顧文婷李 超畢中毅

1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院 （陜西 西安 710054）

基于事故樹(shù)分析法的長(zhǎng)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(xué) 石油化工學(xué)院 （甘肅 蘭州 730050）

2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院 （陜西 西安 710054）

泄漏是長(zhǎng)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(guò)運(yùn)用事故樹(shù)分析法對(duì)長(zhǎng)輸管道泄漏問(wèn)題進(jìn)行定性和定量分析，可以識(shí)別引起長(zhǎng)輸管道泄漏的主要因素。通過(guò)構(gòu)建管道泄漏事故樹(shù)，求解重要度、事故發(fā)生概率和臨界重要度，形成基于事故樹(shù)分析的長(zhǎng)輸管道泄漏因素分析方法，能為更好地實(shí)施長(zhǎng)輸管道安全管理提供重要依據(jù)。

事故樹(shù)分析法 長(zhǎng)輸管道 管道泄漏因素

長(zhǎng)輸管道是指產(chǎn)地、儲(chǔ)存庫(kù)、使用單位之間的用于運(yùn)輸商品介質(zhì)的管道[1]，其中應(yīng)用最為廣泛的是輸油及輸氣管道。在現(xiàn)代油氣集輸生產(chǎn)過(guò)程中，長(zhǎng)輸管道的作用越來(lái)越重要，而因管道泄漏所造成的安全事故和環(huán)境污染也讓企業(yè)蒙受了巨大的損失，因此防范管道泄漏，提高油氣管道運(yùn)輸技術(shù)的安全性、可靠性成為了企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

我國(guó)長(zhǎng)輸管道技術(shù)起步較晚，發(fā)展亦相對(duì)滯后，其安全事故曾多次發(fā)生，尤以管道泄漏問(wèn)題最為嚴(yán)重。例如，四川石油管理局南干線在1971～1990年共發(fā)生108起失效事故，每次事故停輸時(shí)間超過(guò)24h，經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)1億元人民幣，塔里木輪南-庫(kù)爾勒輸油管線在建成后的試壓過(guò)程中還發(fā)生了爆炸和泄漏事故。因此，開(kāi)展長(zhǎng)輸管道安全評(píng)價(jià)工作對(duì)避免事故發(fā)生，消滅事故隱患，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道安全生產(chǎn)有著重要的意義，同時(shí)也為制定防范措施和安全管理提供重要的科學(xué)依據(jù)。目前實(shí)際工作中應(yīng)用最為廣泛的評(píng)價(jià)方法有安全檢查表法、專家評(píng)議法、預(yù)先危險(xiǎn)分析法、故障假設(shè)分析法、事故樹(shù)分析法等，其中事故樹(shù)分析法是從一個(gè)可能的事故開(kāi)始逐層的分析引起事故的觸發(fā)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(guān)系，最后通過(guò)樹(shù)狀圖和特定的符號(hào)將邏輯關(guān)系表示出來(lái)[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(dǎo)致事故發(fā)生的潛在因素，并對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)。事故樹(shù)分析法具有簡(jiǎn)便實(shí)用、表述清晰、靈活性強(qiáng)、分析全面等特點(diǎn)，被經(jīng)常用于航空航天技術(shù)、石油化工企業(yè)等的安全評(píng)價(jià)方面。

事故樹(shù)分析法

事故樹(shù)分析法（Accident Tree Analysis，ATA）起源于故障樹(shù)分析法（FTA），是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。

事故樹(shù)分析由美國(guó)貝爾電話研究所于1961年為研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)而首先提出來(lái)，1974年美國(guó)原子能委員會(huì)運(yùn)用FTA對(duì)核電站事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)表了著名的《拉姆遜報(bào)告》。該報(bào)告有效利用了事故樹(shù)分析法，在社會(huì)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(guó)家和許多企業(yè)應(yīng)用和推廣。我國(guó)開(kāi)展事故樹(shù)分析法的研究是從1978年開(kāi)始的。目前已有很多部門(mén)和企業(yè)正在進(jìn)行普及和推廣工作，并取得了一大批成果，有效地促進(jìn)了企業(yè)的安全生產(chǎn)。

