輸油管道第三方破壞故障樹分析

王 孟 李自力 陳健飛

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院；2.勝利油田技術檢測中心)

輸油管道第三方破壞故障樹分析

王 孟*1李自力1陳健飛2

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院；2.勝利油田技術檢測中心)

為了定性、定量地分析第三方破壞的各個事件對輸油管道失效概率的影響，采用故障樹分析法(FTA)，利用求最小割集和結構重要度找出影響第三方破壞的重要基本事件，并結合層次分析法和模糊綜合評價法求解第三方破壞的失效概率。研究表明第三方破壞中埋深和巡線的質量是影響輸油管道失效的關鍵因素，并通過模型建立找出一種定量求解失效概率的方法。

輸油管道 故障樹 層次分析法 模糊數學

近年來輸油管道泄漏、爆炸事故頻發，究其原因，很多都是不法分子在輸油管道打孔盜油和施工破壞管道造成的，這些都是第三方破壞的表現形式[1]。第三方破壞與地面活動程度、管道的埋深、巡線的質量、管道線路標志、附近居民的素質及政府宣傳力度等因素都有很大關系。

故障樹分析方法是一種演繹分析方法，它從一個可能的事故開始一層一層逐步尋找引起事故的初始事件、直接原因和間接原因，并分析這些事故原因之間的相互邏輯關系，用邏輯樹圖把這些原因和它們的邏輯關系表示出來[2]。利用故障樹分析法來進行定性定量的分析輸油管道第三方破壞各因素可以更加合理、有效、經濟地提出相應對策來預防事故的發生。

1 故障樹的建立

故障樹分析法是分析輸油管道第三方破壞影響因素的有效方法。通過故障樹的定性分析即最小割集分析和底事件結構重要度的計算，可以分析出影響輸油管道第三方破壞因素及其薄弱環節，并為第三方破壞因素層次關系的確定提供參考和依據。

根據故障樹建立原則選擇“輸油管道第三方破壞失效”作為頂事件。引起第三方破壞失效的最直接原因是“環境因素條件差”、“管道條件缺陷”和“不法分子故意破壞”。這3種原因中的任意一個都會導致輸油管道失效，因此以這3個原因作為次頂事件，采用此方法以此類推，直到分析出各種故障形式的底事件為止[3]。輸油管道第三方破壞失效故障樹如圖1所示，故障樹中各符號代表的相應事件如下：

A1 第三方破壞

B1 環境因素條件差

B2 管道條件缺陷

B3 不法分子故意破壞

C1 外部環境因素

C2 內部環境因素

C3 水下穿越管道埋深太淺

C4 公眾教育欠缺

C5 油地關系不好

D1 地面活動程度頻繁

D2 管道線路標志不明

D3 巡線質量差

E1 地面管道設施防護不力

X1 建設生產活動頻繁

X2 交通繁忙

X3 農業生產活動頻繁

X4 地質勘探活動頻繁

X5 占壓

X6 管道施工作業帶條件差

X7 地面設施與公路距離太近

X8 地面設施無圍欄

X9 地面設施與道路間有較深溝渠

X10 無警示標志符號

X11 巡線頻率低

X12 巡線方式不合理

X13 巡線員工素質及能力差

X14 線民密度小

X15 河底土壤深度太淺

X16 通航河道河床表面與航船底面距離太小

X17 缺少保護措施

X18 直埋段埋深淺

X19 管道安全宣傳教育不夠

X20 居民文化素質低

X21 村鎮文明建設差

X22 與承包商、挖掘者會晤

X23 未與當地干部舉行聯席會

X24 未與村鎮簽訂聯防協議

圖1 輸油管道第三方破壞失效故障樹示意圖

2 故障樹的定性分析

2.1最小割集

在故障樹中，把引起頂事件發生的基本事件的集合稱為割集，也稱截集或截止集。如果在某個割集中任意除去一個基本事件就不再是割集了，這樣的割集就稱為最小割集。也就是導致頂上事件發生的最低限度的基本事件組合。對故障樹進行定性分析的目的是為了找出系統全部最小割集[4～6]。筆者運用下行法求解故障樹的最小割集，然后再通過布爾代數運算法則進行化簡。求解得到系統全部最小割集其中一階最小割集4個，三階最小割集16個，五階12個。輸油管道第三方破壞故障樹的最小割集見表1。

