液化天然氣(LNG)輸送管道故障樹分析

常 攀，張 毅

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

天然氣是一種清潔、高效、環(huán)保、方便的能源，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用等多個(gè)領(lǐng)域，對于提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高環(huán)境質(zhì)量具有日趨重要的作用。液化天然氣長輸管道目前多用于城市調(diào)峰裝置和油輪裝卸設(shè)施上[1]，采用低溫管線長距離輸送LNG的實(shí)例較少。液化天然氣管道在運(yùn)行過程中易受LNG氣化、腐蝕、材料缺陷等因素影響導(dǎo)致失效，直接影響管道的使用壽命。因此通過對液化天然氣管道進(jìn)行分析，查找失效的主要形式和機(jī)理，可以采取針對性的措施提高管道的可靠性。

1 故障樹分析方法介紹

故障樹分析(Failure Tree Analysis簡稱FTA)是一種推理演繹方法[2]，采用專門的邏輯關(guān)系符號(hào)來表示事件之間的邏輯和因果關(guān)系，根據(jù)基本事件來顯示系統(tǒng)的整體狀態(tài)。該方法首先要求把可能發(fā)生的故障事件設(shè)置為故障樹頂事件，然后通過對導(dǎo)致故障可能發(fā)生的各因素(包括周邊環(huán)境、條件、人為因素等)進(jìn)行調(diào)查研究；采用規(guī)定的邏輯符號(hào)，依據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)自上而下逐層劃分，分析造成頂事件發(fā)生的所有原因和邏輯關(guān)系。從而確定故障原因和發(fā)生概率，提出對應(yīng)的改進(jìn)措施，確保系統(tǒng)的可靠性。

圖1 故障樹示意圖

故障樹分析法一般按以下步驟進(jìn)行：

1.1 分析系統(tǒng)的確定

采用安全分析的方法，處理該系統(tǒng)的外界環(huán)境和邊界條件，明確系統(tǒng)分析的范圍及影響其安全的主要因素。

1.2 系統(tǒng)分析

深入調(diào)查將要分析的系統(tǒng)并搜集有關(guān)內(nèi)容，包括性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、流程、運(yùn)行條件、故障類別、環(huán)境及周邊因素等。

1.3 查閱已發(fā)生的故障類型

調(diào)查并分析該系統(tǒng)、國內(nèi)外同類型之前發(fā)生過的所有故障和以后可能會(huì)發(fā)生的所有故障。

1.4 確定故障樹頂事件

根據(jù)系統(tǒng)調(diào)查情況確定頂事件，即分析由該故障造成的損失情況、故障發(fā)生的概率，把發(fā)生頻率高且后果較嚴(yán)重的故障類型設(shè)定為頂事件。

1.5 分析與頂事件關(guān)聯(lián)的所有原因事件

從人、機(jī)、料、法、環(huán)境等方面深入調(diào)查導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有原因，確定造成故障發(fā)生的主要原因并對損失情況進(jìn)行分析。

1.6 編制故障樹

根據(jù)事件之間的邏輯關(guān)系，采用規(guī)定邏輯符號(hào)，把故障樹頂事件與導(dǎo)致故障發(fā)生的基本原因事件，層層分解，繪制樹狀結(jié)構(gòu)圖。

1.7 定性分析

對已繪制完成的故障樹，求取最小割集或最小徑集、及基本事件結(jié)構(gòu)重要度。通過對最小割集、最小徑集和基本事件結(jié)構(gòu)重要度的分析，確定預(yù)防故障發(fā)生的控制措施。

1.8 定量分析

依據(jù)計(jì)算出的基本事件概率，計(jì)算頂事件發(fā)生概率、基本事件關(guān)聯(lián)重要度和概率重要度。根據(jù)計(jì)算和分析結(jié)果，確定故障可能造成的危害程度，提出控制措施，為安全措施的投入提供依據(jù)。

