè)以及打破管道偷竊油氣資源。

（3）安裝問題。即指在管道安裝施工過程中的工程質(zhì)量、管道埋深、焊接等問題。

（4）設(shè)備故障。主要指管道選材質(zhì)量不過關(guān)、管道附件質(zhì)量及其由于疲勞工作所造成的設(shè)備損耗等問題。

（5）腐蝕及土壤等自然因素問題。主要包括陰極保護和防腐層自身失效、土壤成分等問題。

其具體情況見圖1管道泄漏事故樹和圖中字母T為管道泄漏（頂上事件），和表1[4]。

圖1 管道泄漏事故樹[6]

表1 長輸管道泄漏基本事件表

2 定性分析

定性分析[5]，即根據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)圖（圖1）進行布爾代數(shù)化簡，求出最小徑集，確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，基本事件的結(jié)構(gòu)重要度越大，它對頂上事件的影響程度就越大。

最小徑集的求法是將事故樹轉(zhuǎn)化為對偶的成功樹,根據(jù)事故樹機構(gòu)圖可得出事故樹的成功樹機構(gòu)函數(shù)為：

經(jīng)計算得出27個最小徑集如下：

式中Ii為基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的近似判斷；N為Xi所在最小徑集Pj中基本事件的個數(shù)。

根據(jù)事故樹的最小徑集，可以判斷出各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：X1、X2、X3存在于27個徑集中；X4存在于15個徑集中；X5存在于9個徑集中；X6存在于15個徑集中；X7存在于9個徑集中；X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16存在于27個徑集中；X17、X18、X19、X20及X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27、X28及X29、X30、X31、X32、X33、X34都分別存在于9個徑集中，因此需要計算的結(jié)構(gòu)重要度為：I1、I4、I5、I6、I7、I8、I17、I21、I29。

經(jīng)計算得出重要度排序：

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)重要度排序得出，引起管道泄漏的因素主要為：自然災(zāi)害（主要為地殼運動）、腐蝕、管道材質(zhì)、施工原因和第三方破壞。

3 定量分析

定量分析，即依據(jù)各基本事件的發(fā)生概率，求解頂上事件的發(fā)生概率，在求解頂上事件發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，求解各基本事件的概率重要度及臨界重要度，而基本事件的發(fā)生概率采用統(tǒng)計法或?qū)＜抑饔^判斷法估算。

如果已知基本事件Xi的發(fā)生概率Qi,i=1，2，3，…，34，

頂上事件的發(fā)生概率公式為：

結(jié)構(gòu)重要度分析即在不考慮基本事件的發(fā)生概率或者假定基本事件的發(fā)生概率都相等的情況下，僅從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對頂上事件發(fā)生的影響程度。

結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的判別式為：

P(T)為頂上事件概率，k為最小徑集個數(shù)

求出頂上事件概率即可求出概率重要度，概率重要度是頂事件發(fā)生概率對某個基本事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)。即若已知：P(T)=g(Q)=g(Q1，Q2，…Qn)，則基本事件的概率重要度則為：

由上可知，計算概率重要度必須先知道基本事件的發(fā)生概率，而概率重要度卻不能從本質(zhì)上反映各個基本事件在事故樹中的重要程度，而臨界重要度則是從敏感度和概率雙重角度衡量各基本事件的重要度標準。

管道泄漏數(shù)據(jù)驗證分析及對策

1 數(shù)據(jù)驗證

經(jīng)過了大量文獻資料的查證，選取如下幾個數(shù)據(jù)圖表：

CONCAWE（歐洲石油化工協(xié)會）保留的資料精確記錄了石油輸送管線的泄漏（如圖2）。由此可以看出，每年的單位管道長度總體泄漏量在80年代呈逐年下降趨勢，但是90年代有一個突然的增長，石油泄漏量的增加是由腐蝕和管道部件引起的[7]。

歐洲九家輸氣公司于1982年進行了緊密的合作，建立了歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)庫 （European Gas Pipeline Incident Data Group簡稱EGIG），大量詳實的數(shù)據(jù)，給管道的設(shè)計、運營和維修提供了幫助[8]，見表2。