表1 第三方破壞故障樹最小割集

確定最小割集之后，通過對故障樹結構重要度系數的計算，可以鑒別底事件的薄弱環節。

2.2結構重要度系數

底事件的結構重要度系數求解公式為：

式中kj——第j個最小割集；

nj——底事件i位于kj的底事件數；

Iφ(i)——第i個底事件的結構重要度系數；

xi∈kj——第i個底事件屬于第j個最小割集。

利用上式求得各基本事件的結構重要度系數見表2。

表2 輸油管道第三方破壞失效因素結構重要度系數

由計算結果可知，事件無警示標志符號結構重要度所占比例最大，即對第三方破壞影響最大。

3 故障樹的定量分析

3.1層次分析法確定專家權重

在輸油管線第三方破壞各個底事件打分中，不同的專家有不同的看法，利用層次分析法可以更科學、嚴謹的對專家的權重進行估算，從而使失效概率的計算更加準確[7,8]。層次分析法大體分為以下5個步驟：

a. 立層次結構模型；

b. 構造判斷矩陣；

c. 次單排序及其一致性檢驗；

d. 層次總排序；

e. 層次總排序的一致性檢驗。

在對現河采油廠六隊外輸線風險評估時聘請了來自設計、施工、管理、檢測和維護方面的5位專家，對專家的能力進行評估，設總目標為“專家個人能力”(BE，Best Evaluation)，此為模型第1層；影響專家能力的指標分為“專家個人的知識”(PK，Personal Knowledge)、“信息來源”(IS，Information Source)、“估計的公正性”(UB，Unbiased)及“個人經驗”(PE，Personal Experience)等，此為模型的第2層；最底層是5位專家。以各個專家的信息對總目標的重要度為例構造評估矩陣進行優先排序：

計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

M1=24,M2=3,M3=1/3,M4=1/24

則：W=[W1,W2,…,Wn]T=[0.467 0.278 0.160 0.095]T

CW=[1.883 1.117 0.645 0.384]T

計算判最大特征根λmax：

=4.03

表3 隨機一致性指標

同理可得，各個專家信息之間的比較：

λ=5.014,CI=0.0035,RI=1.12,CR=0.004<0.1，

λ=5.005,CI=0.00125,RI=1.12,CR=0.001<0.1

λ=5.0072,CI=0.0018,RI=1.12,CR=0.0016<0.1，

λ=5.01,CI=0.025,RI=1.12,CR=0.0223<0.1

則層次總排序為：

通過計算得各個專家的能力權值排序：

W=[0.251 0.133 0.141 0.252 0.223]T

為了確保專家能力權值賦分的合理性、科學性和精確性，結合油田管道的現狀，經過對評估結果的反復論證，認為在對勝利油田輸油管道風險評估時，專家個人經驗(PE)、信息來源(IS)、估計的公正性(UB)和個人的知識(PK)這4個方面的關系為：PE=IS>UB>PK，具體為：PE=IS=2UB=3PK的關系。

3.2應用模糊數學計算基本事件的模糊概率

故障樹中的各個底事件由于國內缺少歷史統計數據而沒法準確計算，所以利用模糊集理論來處理專家判斷基本事件發生的概率，專家在判斷失效概率時，會使用一些表示大小的模糊語言，在輸油管道故障樹基本事件概率的判斷過程中，專家采用的自然語言設為：很小、小、較小、中等、較大、大、很大。研究采用模糊集理論處理這些不確定信息，用三角形模糊數或梯形模糊數代替這些自然語言[9]。設f1～f7分別代表自然語言很小、小、較小、中等、較大、大、很大的隸屬函數，則隸屬函數如下：

對專家的評判意見需進行綜合處理，常用的方法是選用模糊截集，各式的α截集為：Wα=[z1,z2],z1和z2分別代表各α截集的上、下限。上述各式截集的上、下限和α值分別為：

f1α=[z1,z2],z1=0,z2=0.2-0.1α1

f2α=[z1,z2],z1=0.1α2+0.1,z2=0.3-0.1α2

f3α=[z1,z2],z1=0.1α3+0.2,z2=0.5-0.1α3

f4α=[z1,z2],z1=0.1α4+0.4,z2=0.6-0.1α4

f5α=[z1,z2],z1=0.1α5+0.5,z2=0.8-0.1α5

f6α=[z1,z2],z1=0.1α6+0.7,z2=0.9-0.1α6

f7α=[z1,z2],z1=0.1α7+0.8,z2=1

由此可推導出模糊語言對應的模糊數W的關系函數為：

其中，a、b分別代表自然語言模糊數的上下限。注意在計算專家意見總的模糊數的時候，要引進專家權重對其進行修正[10～12]。

在輸油管道中，以占壓為例計算其概率大小。選擇了設計、施工、管理，檢測和維護5個不同領域的專家對其進行評判，專家的意見分別為較小、較小、中等、較小、較小，在α截集下，5位專家意見的總模糊數W為：

f(z)=max[ω1f3∧ω2f3∧ω3f4∧ω4f3∧ω5f3]