事故樹(shù)分析法首先要確定頂上事件，即所要研究的對(duì)象，其次要調(diào)查導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的所有原因，而后用邏輯門(mén)符號(hào)將各個(gè)基本事件逐層聯(lián)系起來(lái)形成樹(shù)狀圖，最后根據(jù)樹(shù)狀圖進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析從而得出結(jié)論[3]。

用事故樹(shù)描述事故的因果關(guān)系直觀、明了，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，既可定性分析，又可定量分析。通過(guò)計(jì)算最小割集、最小徑集的定性分析確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序可求出危險(xiǎn)因素對(duì)事故影響的程度；通過(guò)定量分析，根據(jù)各危險(xiǎn)因素的概率計(jì)算出事故發(fā)生的概率，從數(shù)量上說(shuō)明是否能滿足預(yù)定目標(biāo)值的要求，從而確定采取措施的重點(diǎn)和輕重緩急順序。

管道泄漏的事故樹(shù)分析

1 導(dǎo)致管道泄漏的原因主要有以下幾個(gè)方面

（1）自然災(zāi)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(zāi)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(yè)以及打破管道偷竊油氣資源。

（3）安裝問(wèn)題。即指在管道安裝施工過(guò)程中的工程質(zhì)量、管道埋深、焊接等問(wèn)題。

（4）設(shè)備故障。主要指管道選材質(zhì)量不過(guò)關(guān)、管道附件質(zhì)量及其由于疲勞工作所造成的設(shè)備損耗等問(wèn)題。

（5）腐蝕及土壤等自然因素問(wèn)題。主要包括陰極保護(hù)和防腐層自身失效、土壤成分等問(wèn)題。

其具體情況見(jiàn)圖1管道泄漏事故樹(shù)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(shù)[6]

表1 長(zhǎng)輸管道泄漏基本事件表

2 定性分析

定性分析[5]，即根據(jù)事故樹(shù)結(jié)構(gòu)圖（圖1）進(jìn)行布爾代數(shù)化簡(jiǎn)，求出最小徑集，確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，基本事件的結(jié)構(gòu)重要度越大，它對(duì)頂上事件的影響程度就越大。

最小徑集的求法是將事故樹(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)偶的成功樹(shù),根據(jù)事故樹(shù)機(jī)構(gòu)圖可得出事故樹(shù)的成功樹(shù)機(jī)構(gòu)函數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算得出27個(gè)最小徑集如下：

式中Ii為基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的近似判斷；N為Xi所在最小徑集Pj中基本事件的個(gè)數(shù)。

根據(jù)事故樹(shù)的最小徑集，可以判斷出各個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：X1、X2、X3存在于27個(gè)徑集中；X4存在于15個(gè)徑集中；X5存在于9個(gè)徑集中；X6存在于15個(gè)徑集中；X7存在于9個(gè)徑集中；X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16存在于27個(gè)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(gè)徑集中，因此需要計(jì)算的結(jié)構(gòu)重要度為：I1、I4、I5、I6、I7、I8、I17、I21、I29。

經(jīng)計(jì)算得出重要度排序：

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)重要度排序得出，引起管道泄漏的因素主要為：自然災(zāi)害（主要為地殼運(yùn)動(dòng)）、腐蝕、管道材質(zhì)、施工原因和第三方破壞。

3 定量分析

定量分析，即依據(jù)各基本事件的發(fā)生概率，求解頂上事件的發(fā)生概率，在求解頂上事件發(fā)生概率的基礎(chǔ)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(fā)生概率采用統(tǒng)計(jì)法或?qū)＜抑饔^判斷法估算。

如果已知基本事件Xi的發(fā)生概率Qi,i=1，2，3，…，34，

頂上事件的發(fā)生概率公式為：

結(jié)構(gòu)重要度分析即在不考慮基本事件的發(fā)生概率或者假定基本事件的發(fā)生概率都相等的情況下，僅從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂上事件發(fā)生的影響程度。

結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的判別式為：

P(T)為頂上事件概率，k為最小徑集個(gè)數(shù)

