基于FTA的掛橋管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

范自盛，潘 瑜

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 安全與環(huán)境學(xué)院， 福建 福州 350007)

0 引言

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，城市管廊的建設(shè)規(guī)模也迅速擴(kuò)大，綜合管廊、管線的敷設(shè)越來(lái)越多樣化。當(dāng)管線跨越河流時(shí)，當(dāng)受到通航、管廊檢修、管廊腐蝕等諸多因素的影響限制時(shí)，可利用現(xiàn)有橋梁進(jìn)行跨越。由于管橋一體，橋梁運(yùn)營(yíng)振動(dòng)、熱應(yīng)力伸縮等對(duì)管道的影響及管道腐蝕、管道設(shè)計(jì)不良等諸多因素的影響，可能發(fā)生管線泄漏事故。在發(fā)生污水管線泄漏事故之后，將對(duì)橋梁通行安全和海洋環(huán)境保護(hù)造成嚴(yán)重的威脅，并且難以短時(shí)間恢復(fù)，將較長(zhǎng)時(shí)間影響橋梁安全運(yùn)營(yíng)，需要特別關(guān)注污水管線泄漏事故[1]。本文將以某入島連接橋掛管工程為研究背景，運(yùn)用安全系統(tǒng)工程事故樹分析法(FTA)，進(jìn)行掛橋管道泄漏原因分析，編制FTA事故樹，并進(jìn)行定性分析，全面系統(tǒng)分析可能導(dǎo)致的管道泄漏的原因，并提出工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)的安全防護(hù)措施，為設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位提供決策參考；為主管部門對(duì)項(xiàng)目的審批、工程驗(yàn)收和項(xiàng)目建成投產(chǎn)后的安全監(jiān)督管理提供依據(jù)。

1 掛橋管道泄漏危險(xiǎn)性分析

1.1 工程概況

該陸島連接橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，主跨為66 m的四跨連續(xù)梁，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全橋長(zhǎng)685.44 m。索塔為混凝土塔外包鋼外殼，上部結(jié)構(gòu)采用雙主梁肋板式，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。掛管工程采用雙管掛橋敷設(shè)，污水管管徑DN 400 mm，一用一備，通過(guò)切換閥門互為備用，管材采用不銹鋼管，壓力污水管道設(shè)計(jì)流量為145 L/s，控制流速為0.8～2.5 m/s。掛管的平面布置、橫斷面布置如圖1和圖2所示。

圖1 掛管平面布置

圖2 掛管橫斷面布置

1.2 掛橋管道泄漏危險(xiǎn)因素分析

根據(jù)歷史管道泄漏事故分析，引發(fā)掛橋管道爆管導(dǎo)致泄漏的的原因包含了人為設(shè)計(jì)施工缺陷因素、管道自身因素、環(huán)境因素及管道運(yùn)營(yíng)管理因素等，總結(jié)起來(lái)主要有以下原因：

(1) 管道材質(zhì)

有些管材由于管材質(zhì)量和鑄造工藝的問(wèn)題，存在管體強(qiáng)度不足、脆性大的問(wèn)題，管體組織較為疏松，管道壁存在難以消除的氣孔、內(nèi)溝、黑渣等問(wèn)題，如灰口鑄鐵管，其在橫向作用力及外力振動(dòng)聯(lián)合作用下，以及彎曲應(yīng)力比較大的部位容易發(fā)生在縱向發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

(2) 連接方式

有許多管道采用剛性連接，該連接方式具有堅(jiān)硬接口，但是不具備抗拉、抗彎和抗剪切的能力，特別是在外力的影響下，對(duì)管道位移、振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)的抵御能力差，容易導(dǎo)致漏水，而管道掛橋除了考慮管道自身熱應(yīng)力作用，還應(yīng)考慮橋梁在風(fēng)載荷及車輛通行產(chǎn)生的振動(dòng)的作用，橋梁受熱應(yīng)力伸縮對(duì)管道產(chǎn)生的影響，剛性接口或接口匹配不當(dāng)均可能造成管道變形而泄漏。此外，管道焊接或連接工藝質(zhì)量也可能造成重大影響，如承插式連接或采用焊接方法的管道上，由于場(chǎng)地受限或運(yùn)輸困難等原因需要在現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，焊接完后進(jìn)行防腐處理，由于施工場(chǎng)地限制及施工現(xiàn)場(chǎng)多變的環(huán)境等原因容易導(dǎo)致施工質(zhì)量難以控制，尤其是小口徑管道因施工難度大通常不進(jìn)行防腐處理[2]。

