天然氣管道放空系統(tǒng)失效的故障樹(shù)分析

李曉婷，李 楚，孫雷雷，張玉琳，周述丹

（1.中國(guó)石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東濟(jì)南250000；2.中曼石油四川昆侖石油設(shè)備制造有限公司，四川成都610000；3.中國(guó)石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北武漢430000）

天然氣管道在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生管道超壓現(xiàn)象，管道檢修需對(duì)部分管段進(jìn)行放空。若放空系統(tǒng)失效會(huì)直接導(dǎo)致天然氣管道因超壓而破裂，引發(fā)嚴(yán)重后果［1]。文中通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致管道放空失效的因素主要為管道堵塞、點(diǎn)火失效等。對(duì)天然氣管道放空進(jìn)行可靠性分析，找出管線的主要失效形式與薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而在放空系統(tǒng)的生產(chǎn)、施工、運(yùn)行中采取相應(yīng)的措施以提高天然氣放空系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。故障樹(shù)分析作為工程系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)價(jià)的有效方法，為天然氣管道放空失效分析提供了有效手段，該方法簡(jiǎn)單明了，可直觀展示出影響放空系統(tǒng)可靠性的因素。

1 天然氣管道放空系統(tǒng)

國(guó)標(biāo)GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定了輸氣站需在進(jìn)站截?cái)嚅y上游、出站截?cái)嚅y下游、輸氣干線截?cái)嚅y的上下游均設(shè)置設(shè)備達(dá)到泄壓放空目的，以便能在緊急情況下使管段盡快放空。在天然氣管道放空系統(tǒng)中，有管道內(nèi)待放空的管存氣體、放空管路和放空立管。其中放空管路包括相應(yīng)的管件及附件［2]。常用的天然氣管道放空管路見(jiàn)圖1。

圖1 天然氣管道放空管路

2 故障樹(shù)分析方法

故障樹(shù)分析法，簡(jiǎn)稱FTA，它是一種圖形演繹法。在數(shù)學(xué)闡述中，先設(shè)置特定的故障事件（或事故）開(kāi)始，由故障樹(shù)考察可能引起該事件發(fā)生的各種原因事件及相互關(guān)系的系統(tǒng)安全分析方法［3]。其中，故障樹(shù)的頂事件是系統(tǒng)最不希望出現(xiàn)的事件，用特定的邏輯圖形從上到下的分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部直接因素及相互中的邏輯關(guān)系，并逐步深入分析，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最大概率的基礎(chǔ)事件。故障樹(shù)的分析含有定性分析和定量分析。通過(guò)定性分析尋找引發(fā)頂事件發(fā)生的全部基礎(chǔ)事件，并編制故障樹(shù)，求出所有基礎(chǔ)事件的最小割集合，并計(jì)算基礎(chǔ)事件對(duì)導(dǎo)致頂事件發(fā)生的結(jié)構(gòu)重要度。在定量分析中，計(jì)算出頂事件和基礎(chǔ)事件發(fā)生的概率。2 種分析相互結(jié)合，就可找出放空系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，再有針對(duì)性采取處理措施。

3 天然氣管道放空失效故障樹(shù)建立

建立天然氣管道放空故障樹(shù)，首先確定頂事件，選取管道放空系統(tǒng)失效作為頂事件（T1）。由從事天然氣管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)而言，引起天然氣管道放空失效的最直接而必要的原因主要是設(shè)備故障、第三方破壞、管理因素和設(shè)計(jì)缺陷，這些因素的出現(xiàn)將導(dǎo)致管道放空系統(tǒng)失效［4]。建立以邏輯門符號(hào)表示的天然氣管道放空失效故障樹(shù)，故障樹(shù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2；失效故障樹(shù)因素見(jiàn)表1。

圖2 天然氣管道放空失效故障樹(shù)

表1 天然氣管道放空失效故障樹(shù)因素

3.1 故障樹(shù)定性分析

從天然氣管道放空失效故障樹(shù)可以看出：

（1）該故障樹(shù)共包括22 個(gè)邏輯門，為邏輯或門。由于邏輯或門數(shù)仍占絕對(duì)，故天然氣管道放空失效危險(xiǎn)性較大，很容易發(fā)生事故。

（2）事故連鎖：故障樹(shù)的各個(gè)分支表示頂事件發(fā)生時(shí)可能鏈接的事件，直到導(dǎo)致事故發(fā)生的最終事件的途徑為事故連鎖。顯然，連鎖越多，系統(tǒng)越不安全。

（3）預(yù)防事故途徑：故障樹(shù)中直到最后呈現(xiàn)安全的途徑將預(yù)防事故發(fā)生的方案制定提供依據(jù)。在最終安全的事故途徑中，表示安全功能正常的事件全體為事件樹(shù)的最小徑集合。只要保證安全功能有效，即可避免事故發(fā)生。