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(fā)生概率對(duì)某個(gè)基本事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)。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(jì)算概率重要度必須先知道基本事件的發(fā)生概率，而概率重要度卻不能從本質(zhì)上反映各個(gè)基本事件在事故樹(shù)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(biāo)準(zhǔn)。

管道泄漏數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析及對(duì)策

1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)了大量文獻(xiàn)資料的查證，選取如下幾個(gè)數(shù)據(jù)圖表：

CONCAWE（歐洲石油化工協(xié)會(huì)）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(zhǎng)度總體泄漏量在80年代呈逐年下降趨勢(shì)，但是90年代有一個(gè)突然的增長(zhǎng)，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(jìn)行了緊密的合作，建立了歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)庫(kù) （European Gas Pipeline Incident Data Group簡(jiǎn)稱EGIG），大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)，給管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維修提供了幫助[8]，見(jiàn)表2。

1970～2000年，美國(guó)天然氣長(zhǎng)輸及集輸管道共發(fā)生事故8 814次，年平均發(fā)生事故294次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：外部干擾、腐蝕、焊接和材料缺陷、設(shè)備和操作是引發(fā)管道事故的主要原因[8]，見(jiàn)表3。

表2 1970-2001年天然氣管道泄露事故統(tǒng)計(jì)

表3 1985-2000年美國(guó)天然氣管道事故統(tǒng)計(jì)

表4 1969-2003年四川地區(qū)輸氣管道事故統(tǒng)計(jì)

我國(guó)天然氣管道事故以四川地區(qū)最為典型，由于四川地區(qū)大部分輸氣管道已接近或超出服役期，加之早年施工技術(shù)水平及材料問(wèn)題，使得管道的腐蝕問(wèn)題日益凸現(xiàn)。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(yán)重[8]，見(jiàn)表4。

從上述圖表數(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與前文定性分析的結(jié)果一致，說(shuō)明事故樹(shù)分析法在對(duì)長(zhǎng)輸管道的事故分析中，能夠科學(xué)的反映事故原因，為事故調(diào)查和事故預(yù)防提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 分析及對(duì)策

（1）建立應(yīng)急預(yù)案體系，加強(qiáng)安全質(zhì)量管理

長(zhǎng)輸管道從設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該避開(kāi)地殼活動(dòng)較為劇烈的地區(qū)，從而避免在日后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能遭受地震等自然災(zāi)害的破壞，這就要求企業(yè)相關(guān)部門(mén)要預(yù)先制定科學(xué)完備的應(yīng)急預(yù)案體系。建立應(yīng)急預(yù)案體系要遵循科學(xué)實(shí)用、快速高效、操作性強(qiáng)的原則，在自然災(zāi)害發(fā)生的第一時(shí)間上報(bào)情況并迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝和設(shè)備操作不當(dāng)最容易導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏。目前，個(gè)別企業(yè)就存在購(gòu)置管道質(zhì)量不過(guò)關(guān)、違章施工、違章指揮等安全隱患問(wèn)題。相關(guān)部門(mén)應(yīng)按照管道施工作業(yè)技術(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)把施工作業(yè)過(guò)程質(zhì)量關(guān)，明確各級(jí)管理者的責(zé)任，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員嚴(yán)格進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，保證具備相應(yīng)的操作技能，做到持證上崗；按照質(zhì)量管理體系PDCA管理模式，做到“五個(gè)從嚴(yán)”，即從嚴(yán)審核施工技術(shù)方案策劃的確認(rèn)、從嚴(yán)把好施工作業(yè)過(guò)程的運(yùn)行監(jiān)視控制（尤其要特別關(guān)注焊接過(guò)程每道工序的檢測(cè)質(zhì)量關(guān)）、從嚴(yán)進(jìn)行施工作業(yè)結(jié)束后的檢測(cè)和測(cè)量程序、從嚴(yán)糾正和整改施工過(guò)程中不符合工程質(zhì)量要求的問(wèn)題，堅(jiān)持對(duì)管道施工質(zhì)量實(shí)行終身責(zé)任追究制。