=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]

wa=[z1,z2]=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]

則關系函數為：

此關系函數可以用最大模糊集和最小模糊集轉化成模糊可能性值FPS。

最大模糊集為：

最小模糊集：

則模糊數的左、右模糊可能性值分別為：

FPSR(w)=sup(fw(x)∧fmax(x))=0.4674

FPSL(w)=sup(fw(x)∧fmin(x))=0.7016

FPST(w)=(FPSR(w)+1-FPSL(w))/2=0.3829

為了保證確定的失效概率和模糊失效概率之間的一致性，必須把FPS轉化為模糊失效概率：

計算得到k=2.698，從而得到占壓的模糊失效率FFR=0.002004，按照此方法可以得到所有底事件的概率。

4 改善措施

對故障樹進行分析可得引起輸油管道第三方破壞的主要因素有：管道埋深、巡線質量和施工作業和地面活動度[13]。針對以上幾方面提出改善措施如下：

a. 建立管道檔案(技術資料)。包括管道設計資料、施工資料、運行資料、維修資料和檢驗資料5個方面。根據現有的檢測經驗發現油田油氣集輸管道大部分存在資料缺失形象，為此使用單位應在以后的工作中補齊這些資料。

b. 建立巡線管理制度，建立獎懲機制，采用先進的巡線技術，對油田企業相應職工進行法律教育。

c. 完善刑法外加強對團伙作案的法律懲罰力度；增加涉油犯罪正當防衛和自救行為條款，明確油田企業的權利；增加造成經濟損失的追償承擔條款。

d. 做好巡線等運行管理工作。

e. 管道標識齊全且設置醒目。

f. 明確責任，強化管理。立法構建科學管理制，通過立法明確管道沿線地方政府的責任，采用問責制，落實定期安全檢查和群眾舉報。通過油地聯建，相互幫助，達到提高當地居民生活水平的目的，加大對周圍居民的公共財產意識，做好定期全面的宣傳工作。

5 結束語

針對輸油管道第三方破壞的各種因素進行歸納和分析，采用具有直觀、簡明的故障樹分析方法，對輸油管線可靠性進行定性、定量分析，并提出了相應的預防措施，為減少和防范輸油管道第三方破壞的發生提供了指導為管道運行單位、檢測單位、維護單位提供相應的理論依據。

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SafetyAssessmentofThird-partyDamagestoPipelineBasedonFaultTreeAnalysis

WANG Meng1, LI Zi-li1, CHEN Jian-fei2

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.TechnicalTestCenter,ShengliOilfield,Dongying257000,China)

With view to qualitatively and quantitatively analyzing every third-party damage’s impact on the pipeline failure probability, the fault tree analysis (FTA) was adopted and the seeking minimal cut sets as well as the structural importance were applied to identify basic events which affecting the third-party damages; and through combining with hierarchical analysis and fuzzy comprehensive evaluation method, the failure probability of the third-party damages was solved. Studies show that, both depth and quality of patrol line of the third-party damages is the key factor which affecting the pipeline failure; and through establishing a model, a way to quantitatively solve the failure probability can be reached.

oil pipeline, fault tree, hierarchy analysis method, fuzzy mathematics

(Continued from Page 654)

formation wear was derived and the effect of both incidence angel and temperature on the erosion rate was analyzed to show that, when the incidence angle stays around 50°, the GH864 alloy has maximal erosion rate; when the incidence angle ranges from 30° to 50°, the erosion rate of GH864 alloy rises with increase of temperature and then it rises slowly when the temperature exceeds 550℃; and at an incidence angle of 90° and the temperature ranges from room temperature to 400℃, the erosion rate of GH864 alloy keeps stably and at the temperature over 400℃, the erosion rate decreases substantially; the rise in temperature can raise cutting wear but decrease the deformation wear. The variation of flow stress, dynamic hardness and critical strain at different temperatures has great influence on the erosion characteristics.

Keywordsplastic metal, erosion, incidence angel, high temperature, micro-cutting, deformation

*王 孟，女，1990年8月生，碩士研究生。山東省青島市，266580。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)05-0616-07

2016-02-22，

2016-09-05)