川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹分析

曹 斌 廖柯熹 吳 瑕

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹分析

曹 斌 廖柯熹 吳 瑕

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

第三方破壞是引起輸氣管道失效的主要因素之一，直接影響輸氣管道的可靠性和使用壽命。針對(duì)川渝地區(qū)引起輸氣管道第三方破壞的各個(gè)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立了以第三方破壞致使輸氣管道失效為頂事件的輸氣管道第三方破壞故障樹。通過對(duì)輸氣管道第三方破壞故障樹的分析，得到了故障樹的各階最小割集和引起川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的主要因素，并提出了相應(yīng)措施以預(yù)防輸氣管道遭到第三方破壞。

川渝地區(qū) 輸氣管道 第三方破壞 故障樹分析

國(guó)內(nèi)外在管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)因素的界定范圍上存在一定區(qū)別，國(guó)外油氣管道第三方破壞界定在人為非故意破壞和自然災(zāi)害破壞范圍內(nèi)，人為故意破壞不在此范圍內(nèi)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)油氣管道第三方破壞的范圍是界定在人及其生產(chǎn)活動(dòng)的破壞行為和自然災(zāi)害上，既包括人為故意破壞，又包括人為非故意破壞。本文針對(duì)川渝地區(qū)輸氣管道的敷設(shè)特征，并結(jié)合川渝地區(qū)的具體情況，采用后者的界定方法進(jìn)行研究。因此，將“川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞”定義為由于非管道員工的行為而造成的所有管道意外傷害[1]。第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)因素包括人為第三方破壞因素和自然第三方破壞因素。

第三方破壞是危害管道安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要危險(xiǎn)源,也是管道失效的主要誘發(fā)因素之一。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，管道第三方破壞已成為管道失效的主要形式。比如，歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)庫(kù)資料表明：50.52%的輸氣管道事故由外部干擾造成[2]；據(jù)我國(guó)川渝地區(qū)管網(wǎng)失效統(tǒng)計(jì)表明，1969～1990年期間，四川地區(qū)輸氣干線發(fā)生事故原因中，第三方破壞占14.2%，但2000年后，其在川渝地區(qū)所轄的7個(gè)作業(yè)區(qū)中第三方破壞導(dǎo)致輸氣管線發(fā)生事故的比率已經(jīng)上升到52.9%。由此可見，管道的第三方破壞已上升為川渝地區(qū)輸氣管道失效的最主要原因，所以非常有必要對(duì)川渝地區(qū)輸氣管道的第三方破壞進(jìn)行研究分析，以確保輸氣管道安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

1 故障樹分析方法[3]

故障樹分析方法是從分析失效因果關(guān)系中的頂事件開始直到底事件，由果到因，自上而下進(jìn)行。一個(gè)故障樹就是一個(gè)邏輯圖，該邏輯圖描繪了事件之間發(fā)生的次序。

設(shè)xi(t)為底事件i在時(shí)刻t所處的狀態(tài)。如果底事件i在時(shí)刻t發(fā)生，xi(t)=1；如果底事件i在時(shí)刻t不發(fā)生，則xi(t)=0。底事件i在時(shí)刻t發(fā)生的概率等于隨機(jī)事件xi的期望值，因而有：

同理，頂事件的狀態(tài)必然是底事件向量X(t)={x1(t),x2(t),…,xn(t)}的函數(shù)，設(shè)Y為描述頂事件的隨機(jī)變量，則頂事件在時(shí)刻t發(fā)生的概率pY為：

故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可用最小割集進(jìn)行有效描述，其結(jié)構(gòu)函數(shù)一般分為或門、與門兩種，分別由式（3）、式（4）表示：

天然氣管線的失效故障樹分析就是要找出天然氣管線失效故障樹的最小割集,，對(duì)導(dǎo)致管線發(fā)生失效的各因素進(jìn)行分析。

2 第三方破壞故障樹的建立

對(duì)于川渝地區(qū)輸氣管道，根據(jù)第三方破壞故障樹建立時(shí)頂事件的確定原則，選取“第三方破壞致使輸氣管道失效”作為頂事件?？紤]到川渝地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，自然災(zāi)害極易造成管道失效，如滑坡、泥石流、地震等，所以將人為第三方破壞因素和自然第三方破壞因素作為次頂事件。然后對(duì)相應(yīng)的原因進(jìn)行分析，建立以邏輯門符號(hào)表示的川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹，如圖1所示。圖1中各符號(hào)代表的相應(yīng)事件見表1。

3 第三方破壞故障樹分析

3.1 最小割集

凡是能導(dǎo)致故障樹頂事件發(fā)生的基本事件的集合定義為割集，而最小割集指在系統(tǒng)沒有其他割集發(fā)生的條件下，只有割集中基本事件同時(shí)發(fā)生，頂事件才發(fā)生；割集中任一基本事件不發(fā)生，則頂事件不發(fā)生。采用“自上而下”的代換方法求出故障樹的所有最小割集,將故障樹轉(zhuǎn)化為等效的布爾代數(shù)方程[3]，如下：

表1 輸氣管道第三方破壞故障樹事件表

由式（5）可知，輸氣管道第三方破壞故障樹由175個(gè)最小割集組成，其中有6個(gè)一階最小割集，144個(gè)二階最小割集，1個(gè)三階最小割集，24個(gè)四階最小割集。6個(gè)一階最小割集直接影響系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。另外，在各階最小割集中重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)很多的基本事件也是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該加以詳細(xì)分析。