1.9 分析結(jié)果的應(yīng)用

對故障樹定性分析和定量分析的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)評(píng)估，提出具體的改進(jìn)和預(yù)防措施，整理分析的全部過程資料，對分析結(jié)果進(jìn)行綜合利用，為安全設(shè)施設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)工作提供系統(tǒng)性的參考依據(jù)[2]。

2 輸氣管道故障樹的建立

表1 導(dǎo)致液化天然氣管道失效的基本事件

圖2 管道失效故障樹示意圖

依據(jù)選取的故障樹頂事件確定原則，選取“長距離輸氣管道失效”作為故障樹頂事件[3]，造成該頂事件發(fā)生的直接原因是管道破壞和泄漏，因此選擇這兩個(gè)事件作為次頂事件。以此類推繼續(xù)分析至基本事件為止。圖2為液化天然氣管道失效故障樹示意圖，該故障樹由經(jīng)過簡化的系統(tǒng)最小割集構(gòu)成，共考慮54個(gè)基本事件，其中X1，X2…..Xn為基本事件符號(hào)。

3 輸氣管道失效故障樹分析

3.1 故障樹定性分析

為了確定故障樹的最小割集，要將故障樹轉(zhuǎn)化為等效的布爾方程，利用該方法求得管道失效故障樹的最小割集如表2所示。

由表2可得，該故障樹的最小割集數(shù)量為55個(gè)，其中一階割集28個(gè)，三階割集4個(gè)，四階割集22個(gè)，一階割集數(shù)量占最小割集總數(shù)的52.7%；故障樹或門有20個(gè)，與門有5個(gè)，或門占邏輯門總數(shù)的80%，可以看出該管道失效的路徑較多，危險(xiǎn)性較大。其中一階最小割集的主要危險(xiǎn)有第三方破壞、材料缺陷和管線溫度升高。

表2 管道失效故障樹的最小割集

表2(續(xù))

3.2 定量分析

故障樹定量分析包括頂事件發(fā)生概率和基本事件結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算。

3.2.1 計(jì)算頂事件發(fā)生概率

選擇最小割集的方法計(jì)算頂事件發(fā)生概率，采用最小割集等效故障樹來表示。本文分析的故障樹含55個(gè)最小割集，分別用E1、E2、E3……、E55來表示，則頂事件 可用公式(1)表示:

(1)

頂事件發(fā)生概率表示為：

(2)

由容斥定理得頂事件概率計(jì)算公式：

(3)

設(shè)基本事件X1、X2、X3、……X55的發(fā)生概率分別為：χ1、χ2、χ3……χ55，則有：

(4)

(5)

(6)

式中r、s、m為最小割集序數(shù)，r

Xi?ErUEs表示第r個(gè)或第s個(gè)最小割集的第i個(gè)基本事件。

將基本事件發(fā)生概率帶入上式，可計(jì)算管道失效故障率，根據(jù)發(fā)生故障的管線實(shí)際情況與規(guī)范上允許的失效概率進(jìn)行比較，對于失效概率大于允許值的管道，應(yīng)采取必要的安全措施將失效概率低于允許值[4]。

3.2.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

采用基本事件最小割集或最小徑集結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大小順序的方法，來判斷確定基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。

假設(shè)最小割集有k個(gè)，每個(gè)最小割集記為Er(r=1、2、3、……k)，則1/k表示單個(gè)最小割集的重要度系數(shù)；則第r個(gè)最小割集Er中含有mr(Xi?Er)個(gè)基本事件，1/mr代表基本事件Xi的單位割集重要度系數(shù)，該事件Xi的割集重要度系數(shù)設(shè)定為Ik(i)，則：

(7)

應(yīng)采用式(8)近似計(jì)算后進(jìn)行比較。

(8)

式中I(i)-表示基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)近似判斷值；

ni-表示基本事件Xi所屬最小割集所含的基本事件數(shù)量。

通過式(8)計(jì)算可得到管道失效故障樹的各基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)的近似判斷值，見表3。

表3 基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)近似判斷值

表3(續(xù))