（2）加大監(jiān)察力度，嚴(yán)控第三方破壞

近年來(lái)，由于第三方破壞所造成的管道泄漏愈演愈烈，使國(guó)家和企業(yè)遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。在上述分析中，第三方破壞所包含的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排在了第二位。2007年山東電視臺(tái)披露了中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司臨邑濟(jì)南輸油管線周圍居民打孔偷油，偷氣事件。石油化工企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)隊(duì)大多處于偏僻的野外鄉(xiāng)村，長(zhǎng)輸管道鋪設(shè)途徑的地段往往是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐用袷杖肫毡槠?，法律及公共?cái)產(chǎn)保護(hù)意識(shí)薄弱，再加上個(gè)別地方實(shí)施保護(hù)政策，執(zhí)法不嚴(yán)，造成了此類偷竊油氣、破壞管道問(wèn)題屢禁不止。為此，企業(yè)應(yīng)首先加強(qiáng)針對(duì)輸油管線周邊群眾的普法教育，與當(dāng)?shù)卣㈤L(zhǎng)效的合作和協(xié)商溝通機(jī)制，通過(guò)開(kāi)展引進(jìn)幫貧解困項(xiàng)目等措施，解決當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展問(wèn)題；其次加強(qiáng)長(zhǎng)輸管道巡線工作，在管道集輸系統(tǒng)安裝先進(jìn)的報(bào)警裝置，做到全時(shí)段實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控；再次對(duì)于管道警示標(biāo)識(shí)不清晰的地段要及時(shí)采取相應(yīng)措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止在管道上方的各類違章施工行為；最后與當(dāng)?shù)毓矆?zhí)法部門(mén)密切配合，加大監(jiān)察和執(zhí)法力度，嚴(yán)厲打擊偷竊、破壞國(guó)家財(cái)產(chǎn)的違法行為。

（3）加強(qiáng)科學(xué)檢測(cè)，防治管道腐蝕

管道腐蝕包括外腐蝕和內(nèi)腐蝕兩個(gè)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(hù)失效，管材抗蝕性差等。內(nèi)腐蝕主要由油氣中的硫化物酸性介質(zhì)引起。嚴(yán)重腐蝕將導(dǎo)致防腐絕緣涂層失效，管壁減薄，管線穿孔導(dǎo)致管線開(kāi)裂[9]。因此做好長(zhǎng)輸管道埋設(shè)前設(shè)計(jì)方案的審定，要根據(jù)實(shí)地埋設(shè)考察管道途經(jīng)階段的土壤成份狀況，長(zhǎng)輸管道投入使用后，企業(yè)相關(guān)部門(mén)要定期、規(guī)范的進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即解決。檢測(cè)手段要著眼于現(xiàn)代高科技，檢測(cè)人員要切實(shí)履行職責(zé)，提高安全預(yù)防意識(shí)，建立健全質(zhì)量管理、安全監(jiān)督檢查長(zhǎng)效機(jī)制，制定防止管道因腐蝕開(kāi)裂等原因引發(fā)的各類泄漏突發(fā)事件或事故的應(yīng)急處置預(yù)案。

目前，長(zhǎng)輸管道已經(jīng)成為繼鐵路、公路、海運(yùn)、民用航空之后的第五大運(yùn)輸行業(yè)，其輸送介質(zhì)，除常見(jiàn)的石油、天然氣外，還有工業(yè)用氣體如氧氣、CO2等、乙烯、液氨、礦漿、煤漿等介質(zhì)。近年來(lái)，我國(guó)針對(duì)油氣的長(zhǎng)輸管道建設(shè)發(fā)展迅速，但現(xiàn)有大型輸油氣管線總長(zhǎng)不過(guò)3萬(wàn)km，僅占全世界油氣管線的1/100。專家預(yù)計(jì)，未來(lái)10年我國(guó)將實(shí)現(xiàn)汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道進(jìn)行輸送。要完成上述目標(biāo)，平均每年都要新建2萬(wàn)km的管線，因此，我國(guó)油氣管道建設(shè)將會(huì)迎來(lái)新的高潮，這同時(shí)也加重了輸油氣管道的質(zhì)量和安全工作負(fù)擔(dān)，保證長(zhǎng)輸管線的安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)就是保證了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)平穩(wěn)、健康、快速的發(fā)展。

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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(guò)程重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)及評(píng)價(jià)。

2010-03-29