(3) 管道腐蝕

對(duì)于埋地管道來(lái)說(shuō)，容易受到環(huán)境外部腐蝕和管道內(nèi)傳輸介質(zhì)的腐蝕的聯(lián)合作用，外腐蝕主要為管道覆土的腐蝕和空氣中氧腐蝕作用，土壤的腐蝕主要是由于土壤的酸堿度、土質(zhì)含水率及土壤內(nèi)的微生物等方面因素有關(guān)。若管道防腐層在施工過(guò)程中留下薄弱環(huán)節(jié)，則容易導(dǎo)致管道局部腐蝕而破損的風(fēng)險(xiǎn)；內(nèi)腐蝕則主要是由傳輸介質(zhì)的化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕而引起，進(jìn)而容易導(dǎo)致管道內(nèi)防腐蝕涂層脫落。結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，管道外部腐蝕主要受海鹽和潮濕雙重影響，腐蝕發(fā)生可能性較大，而內(nèi)部腐蝕跟傳輸?shù)奈鬯男再|(zhì)有關(guān)。

(4) 水錘與氣囊

管道內(nèi)流動(dòng)的流體由于受到震動(dòng)、氣液共存等外界因素的影響，容易導(dǎo)致流體流動(dòng)的速度發(fā)生激烈變化，而流體流速的變化又會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)壓強(qiáng)分布不均勻。在一定時(shí)間內(nèi)，管路中升壓和降壓交替分布，直到完全衰減，這種現(xiàn)象就是水錘。水錘現(xiàn)象發(fā)生后，由于交替分布的壓強(qiáng)，容易使管道局部壓力過(guò)大，出現(xiàn)管道開(kāi)裂破損而導(dǎo)致漏水現(xiàn)象。氣囊是管道受損泄漏的重要因素。在長(zhǎng)輸管道中，在設(shè)計(jì)流速不大的情況，氣體以多以氣囊的形式存在于管路的上部空間。流體剛剛開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，在管道內(nèi)部以層狀或波狀居多，此時(shí)若設(shè)有排氣裝置，則氣體可以較為順暢的排出，而一旦進(jìn)入段塞流，則排氣就比較困難了。由于管道受地形地質(zhì)條件的影響，大管徑、多起伏的長(zhǎng)輸管道排空裝置設(shè)計(jì)不夠合理或者缺乏足夠的排氣裝置，很容易導(dǎo)致管內(nèi)充氣聚集，如果出現(xiàn)管道排氣不順暢或不徹底，則有可能導(dǎo)致氣囊壓縮，促使形成高強(qiáng)壓力振蕩，引起管路劇烈震動(dòng)現(xiàn)象，影響管道運(yùn)行安全和正常供水。

2 掛橋管道泄漏FTA事故樹分析

根據(jù)以上分析，導(dǎo)致管道泄漏的影響較多，為系統(tǒng)分析管道泄漏成因和個(gè)因素的內(nèi)在關(guān)系，為制定系統(tǒng)的管道泄漏措施提供可靠的依據(jù)，采用FTA事故樹分析法進(jìn)行定性分析。

2.1 FTA事故樹分析法適用性分析

對(duì)于系統(tǒng)中特定事故，如果需要分析事故發(fā)生的原因事件組合、各原因事件的內(nèi)在邏輯關(guān)系及各原因事件對(duì)頂上事件的影響分析，進(jìn)而為事故的預(yù)測(cè)預(yù)防提供依據(jù)，通?？梢赃x用FTA事故樹分析法。

通過(guò)分析有利于辨識(shí)系統(tǒng)中存在的各種危險(xiǎn)有害因素，為系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)及優(yōu)化，安全技術(shù)措施、安全管理措施及應(yīng)急措施的制定提供依據(jù)。也可以通過(guò)依據(jù)FTA事故樹分析的結(jié)果與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行有效比對(duì)，對(duì)系統(tǒng)中特定事故進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，分析事故的風(fēng)險(xiǎn)程度。

2.2 掛管管道泄漏事故樹編制

本次分析的方法選用FTA事故樹分析法，確定頂上事件為掛管管道泄漏事故。根據(jù)掛橋管道泄漏危險(xiǎn)性分析，掛橋管道泄漏事故樹，如圖3所示。通過(guò)事故樹分析可以脈絡(luò)清晰地將事故從近及遠(yuǎn)，層層深入剖析，找到掛管管道泄漏事故發(fā)生的根本原因。