由表3可知，造成液化天然氣管道故障的各基本事件結(jié)構(gòu)重要度關(guān)系為：I44=I39>I30>I32=I31>I1～I(xiàn)13=I18～I(xiàn)29>I14～I(xiàn)17，由此可知基本事件X39和X44的發(fā)生對該管道失效影響最大，然后是事件X31，故以在進(jìn)行管道失效預(yù)防時(shí)，應(yīng)著重考慮三個(gè)基本事件[5]。

4 結(jié)論

通過故障樹分析法對液化天然氣管道失效進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致液化天然氣輸送管道失效的主要因素有：

(1)溫度升高，LNG氣化。在設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少閥門，操作時(shí)避免產(chǎn)生封閉管道，致使液體積聚后隨溫度升高而膨脹造成壓力升高；同時(shí)選擇好直接與LNG接觸不發(fā)生脆裂的低溫管道材料，在管道安裝過程中做好焊縫處理和保冷措施。

(2)第三方破壞。應(yīng)在LNG輸送管道的沿線設(shè)立“危險(xiǎn)”“禁止靠近”等明顯的標(biāo)志，說明管線被破壞后的危險(xiǎn)性；在新建輸氣管線選址時(shí)，盡可能的避開自然災(zāi)害較為嚴(yán)重的地段。

(3)腐蝕，包括內(nèi)腐蝕、外腐蝕和應(yīng)力腐蝕。內(nèi)腐蝕原因包括氣體管道內(nèi)水份含量高、介質(zhì)內(nèi)含腐蝕性介質(zhì)、緩蝕劑失效等；外腐蝕主要包括管線陰極保護(hù)失效、絕緣層老化、土質(zhì)腐蝕性強(qiáng)；應(yīng)力腐蝕主要考慮管線施工、安裝不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生的拉應(yīng)力腐蝕。抗腐蝕上，要盡量減少輸氣管線內(nèi)水分含量，強(qiáng)化管線陰極防護(hù)，保證涂層質(zhì)量符合規(guī)范要求，在施工過程中采取相應(yīng)措施盡可能避免產(chǎn)生拉向應(yīng)力。

(4)設(shè)計(jì)和操作缺陷。管線材料設(shè)計(jì)時(shí)的選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量的管控、運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)的管理上，要按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、操作規(guī)程等嚴(yán)格執(zhí)行。

(5)材料缺陷，主要指管材的初始缺陷。一旦選用不符合設(shè)計(jì)要求的耐低溫管材，會(huì)導(dǎo)致管道整體強(qiáng)度降低，直接影響運(yùn)行的可靠性。所以在材料的選擇、質(zhì)量檢驗(yàn)上要嚴(yán)格管理。

根據(jù)輸送LNG管道故障樹的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)采用故障樹法對LNG輸送管線失效進(jìn)行分析，簡潔、直觀，行之有效。

(2)LNG管道失效故障樹設(shè)置的基本事件有54個(gè)，計(jì)算出了55個(gè)最小割集，指出了在管線設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)等方面的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)通過對最小割集的計(jì)算，得出了液化天然氣輸送管道故障發(fā)生的概率，計(jì)算出了該管線失效的基本事件重要度。

(4)通過故障樹分析，確定了造成LNG輸氣管線失效的主要因素為：溫度升高導(dǎo)致大部分LNG氣化、腐蝕因素引起泄漏、設(shè)計(jì)和施工缺陷、誤操作、第三方破壞等，并對上述因素提出了控制措施。

[1]梁光川，鄭云萍，李又綠，等.液化天然氣(LNG)長距離管道輸送技術(shù)[J].天然氣與石油，2003,21(2):8-10.

[2]謝振華.安全系統(tǒng)工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3]張景林，崔國章.安全系統(tǒng)工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[4]潘家華.油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)分析(續(xù)一)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1995,14(5):3-10.

[5]董玉華，高惠臨，周敬恩，等.長輸管線失效狀況模糊故障樹分析方法[J].石油學(xué)報(bào)，2002，23(7)：85-89.

(本文文獻(xiàn)格式：常攀，張毅.液化天然氣(LNG)輸送管道故障樹分析[J].山東化工,2018,47(7):116-119.)