基于事故樹分析的管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別與控制

韓 軍，王 蕊，張益銘，王亞龍

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

基于事故樹分析的管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別與控制

韓 軍，王 蕊，張益銘，王亞龍

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

風(fēng)險(xiǎn)因素識別和風(fēng)險(xiǎn)控制是管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了尋求最經(jīng)濟(jì)、有效的管道風(fēng)險(xiǎn)控制方案，應(yīng)用事故樹分析方法，通過建立管道第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)事故樹模型，基于事故樹分析確定管道是否存在第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)，并給出經(jīng)濟(jì)、有效的管道風(fēng)險(xiǎn)控制對策，從而簡化管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，并使得管道風(fēng)險(xiǎn)控制方案的制定更加科學(xué)系統(tǒng)。

第三方損傷；管道；事故樹；風(fēng)險(xiǎn)因素識別；風(fēng)險(xiǎn)控制

0 引 言

由于穿越地區(qū)廣、地形復(fù)雜，管道在運(yùn)行過程中受到腐蝕、第三方破壞等各種因素的影響，導(dǎo)致管道時(shí)常發(fā)生失效事故。為了有效預(yù)防管道事故，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性方面的要求，管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)在管道完整性管理中得到了重要的應(yīng)用。管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)中，管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別和風(fēng)險(xiǎn)控制是兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

風(fēng)險(xiǎn)因素識別，即對特定系統(tǒng)的危險(xiǎn)進(jìn)行定義，并尋找全部危險(xiǎn)事件。根據(jù)收集的資料和分析人員的衡量，采用有效的方法對系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，找出風(fēng)險(xiǎn)的影響因素。這不僅是對管道風(fēng)險(xiǎn)的全面認(rèn)識，也是建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的基礎(chǔ)。根據(jù)識別出的管道風(fēng)險(xiǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)影響因素之間的關(guān)系，就能建立相應(yīng)的評價(jià)模型。

風(fēng)險(xiǎn)控制也稱風(fēng)險(xiǎn)決策，是安全生產(chǎn)保證體系中的一種手段，其目的是消除和控制危險(xiǎn)源，是落實(shí)“預(yù)防為主”方針的具體方法。風(fēng)險(xiǎn)控制針對管道系統(tǒng)中需要解決的特定風(fēng)險(xiǎn)問題，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識和風(fēng)險(xiǎn)管理方面的理論與方法，提出各種風(fēng)險(xiǎn)解決方案，經(jīng)過分析論證與評價(jià)，從中選擇最優(yōu)(滿意)方案并予以實(shí)施的過程。

目前在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)研究較多，也取得了一定的成果，但還存在以下兩個(gè)方面的問題：一是風(fēng)險(xiǎn)因素識別所需的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)的收集需要投入較大的人力物力。另一方面，風(fēng)險(xiǎn)控制措施制定上以主觀判斷為主，缺乏系統(tǒng)性的控制方案確定方法，使得風(fēng)險(xiǎn)控制措施的效果受到影響。本文采用事故樹的分析方法，針對管道失效的風(fēng)險(xiǎn)因素，通過初步的數(shù)據(jù)收集，首先判斷管道是否存在該風(fēng)險(xiǎn)，這樣可以排除風(fēng)險(xiǎn)較小的風(fēng)險(xiǎn)因素，減少后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)因素識別和評價(jià)的工作量。同時(shí)根據(jù)事故樹的分析方法，找出該風(fēng)險(xiǎn)的控制方案，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和可行性，可以有效指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)控制方案的制定。

1 事故樹分析方法原理

事故樹分析法(FTA-Fault Tree Analysis)是屬于系統(tǒng)工程中圖論的范疇，由故障樹演化而來[1]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖(事故樹)，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式和發(fā)生概率，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，是提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。事故樹分析法是一種圖形演繹法，是事故事件在一定條件下的邏輯推理方法。事故樹分析方法把系統(tǒng)不希望出現(xiàn)的事件作為事故樹的頂事件，用規(guī)定的邏輯符號自上而下分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的直接因素及其相互間的邏輯關(guān)系，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即事故樹的基本事件為止。事故樹的分析包括定性分析和定量分析兩部分，其最終目的不完全是為了得到頂事件的發(fā)生概率，更重要的是通過事故樹分析找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為分析事故原因和制定預(yù)防措施提供依據(jù)[2]。

事故樹的最小割集是指引起頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，表征了系統(tǒng)的失效途徑，可通過布爾代數(shù)簡化或行列式法得到。最小徑集是指不引起頂上事件發(fā)生的最低限度基本事件的集合，表征了事故的最佳預(yù)防措施與途徑。通常將事故樹中的“與門”和“或門”互換后得到“成功樹”，借助“成功樹”的最小割集間接得到事故樹的最小徑集。以下以第三方損傷為例，通過事故樹的最小割集、最小徑集分析和邏輯運(yùn)算，介紹管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別和風(fēng)險(xiǎn)控制方案制定的方法[3,4]。

2 第三方損傷管道風(fēng)險(xiǎn)控制方法的構(gòu)建

2.1 第三方損傷影響事故樹模型的構(gòu)建

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種建設(shè)活動(dòng)導(dǎo)致的管道事故風(fēng)險(xiǎn)有所增加。這與法律的健全和實(shí)施力度、人們對管道法規(guī)和管道安全的了解、周邊經(jīng)濟(jì)水平、以及政府的干預(yù)等因素都有很大關(guān)系。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于線路標(biāo)志和巡線等因素，發(fā)生農(nóng)耕破壞管道的事故。在管道上方的違章建筑物，在管道上方進(jìn)行違章施工，以及水流對管溝、管道的長期沖刷，管道附近土層的運(yùn)移等都可能直接導(dǎo)致管線失效。管道發(fā)生第三方損傷事故主要取決于管道沿線挖掘活動(dòng)情況、管道管理上的預(yù)防措施和管道自身保護(hù)措施等三個(gè)方面，以第三方損傷為頂事件，構(gòu)建管道第三方損傷事故數(shù)模型，如圖1所示[5-11]。