通過(guò)分析可知，掛橋污水管道泄漏事故主要原因是管道的問(wèn)題，包括管道的設(shè)計(jì)、管道材質(zhì)及管道施工等問(wèn)題；還有管道后期的腐蝕及運(yùn)營(yíng)維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題；以及外界的破壞問(wèn)題，包括人為破壞、溫度應(yīng)力作用及臺(tái)風(fēng)地震等自然災(zāi)害的作用。并把這些原因事件進(jìn)行層層分析，分析到能夠指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)的基本原因事件為止，共分析出15個(gè)基本原因事件。其中與人的因素有關(guān)的包含了X1、X2、X3、X4、X7、X8、X13，與物的因素有關(guān)的包含了X5、X6、X11、X12，與環(huán)境有關(guān)的因素包含了X9、X14、X15，與安全管理有關(guān)的因素包含了X10?？梢苑謩e從人機(jī)環(huán)境管理四個(gè)方面制定有針對(duì)性的措施予以預(yù)防控制。

結(jié)合工程實(shí)際，需要充分考慮管道與橋梁直接的相互影響關(guān)系，“設(shè)計(jì)缺陷”中X1、X2、X3、X4四個(gè)因素發(fā)生的可能性較高，應(yīng)重點(diǎn)考慮預(yù)控控制措施。

2.3 掛管管道泄漏事故樹定性分析

掛管管道泄漏事故樹繪制完成后，即可進(jìn)行事故樹定性分析[5]。通過(guò)計(jì)算掛管管道泄漏事故樹最小割集，確定事故發(fā)生途徑和種類，進(jìn)而分析各基本原因事件對(duì)掛管管道泄漏事故頂上事件的影響程度，應(yīng)用最小割集計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度，為科學(xué)有效地制定預(yù)防控制措施提供依據(jù)，防范同類事故發(fā)生。計(jì)算如下：

(1) 事故樹最小割集

應(yīng)用布爾代數(shù)法，掛管管道泄漏事故樹最小割集計(jì)算過(guò)程為：

T=A1+A2+A3+X16

=(B1+B2+B3)+X10B4+(X13+X14+X15)

=(X1+X2+X3+X4)+X5X6+(X7+X8+X9)

+X10(X11+X12)+(X13+X14+X15)+X16

=X1+X2+X3+X4+X7+X8+X9+X13

+X14+X15+X5X6+X10X11+X10X12+X16

(1)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該事故樹的最小割集共有14個(gè)，即導(dǎo)致掛管管道泄漏事故的途徑至少有14種，導(dǎo)致事故的路徑較多，且大部分單個(gè)基本原因事件就會(huì)導(dǎo)致頂上事件發(fā)生，危險(xiǎn)性較大，需要結(jié)合每個(gè)基本原因事件，分別制定有針對(duì)性的預(yù)防控制措施。最小割集具體見(jiàn)表1。

表1 掛管管道泄漏事故樹最小割集

(2) 事故樹結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

為了明確各基本原因事件對(duì)頂上事件(掛管管道泄漏事故)發(fā)生的影響程度，有層次有重點(diǎn)的制定預(yù)防控制措施，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算分析，確定各基本原因事件的重要程度排序。

(2)

運(yùn)用式(2)進(jìn)行掛管管道泄漏事故樹各基本原因事件結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算[6]，并將結(jié)構(gòu)重要度大小進(jìn)行對(duì)比并排序：

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(7)

=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)

=Iφ(16)>Iφ(17)>Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(11)=Iφ(12)

(3)

從掛管管道泄漏事故樹分析來(lái)看，結(jié)構(gòu)重要度居前的分別為X1荷載設(shè)計(jì)不足、X2連接方式不恰當(dāng)、X3排氣裝置設(shè)計(jì)部合理、X4管材選用不當(dāng)、X7安裝質(zhì)量差、X8焊接質(zhì)量差、X9撞擊擠壓破損、X13人為破壞、X14溫度應(yīng)力作用、X15地震、臺(tái)風(fēng)、雷擊影響等，設(shè)計(jì)、施工因素的影響較大。結(jié)合掛管工程實(shí)際，應(yīng)從各項(xiàng)措施的可行性、針對(duì)性和風(fēng)險(xiǎn)控制的有效性制定預(yù)防控制措施。

3 掛管管道泄漏事故預(yù)防措施實(shí)證分析

根據(jù)掛管管道泄漏事故FTA分析的結(jié)果，結(jié)合本項(xiàng)目的現(xiàn)狀，提出掛管管道泄漏事故預(yù)防措施。

(1) 荷載設(shè)計(jì)不足預(yù)防措施

設(shè)計(jì)過(guò)程需充分進(jìn)行內(nèi)外壓荷載計(jì)算，在滿足管道內(nèi)壓情況下，還應(yīng)考慮固定支墩、風(fēng)載、橋梁震動(dòng)對(duì)管道的外壓影響，并考慮管道使用周期的劣化導(dǎo)致承壓能力降低的影響，充分考慮冗余系數(shù)，選擇承壓能力強(qiáng)、使用性能可靠的管材，并在固定支墩上合理設(shè)計(jì)襯墊層，分散固定支墩對(duì)管道的外壓[7]。施工過(guò)程，可選用管材的公稱壓力等級(jí)不小于管道系統(tǒng)所選管材壓力等級(jí)的1.25倍，并要求管道試壓按《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50268-2008)等有關(guān)規(guī)范、規(guī)程執(zhí)行。管道安裝完畢，需根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件中對(duì)管道內(nèi)外壓強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算，并從錨點(diǎn)、支墩、管材承壓能力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工方案也提出了強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)要求。