1970～2000年，美國天然氣長輸及集輸管道共發(fā)生事故8 814次，年平均發(fā)生事故294次。統(tǒng)計結(jié)果表明：外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設(shè)備和操作是引發(fā)管道事故的主要原因[8]，見表3。

表2 1970-2001年天然氣管道泄露事故統(tǒng)計

表3 1985-2000年美國天然氣管道事故統(tǒng)計

表4 1969-2003年四川地區(qū)輸氣管道事故統(tǒng)計

我國天然氣管道事故以四川地區(qū)最為典型，由于四川地區(qū)大部分輸氣管道已接近或超出服役期，加之早年施工技術(shù)水平及材料問題，使得管道的腐蝕問題日益凸現(xiàn)。其次為施工缺陷和外部干擾，管道的第三方破壞事件也較為嚴重[8]，見表4。

從上述圖表數(shù)據(jù)得出，引起管道泄漏事故的主要原因集中在腐蝕、材料缺陷、施工缺陷及外部干擾（第三方破壞）。統(tǒng)計的數(shù)據(jù)與前文定性分析的結(jié)果一致，說明事故樹分析法在對長輸管道的事故分析中，能夠科學(xué)的反映事故原因，為事故調(diào)查和事故預(yù)防提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 分析及對策

（1）建立應(yīng)急預(yù)案體系，加強安全質(zhì)量管理

長輸管道從設(shè)計之初就應(yīng)該避開地殼活動較為劇烈的地區(qū)，從而避免在日后的運營過程中可能遭受地震等自然災(zāi)害的破壞，這就要求企業(yè)相關(guān)部門要預(yù)先制定科學(xué)完備的應(yīng)急預(yù)案體系。建立應(yīng)急預(yù)案體系要遵循科學(xué)實用、快速高效、操作性強的原則，在自然災(zāi)害發(fā)生的第一時間上報情況并迅速啟動應(yīng)急預(yù)案。

施工現(xiàn)場的安裝和設(shè)備操作不當最容易導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏。目前，個別企業(yè)就存在購置管道質(zhì)量不過關(guān)、違章施工、違章指揮等安全隱患問題。相關(guān)部門應(yīng)按照管道施工作業(yè)技術(shù)規(guī)程和標準，嚴把施工作業(yè)過程質(zhì)量關(guān)，明確各級管理者的責任，對施工現(xiàn)場作業(yè)人員嚴格進行技術(shù)培訓(xùn)，保證具備相應(yīng)的操作技能，做到持證上崗；按照質(zhì)量管理體系PDCA管理模式，做到“五個從嚴”，即從嚴審核施工技術(shù)方案策劃的確認、從嚴把好施工作業(yè)過程的運行監(jiān)視控制（尤其要特別關(guān)注焊接過程每道工序的檢測質(zhì)量關(guān)）、從嚴進行施工作業(yè)結(jié)束后的檢測和測量程序、從嚴糾正和整改施工過程中不符合工程質(zhì)量要求的問題，堅持對管道施工質(zhì)量實行終身責任追究制。

（2）加大監(jiān)察力度，嚴控第三方破壞

近年來，由于第三方破壞所造成的管道泄漏愈演愈烈，使國家和企業(yè)遭受了巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。在上述分析中，第三方破壞所包含的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排在了第二位。2007年山東電視臺披露了中石化管道儲運公司臨邑濟南輸油管線周圍居民打孔偷油，偷氣事件。石油化工企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)隊大多處于偏僻的野外鄉(xiāng)村，長輸管道鋪設(shè)途徑的地段往往是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，當?shù)鼐用袷杖肫毡槠?，法律及公共財產(chǎn)保護意識薄弱，再加上個別地方實施保護政策，執(zhí)法不嚴，造成了此類偷竊油氣、破壞管道問題屢禁不止。為此，企業(yè)應(yīng)首先加強針對輸油管線周邊群眾的普法教育，與當?shù)卣㈤L效的合作和協(xié)商溝通機制，通過開展引進幫貧解困項目等措施，解決當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展問題；其次加強長輸管道巡線工作，在管道集輸系統(tǒng)安裝先進的報警裝置，做到全時段實時動態(tài)監(jiān)控；再次對于管道警示標識不清晰的地段要及時采取相應(yīng)措施，及時發(fā)現(xiàn)和制止在管道上方的各類違章施工行為；最后與當?shù)毓矆?zhí)法部門密切配合，加大監(jiān)察和執(zhí)法力度，嚴厲打擊偷竊、破壞國家財產(chǎn)的違法行為。

