油气管道的故障树分析方法

1、故障树的概念

故障树分析是一种逻辑演绎分析工具,用于分析所有事故的现象、原因和结果的事件以及它们的组合,从而找到避免或减少事故发生的措施。故障树本身就是一些故障的各种并联合顺序组合的图示模式,描述了故障树顶事件与基本事件的内在联系。故障树本身只是一个定性模型,但它可以有效地表示风险产生的逻辑关系。在风险评价中,通过对故障树进行分析,结合事故数据统计、模拟试验及专家意见,可以得出风险的定性模型。

油气管道系统故障树分析可分为以下三个阶段:1)故障树的编制阶段即定性分析阶段;2)故障树的量化阶段,即根据管道系统设备故障率和作业人员的事故发生率计算管道事故发生的概率;3)当计算结果超过目标值时,制订管道事故预防措施。

故障树分析是对既定的生产系统或作业中可能出现的事故条件及可能导致的灾害后果,按工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图,表示导致灾害、伤害事故的各种因素间的逻辑关系。它由输入符号或关系符号组成,用以分析系统的安全问题或系统的运行功能问题,为判明灾害、伤害的发生途径及事故因素之间的关系,故障树分析法提供了一种最形象、最简洁的表达形式。

故障树分析的基本程序如下:

(1)熟悉系统:要详细了解系统状态及各种参数,绘出工艺流程图或布置图。

(2)调查事故:收集事故案例,进行事故统计,设想给定系统可能发生的事故。

(3)确定顶上事件:要分析的对象即为顶上事件。对所调查的事故进行全面分析,从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。

(4)确定目标值: 根据经验教训和事故案例,经统计分析后,求解事故发生的概率,以此作为要控制的事故目标值。

(5)调查原因事件:调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。

(6)画出故障树:从顶上事件起,逐级找出直接原因的事件,直至所要分析的深度,按其逻辑关系,画出故障树。

设为底事件i在时刻t所处的状态。如果底事件i在时刻t发生,则 =1;如果底事件i在时刻t不发生,则=0。底事件i在时刻t发生的概率等于随机事件 的期望值,因此有:

同理,顶事件的状态必然是底事件向量X(t)= 的函数,设 为描述顶事件的随机变量,则顶事件在时刻t发生的概率 等于:

=

故障树的结构函数可用最小割集进行有效描述,其结构函数一般分为或门(or)和与门(and)两种,分别由下式表示:

故障树图是一种逻辑因果关系图,它根据元部件状态(基本事件)来显示系统的状态(顶事件)。一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系,它用图形化”模型”路径的方法,使一个系统能导致一个可预知的,不可预知的故障事件(失效),路径的交叉处的事件和状态,用标准的逻辑符号(与,或等等)表示。

2、 建立油田油气集输管道风险分析故障树[3][4]

采用故障树方法对油气管道进行风险分析[2],[5],首先必须确定导致管道失效的主要原因,而导致油气管道失效的主要因素主要有以下几种:

(1)第三方破坏:第三方破坏表示非管道职工所作的对管道系统的任何损坏或活动,是外部干扰的主要形式。我国由于现在自由开发以及由于开挖导致的管道事故风险有所增加。尤其近几年来,在油气管道上打孔偷油偷气的事件屡有发生,有些造成重大事故。究其原因,与法律的健全和实施力度、人们对管道法规和管道安全的了解、周边经济水平、以及政府的干预等因素都有很大关系。

(2)腐蚀:腐蚀[1]包括外腐蚀和内腐蚀两个方面。外腐蚀主要影响因素是土壤腐蚀、防腐绝缘涂层失效、阴极保护失效、管材抗蚀性差等。内腐蚀主要由天然气中的硫化物酸性介质引起。严重腐蚀将导致防腐绝缘涂层失效、管壁减薄、管线穿孔、甚至发生管线开裂。

(3)管材缺陷,包括管材初始缺陷和安装缺陷.初始缺陷主要是由于管材制造加工、运输不当造成的,如管道薄厚不均、椭圆度差等。而安装缺陷是在管段的安装施工过程中形成,如防腐绝缘涂层质量差、特别是焊接水平和焊接质量差。管材缺陷的存在将直接导致管线整体强度的降低、为管线腐蚀的发生提供条件,直接影响着管线运行的可靠性。应加强对管材质量检查、提高制造工艺水平。建立严格的施工质量检测制度,选择合适的焊接工艺。

(5)自然灾害,自然灾害的发生均直接对管道的破坏基本上都是毁坏性的。一旦自然灾害发生,都可能导致油气管道断裂,引发火灾、喷射物引起破坏等大型事故,不但造成巨大的经济损失,而且会严重污染环境。因此要加强对自然灾害的预测,并做好防备。

很明显,第三方破坏和腐蚀破坏是油气管道的主要失效影响因素,但设计、误操作、自然灾害以及相关人员的责任心等不确定因素也不可忽视。另外,还可以看出管子的抗蚀能力、巡线、法律规则的制约、腐蚀检测、管子制造监督及施工监督等都对管道风险起到很大的控制作用,在我们制定风险降低策略时也应该考虑这些方面。