3.2 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度分析是從故障樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要程度，即在不考慮各基本事件的發(fā)生概率或假定其發(fā)生概率都相等的情況下，分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂事件發(fā)生所帶來的影響程度。可采用如下兩種方法進(jìn)行分析[4]：一種是計(jì)算結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，以系數(shù)大小來排列各基本事件的重要順序；另一種是利用最小割集或最小徑集來判斷系數(shù)的大小以排出順序。本文采用最小割集判斷系數(shù)的方法對(duì)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序[5]，即

式中I(xi) —基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度大小的近似判別值；

xi∈Kj—基本事件xi屬于最小割集Kj；

ni—基本事件xi所在最小割集Kj包含的基本事件個(gè)數(shù)。

運(yùn)用該式對(duì)輸氣管道第三方破壞故障樹的各個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行計(jì)算。各個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度大小排序如下：

4 川渝地區(qū)第三方破壞主要因素及預(yù)防措施

對(duì)故障樹和基本事件結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析可得引起川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的主要因素有：自然災(zāi)害、管道自身?xiàng)l件、公眾教育和法制觀念、施工作業(yè)以及地面活動(dòng)度。

4.1 自然災(zāi)害發(fā)生頻繁

川渝地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，管道沿線時(shí)有滑坡、泥石流、塌方甚至地震發(fā)生。對(duì)這種路段的管線就應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)保護(hù)措施，加固管線，必要時(shí)也需要進(jìn)行改線以消除隱患。對(duì)沿線可能遭受洪水的管道要加強(qiáng)水工保護(hù)，做好防洪工作。

4.2 管道自身?xiàng)l件欠缺

川渝地區(qū)輸氣管道覆蓋層的深度一般小于0.8～ 1m，必要的時(shí)候應(yīng)增加最小埋深，以保護(hù)管道免遭第三方破壞。對(duì)一些公路及施工便道穿越管段應(yīng)采用套管或水泥涵洞加以保護(hù)。

4.3 公眾教育和法制觀念薄弱

管道公司通過發(fā)布公告、開展公眾教育和媒體宣傳等手段，加強(qiáng)與管道毗鄰居民地經(jīng)常性溝通，甚至通過適當(dāng)?shù)募?lì)措施，以提高公眾保護(hù)管道的意識(shí)，使他們成為管道的保護(hù)者，這樣做可以大大減少第三方破壞事件的發(fā)生[7]。

4.4 施工作業(yè)損傷

隨著我國(guó)西部大開發(fā)政策的不斷推進(jìn)，川渝地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度逐漸加快，施工建設(shè)力度很大，對(duì)沿線輸氣管道安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，需要管道公司及時(shí)與當(dāng)?shù)卣块T和施工單位進(jìn)行溝通，加強(qiáng)對(duì)管道的保護(hù)力度。

4.5 地面活動(dòng)程度高

管道失效是一種區(qū)域性概率，它受管道附近活動(dòng)程度的強(qiáng)烈影響。而川渝地區(qū)人口密度大，管道所在地區(qū)的等級(jí)往往都比較高，活動(dòng)強(qiáng)度比較大，所以平時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)這些區(qū)段的監(jiān)控力度，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即處理并上報(bào)。

5 結(jié) 論

針對(duì)川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的各種因素進(jìn)行歸納和分析，采用具有直觀、簡(jiǎn)明的故障樹分析方法，對(duì)輸氣管線可靠性進(jìn)行定性分析。建立了川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞失效故障樹，該故障樹一共考慮了39個(gè)基本事件，通過故障樹分析確定了川渝地區(qū)輸氣管線第三方破壞的主要因素，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，為減少和防范川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的發(fā)生提供了指導(dǎo)，對(duì)分析其他地區(qū)輸氣管道第三方破壞具有一定的參考價(jià)值。

[1]趙忠剛,姚安林,蔣宏業(yè),等.油氣管道第三方破壞的研究進(jìn)展[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2008,24(11):5-9.

[2]錢成文,侯銅瑞,劉廣文,等.管道的完整性評(píng)價(jià)技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2000,19(7):11-15.

[3]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):94-96.

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[5]彭力,李發(fā)新.危害辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1988.

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[7]呂宏慶,李均峰.管道第三方破壞的原因及預(yù)防措施[J].天然氣工業(yè), 2005,25(12):118-120.

Third party damage is one of major factors leading to the gas pipeline failure,which directly affects the reliability of gas pipelines and shortens the service life of them.In this paper,the systematic analysis is carried out about different factors that cause the third party damage to gas pipelines in Sichuan-Chongqing region.Then,the fault tree of third party damage to gas pipelines has been built up according to the top event that third party damage results in the failure of gas pipelines.Next,the minimum cut of every stage of fault tree and main factors causing third party damage to gas pipeline in Sichuan-Chongqing region have been concluded based on the analysis of fault tree about third party damage to gas pipelines.Finally,some measures are presented so as to prevent third party damage to gas pipelines.

Sichuan-Chongqing region;gas pipeline;third party damage;fault tree analysis

曹斌（1987-），男，現(xiàn)為西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程在讀研究生，主要從事輸氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究。

黃永場(chǎng)

2010-11-17