(2) 連接方式不恰當(dāng)預(yù)防措施

本項(xiàng)目管道連接方式充分考慮管內(nèi)流體介質(zhì)、施工條件、地質(zhì)條件、橋梁結(jié)構(gòu)變形、掛橋管道變形等因素，對(duì)采用剛性接口或柔性接口進(jìn)行了優(yōu)化比選?？紤]了污水及合流管道的影響，橋梁與管道相互形變的影響，應(yīng)優(yōu)先選用柔性接口?？紤]到海鹽和潮濕雙重腐蝕影響，掛橋污水管線應(yīng)優(yōu)先選用耐腐蝕的不銹鋼無(wú)縫鋼管，管道間采用法蘭柔性連接，同時(shí)，在橋梁伸縮縫位置設(shè)置波紋補(bǔ)償器，協(xié)調(diào)掛橋管道與橋梁結(jié)構(gòu)變形。

(3) 排氣裝置設(shè)計(jì)不合理的預(yù)防措施

本項(xiàng)目掛管全長(zhǎng)685.44 m，且管道運(yùn)行過(guò)程中容易受到橋梁震動(dòng)及風(fēng)載的影響，在設(shè)計(jì)壓力管道時(shí)，應(yīng)充分考慮水錘的影響，在每隔一定距離處，在管道的高點(diǎn)設(shè)置排氣裝置；在管道的低點(diǎn)以及每隔一定距離處，應(yīng)設(shè)排空裝置。

(4) 管材選用不當(dāng)、安裝質(zhì)量差、焊接質(zhì)量差等質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)防措施

本項(xiàng)目在專業(yè)化場(chǎng)地焊接成型，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝，可能存在安裝質(zhì)量差、焊接質(zhì)量差的問(wèn)題。應(yīng)嚴(yán)格施工現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量管控，掛管材質(zhì)應(yīng)選擇承壓能力強(qiáng)、使用性能可靠、施工簡(jiǎn)單、使用年限長(zhǎng)，內(nèi)壁光滑、輸水能力強(qiáng)的管材[8]。對(duì)安裝工程和焊接作業(yè)等，嚴(yán)格按照施工圖中“檢驗(yàn)與質(zhì)量控制”對(duì)外觀檢驗(yàn)、熱熔接口的外觀檢驗(yàn)要求及質(zhì)量控制說(shuō)明，進(jìn)行施工質(zhì)量驗(yàn)收。

(5) 撞擊擠壓破損、人為破壞等人為破壞的預(yù)防措施

在嚴(yán)格施工現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量管控，強(qiáng)化施工質(zhì)量驗(yàn)收的基礎(chǔ)上，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需制定管道定期維護(hù)制度，并落實(shí)管道的日常檢查、維護(hù)。管線及檢修通道采取隔離防護(hù)措施。檢修通道兩端設(shè)置封閉門，防止人為破壞。

(6) 閥門泄漏的預(yù)防措施

在施工階段，掛橋管路上的閥門、法蘭等重要的配件必須選用符合工況質(zhì)量合格的產(chǎn)品，嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)口關(guān)。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，還需要注意日常的監(jiān)控、檢查和定期的保養(yǎng)，避免因閥門泄漏而造成的管網(wǎng)泄漏事故。

(7) 溫度應(yīng)力作用、地震、臺(tái)風(fēng)、雷擊影響及等自然因素影響預(yù)防措施

設(shè)置溫度應(yīng)力補(bǔ)償裝置，如波紋補(bǔ)償器，用于消除溫度應(yīng)力作用。其次，在荷載設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)載、地震震動(dòng)荷載的影響[9]。因掛橋管線在橋梁下部，受雷擊影響較小，可以不做處理。

4 結(jié)論

(1) 由于管橋一體的特殊性，增加了壓力污水管道泄漏危害后果的嚴(yán)重程度。通過(guò)掛橋管道泄漏FTA風(fēng)險(xiǎn)分析，能夠全面系統(tǒng)的分析其發(fā)生的原因和路徑，確定影響較大的基本原因事件，提出有針對(duì)性的對(duì)策措施。

(2) 通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證，能夠有效降低壓力污水管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高掛橋壓力管道的安全性，研究結(jié)果也為其他掛橋管道建設(shè)項(xiàng)目提供了借鑒。