（4）用最小割集理論分析：列出天然氣管道放空系統(tǒng)失效故障樹(shù)的布爾表達(dá)式。由布爾表達(dá)可知，造成天然氣管道放空失效的最小割集共有16個(gè)。

3.2 故障樹(shù)定量分析

設(shè)xi（t）為底事件i 在時(shí)刻t 時(shí)所處于的狀態(tài)的概率。如果底事件i 在時(shí)刻t 即時(shí)發(fā)生，則xi（t）=1；如果底事件i 在時(shí)刻t 不會(huì)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 為該故障樹(shù)內(nèi)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：

經(jīng)計(jì)算得出，基礎(chǔ)事件X5（管道堵塞）的重度系數(shù)最大，為1.75；其次是X6（自動(dòng)點(diǎn)火失效）、X15（雜質(zhì)沉積堵塞），分別為0.875和0.5。故而應(yīng)從管路和點(diǎn)火著手，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采取有效措施預(yù)防天然氣管道放空失效事故。

3.3 主要影響因素與建議

對(duì)故障樹(shù)和式（2）進(jìn)行分析可以得出引起天然氣管道放空系統(tǒng)失效的主要因素，從而采取相應(yīng)的處理措施以便提高放空系統(tǒng)的可靠性。其主要因素為：

（1）設(shè)備故障。設(shè)備故障有管線失效、閥門失效和點(diǎn)火失效3 個(gè)方面。管線失效主要有管線泄漏和管線堵塞，引起管線失效的基本事件有管道腐蝕穿孔、銹蝕（久未用）及雜質(zhì)沉積堵塞等[5]；閥門失效主要有閥門泄漏和閥門未開(kāi)啟，一般屬于人員誤操作或閥門久未使用而故障；點(diǎn)火失效主要有流量傳感器故障、點(diǎn)火器未點(diǎn)火、外傳點(diǎn)火器失效等，一般屬于點(diǎn)火器損壞，不能正常工作。應(yīng)對(duì)天然氣管道和放空管道內(nèi)部定期檢查，排除堵塞危險(xiǎn)；定期檢查放空閥，防止放空閥失效泄漏；定期檢查點(diǎn)火器情況，確保點(diǎn)火器正常使用。

（2）設(shè)計(jì)缺陷。設(shè)計(jì)缺陷有管材缺陷和設(shè)計(jì)時(shí)危險(xiǎn)源考慮不周。管材缺陷包括管材初始缺陷和安裝缺陷。初始缺陷主要是由于管材在制造加工中存在缺陷或運(yùn)輸不當(dāng)造成的。安裝缺陷是管段在安裝施工過(guò)程中由于技術(shù)人員焊接技能不足或材料問(wèn)題造成。較為明顯的表現(xiàn)是管道薄厚不均、焊接不良，防腐絕緣涂層較劣質(zhì)。管材缺陷會(huì)造成管線整體強(qiáng)度降低，增加管線腐蝕穿孔概率。

（3）管理因素。包括員工失誤和公司章程不完善問(wèn)題。主要是員工缺乏操作的基本知識(shí)，公司未制定完善的放空系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，未對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)等。應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)對(duì)員工的操作培訓(xùn)及操作演練，制定完整的放空系統(tǒng)維護(hù)章程。

（4）第三方破壞。包括人為破壞以及自然災(zāi)害破壞。比如在管道上面的違章構(gòu)筑物，在管道上方違章施工，水流對(duì)管溝、管道長(zhǎng)時(shí)間沖刷，管道附近土層運(yùn)動(dòng)等都有可能造成天然氣管道失效泄漏，從而引起放空系統(tǒng)失效，應(yīng)對(duì)管線及標(biāo)志物進(jìn)行定期檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）故障樹(shù)分析方法具有直觀、簡(jiǎn)明的特點(diǎn)，能夠從故障樹(shù)中直接看出各事件之間的關(guān)系和事件發(fā)生的鏈接，是進(jìn)行天然氣管道放空系統(tǒng)可靠性分析的有效方法和手段。

（2）從故障樹(shù)結(jié)構(gòu)上看，從頂事件向下延伸會(huì)形成很多層級(jí)，層次距離頂事件越近，不可靠性越大，在那一層上的所有事件只要有其一發(fā)生，就將能夠造成事故的發(fā)生；距離頂事件越遠(yuǎn)，不可靠性就相對(duì)越小。

（3）建立了天然氣管道放空系統(tǒng)失效故障樹(shù)，該故障樹(shù)一共考慮了27 個(gè)基礎(chǔ)事件，通過(guò)故障樹(shù)分析確定了天然氣管道放空系統(tǒng)在運(yùn)行和管理中的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)。

（4）通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的進(jìn)一步分析，確定了影響天然氣管道放空系統(tǒng)失效的主要因素，并提出了相應(yīng)的改善措施，這為預(yù)防或減少放空系統(tǒng)失效提供了幫助。