（3）加強科學(xué)檢測，防治管道腐蝕

管道腐蝕包括外腐蝕和內(nèi)腐蝕兩個方面。外腐蝕主要影響因素是土壤腐蝕，防腐絕緣涂層失效，陰極保護失效，管材抗蝕性差等。內(nèi)腐蝕主要由油氣中的硫化物酸性介質(zhì)引起。嚴重腐蝕將導(dǎo)致防腐絕緣涂層失效，管壁減薄，管線穿孔導(dǎo)致管線開裂[9]。因此做好長輸管道埋設(shè)前設(shè)計方案的審定，要根據(jù)實地埋設(shè)考察管道途經(jīng)階段的土壤成份狀況，長輸管道投入使用后，企業(yè)相關(guān)部門要定期、規(guī)范的進行檢測，發(fā)現(xiàn)問題立即解決。檢測手段要著眼于現(xiàn)代高科技，檢測人員要切實履行職責，提高安全預(yù)防意識，建立健全質(zhì)量管理、安全監(jiān)督檢查長效機制，制定防止管道因腐蝕開裂等原因引發(fā)的各類泄漏突發(fā)事件或事故的應(yīng)急處置預(yù)案。

目前，長輸管道已經(jīng)成為繼鐵路、公路、海運、民用航空之后的第五大運輸行業(yè)，其輸送介質(zhì)，除常見的石油、天然氣外，還有工業(yè)用氣體如氧氣、CO2等、乙烯、液氨、礦漿、煤漿等介質(zhì)。近年來，我國針對油氣的長輸管道建設(shè)發(fā)展迅速，但現(xiàn)有大型輸油氣管線總長不過3萬km，僅占全世界油氣管線的1/100。專家預(yù)計，未來10年我國將實現(xiàn)汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道進行輸送。要完成上述目標，平均每年都要新建2萬km的管線，因此，我國油氣管道建設(shè)將會迎來新的高潮，這同時也加重了輸油氣管道的質(zhì)量和安全工作負擔，保證長輸管線的安全平穩(wěn)運營就是保證了國家經(jīng)濟建設(shè)平穩(wěn)、健康、快速的發(fā)展。

[1]鄭津洋，馬夏康，尹謝平編．長輸管道安全[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王楷．基于事故樹分析的壓力管道風(fēng)險評價方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2009.

[3]全民，王涌濤，汪德爟．事故樹分析法的應(yīng)用研究[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報，2007（8）.

[4]張乃祿，趙曉姣，徐竟天，郭小平．原油集輸聯(lián)合站故障樹分析研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008（3）.

[5]廖柯熹 ，姚安林，張淮鑫．天然氣管線失效故障樹分析[J].天然氣工業(yè)，2001,21（2）.

[6]趙新穎，李自力，王春濤．石油儲罐火災(zāi)爆炸事故樹分析[J]．油氣儲運，2005（25）.

[7]楊慧來．長輸油氣管道定量風(fēng)險評價方法研究[D]．蘭州理工大學(xué)，2009.

[8]杜艷，謝英，王子豪，劉志成．天然氣管道事故分析[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2009（2）.

[9]俞樹榮，馬欣，劉展等．在役長輸管道不同時期可靠性安全評價[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2005,31(4).

Leakage is not only a typical accident of long-distance pipeline,but also an important cause resulting in some other accidents.By applying the fault-tree analysis method to qualitative and quantitative analysis about leakage of long-distance pipeline,primary factors leading to pipeline's leakage can be identified.Fault-tree for pipeline leakage is structured,and important degree,probabilities of accident and critical important degree are solved.Thus the factor analysis method for leakage of long-distance pipelines is formed based on fault-tree analysis method,which can be taken as an important basis in carrying out perfect safety management for long-distance pipelines.

fault-tree analysis method;long-distance pipeline；leakage factor of pipeline

顧文婷（1982-），女，在讀碩士研究生,主要研究油田油氣集輸過程重大危險源的辨識及評價。

2010-03-29