圖1 第三方損傷事故樹

2.2 最小割集

根據(jù)圖1的事故樹，計(jì)算第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)事故樹的最小割集，計(jì)算結(jié)果見表1。

硫酸根的理論塔板數(shù)為8 974，鈉離子與硫酸根的分離度為3.01，后相鄰雜質(zhì)與鈉離子的分離度為2.55。

表1 第三方損傷事故樹最小割集

根據(jù)表1所示的結(jié)果，第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)最小割集數(shù)量為8個(gè)。如果每個(gè)割集中的基本事件都發(fā)生的話，那么管道將發(fā)生第三方損傷事故。

2.3 第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)因素的定性判定

采用事故樹，可以在粗略的數(shù)據(jù)收集和了解實(shí)際情況的管道管理人員主觀判斷下，分析管道是否存在某一種風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步簡化風(fēng)險(xiǎn)因素的判斷，根據(jù)上述割集建立如式(1)的關(guān)系式，在第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)分析中，管道管理人員根據(jù)事故樹中的基本事件在管道中是否存在，通過式(1)進(jìn)行計(jì)算。如果存在，則該事件取值為1，如果不存在，則該事件取值為0。

PRisk=X1+X9+X2+X8+X3+(X4+X5)*(X6+X7)+X10*X11

(1)

該公式代表了事故樹的邏輯關(guān)系，如果計(jì)算結(jié)果為1，表明管道存在第三方損傷的風(fēng)險(xiǎn)，那就應(yīng)按照風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的要求進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)，對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。如果計(jì)算結(jié)果為0，則表示管道基本不存在該風(fēng)險(xiǎn)，可不用進(jìn)一步評估。

在判斷第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)是否存在時(shí)，需要對管道沿線標(biāo)記情況、管道巡線情況、運(yùn)營公司對挖掘活動(dòng)的響應(yīng)情況進(jìn)行調(diào)查分析。第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)因素識別方法、數(shù)據(jù)需求及來源見表2。

表2 第三方損傷因素識別數(shù)據(jù)需求及來源

3 第三方損傷管道風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 最小徑集分析

表3 第三方損傷事故樹最小徑集

3.2 第三方損傷控制對策

根據(jù)最小徑集的分析，第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)的控制可分為兩個(gè)對策，二者的區(qū)別在于按照對策一，是要在巡線過程中發(fā)現(xiàn)挖掘活動(dòng)，且保證挖掘活動(dòng)全部被發(fā)現(xiàn)。按照對策二，則是要增加管道標(biāo)識，保證第三方在施工過程中能夠發(fā)現(xiàn)標(biāo)識，明確地表下方的管道位置并知道施工所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

管道運(yùn)營方應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，按照上述的管道第三方損傷控制對策，選擇合適的某一對策或者多種對策的組合，從而更有效的控制第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)最小割集的分析，第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)的控制可分為管道沿線標(biāo)識、巡線管理、公眾教育等。此外，為保護(hù)管道免受地面作業(yè)(如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通)的影響，還可以通過增加埋深來降低第三方損傷的風(fēng)險(xiǎn)。在管道穿越地段或其它特殊地段，可以采取在鋼管外加設(shè)鋼筋混凝土涂層或加鋼套，均對減少第三方損傷有利，可視同增加埋深，對管道沿線經(jīng)常發(fā)生意外活動(dòng)的區(qū)段，也可以增加套管保護(hù)措施。

4 結(jié) 論

通過事故樹分析方法開展管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別與控制研究，依據(jù)研究成果，得出如下結(jié)論：

1)建立了管道第三方損傷事故樹模型，針對該模型進(jìn)行管道第三方損傷風(fēng)險(xiǎn)因素識別并制定風(fēng)險(xiǎn)控制方案。

2)通過第三方損傷事故樹的定性分析，求出最小割集，識別出管道第三方損傷的主要影響因素，形成管道風(fēng)險(xiǎn)因素識別方法。

3)依據(jù)事故樹的最小徑集分析，提出風(fēng)險(xiǎn)控制選擇方案，并針對各失效因素制定出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。

4)本文的研究成果有利于管道管理者在有限風(fēng)險(xiǎn)控制投入的情況下，取得更好的風(fēng)險(xiǎn)控制效果。

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Identification and Control of Pipeline Risk Factor Based on Fault Tree Analysis

HAN Jun, WANG Rui, ZHANG Yiming,WANG Yalong

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The risk factor identification and its control are two important points during the risk assessment for pipeline. In order to find an economical-efficient risk control way for the pipeline, the third-party damage risk model is founded based on the fault tree analysis method. Through the fault tree analysis, the third-party damage risk is determined, and an economical-efficient risk control program is provided. The results show that the risk assessment process is simplified by using the fault tree analysis method for the pipeline, and the control program is more scientific and systematic.

third-party damage; pipeline; fault tree analysis; risk factor identification; risk control

韓 軍，男，1980年生，工程師，2011年畢業(yè)于西安石油大學(xué)材料工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油管全尺寸實(shí)物實(shí)驗(yàn)評價(jià)工作。E-mail：hanjun005@cnpc.com.cn

TE973

A

2096-0077(2017)03-0078-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.017

2016-12-02 編輯：葛明君)