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 石油化工學院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學 能源學院 （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 石油化工學院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學 能源學院 （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。通過構建管道泄漏事故樹，求解重要度、事故發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。

事故樹分析法 長輸管道 管道泄漏因素

長輸管道是指產地、儲存庫、使用單位之間的用于運輸商品介質的管道[1]，其中應用最為廣泛的是輸油及輸氣管道。在現代油氣集輸生產過程中，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境污染也讓企業蒙受了巨大的損失，因此防范管道泄漏，提高油氣管道運輸技術的安全性、可靠性成為了企業急需解決的問題。

我國長輸管道技術起步較晚，發展亦相對滯后，其安全事故曾多次發生，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年共發生108起失效事故，每次事故停輸時間超過24h，經濟損失約達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生，消滅事故隱患，實現長輸管道安全生產有著重要的意義，同時也為制定防范措施和安全管理提供重要的科學依據。目前實際工作中應用最為廣泛的評價方法有安全檢查表法、專家評議法、預先危險分析法、故障假設分析法、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系，最后通過樹狀圖和特定的符號將邏輯關系表示出來[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致事故發生的潛在因素，并對各種系統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，被經常用于航空航天技術、石油化工企業等的安全評價方面。

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年為研究民兵式導彈發射控制系統而首先提出來，1974年美國原子能委員會運用FTA對核電站事故進行了風險評價，發表了著名的《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應用和推廣。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，有效地促進了企業的安全生產。

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

用事故樹描述事故的因果關系直觀、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構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，根據各危險因素的概率計算出事故發生的概率，從數量上說明是否能滿足預定目標值的要求，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 導致管道泄漏的原因主要有以下幾個方面

（1）自然災害的破壞。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量、管道埋深、焊接等問題。

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

（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]，即根據事故樹結構圖（圖1）進行布爾代數化簡，求出最小徑集，確定各基本事件的結構重要度排序，基本事件的結構重要度越大，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化為對偶的成功樹,根據事故樹機構圖可得出事故樹的成功樹機構函數為：

經計算得出27個最小徑集如下：

式中Ii為基本事件Xi的結構重要度系數的近似判斷；N為Xi所在最小徑集Pj中基本事件的個數。

根據事故樹的最小徑集，可以判斷出各個基本事件的結構重要度：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，因此需要計算的結構重要度為：I1、I4、I5、I6、I7、I8、I17、I21、I29。

經計算得出重要度排序：

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

3 定量分析

定量分析，即依據各基本事件的發生概率，求解頂上事件的發生概率，在求解頂上事件發生概率的基礎上，求解各基本事件的概率重要度及臨界重要度，而基本事件的發生概率采用統計法或專家主觀判斷法估算。

如果已知基本事件Xi的發生概率Qi,i=1，2，3，…，34，

頂上事件的發生概率公式為：

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

結構重要度系數的判別式為：

P(T)為頂上事件概率，k為最小徑集個數

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生概率對某個基本事件發生概率的偏導數。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生概率，而概率重要度卻不能從本質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。

管道泄漏數據驗證分析及對策

1 數據驗證

經過了大量文獻資料的查證，選取如下幾個數據圖表：

CONCAWE（歐洲石油化工協會）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據庫 （European Gas Pipeline Incident Data Group簡稱EGIG），大量詳實的數據，給管道的設計、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生事故8 814次，年平均發生事故294次。統計結果表明：外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設備和操作是引發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計

表3 1985-2000年美國天然氣管道事故統計

表4 1969-2003年四川地區輸氣管道事故統計

我國天然氣管道事故以四川地區最為典型，由于四川地區大部分輸氣管道已接近或超出服役期，加之早年施工技術水平及材料問題，使得管道的腐蝕問題日益凸現。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。

從上述圖表數據得出，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）。統計的數據與前文定性分析的結果一致，說明事故樹分析法在對長輸管道的事故分析中，能夠科學的反映事故原因，為事故調查和事故預防提供了科學的依據。

2 分析及對策

（1）建立應急預案體系，加強安全質量管理

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

施工現場的安裝和設備操作不當最容易導致管道發生泄漏。目前，個別企業就存在購置管道質量不過關、違章施工、違章指揮等安全隱患問題。相關部門應按照管道施工作業技術規程和標準，嚴把施工作業過程質量關，明確各級管理者的責任，對施工現場作業人員嚴格進行技術培訓，保證具備相應的操作技能，做到持證上崗；按照質量管理體系PDCA管理模式，做到“五個從嚴”，即從嚴審核施工技術方案策劃的確認、從嚴把好施工作業過程的運行監視控制（尤其要特別關注焊接過程每道工序的檢測質量關）、從嚴進行施工作業結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量要求的問題，堅持對管道施工質量實行終身責任追究制。

（2）加大監察力度，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，使國家和企業遭受了巨大的經濟損失和環境污染。在上述分析中，第三方破壞所包含的基本事件的結構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。石油化工企業的生產作業隊大多處于偏僻的野外鄉村，長輸管道鋪設途徑的地段往往是經濟欠發達地區，當地居民收入普遍偏低，法律及公共財產保護意識薄弱，再加上個別地方實施保護政策，執法不嚴，造成了此類偷竊油氣、破壞管道問題屢禁不止。為此，企業應首先加強針對輸油管線周邊群眾的普法教育，與當地政府建立長效的合作和協商溝通機制，通過開展引進幫貧解困項目等措施，解決當地的經濟發展問題；其次加強長輸管道巡線工作，在管道集輸系統安裝先進的報警裝置，做到全時段實時動態監控；再次對于管道警示標識不清晰的地段要及時采取相應措施，及時發現和制止在管道上方的各類違章施工行為；最后與當地公安執法部門密切配合，加大監察和執法力度，嚴厲打擊偷竊、破壞國家財產的違法行為。

（3）加強科學檢測，防治管道腐蝕

管道腐蝕包括外腐蝕和內腐蝕兩個方面。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。內腐蝕主要由油氣中的硫化物酸性介質引起。嚴重腐蝕將導致防腐絕緣涂層失效，管壁減薄，管線穿孔導致管線開裂[9]。因此做好長輸管道埋設前設計方案的審定，要根據實地埋設考察管道途經階段的土壤成份狀況，長輸管道投入使用后，企業相關部門要定期、規范的進行檢測，發現問題立即解決。檢測手段要著眼于現代高科技，檢測人員要切實履行職責，提高安全預防意識，建立健全質量管理、安全監督檢查長效機制，制定防止管道因腐蝕開裂等原因引發的各類泄漏突發事件或事故的應急處置預案。

目前，長輸管道已經成為繼鐵路、公路、海運、民用航空之后的第五大運輸行業，其輸送介質，除常見的石油、天然氣外，還有工業用氣體如氧氣、CO2等、乙烯、液氨、礦漿、煤漿等介質。近年來，我國針對油氣的長輸管道建設發展迅速，但現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。專家預計，未來10年我國將實現汽油、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，我國油氣管道建設將會迎來新的高潮，這同時也加重了輸油氣管道的質量和安全工作負擔，保證長輸管線的安全平穩運營就是保證了國家經濟建設平穩、健康、快速的發展。

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

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

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

[4]張乃祿，趙曉姣，徐竟天，郭小平．原油集輸聯合站故障樹分析研究[J].中國安全科學學報，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，2001,21（2）.

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

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

[8]杜艷，謝英，王子豪，劉志成．天然氣管道事故分析[J]．管道技術與設備，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].蘭州理工大學學報，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