川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹分析

曹 斌 廖柯熹 吳 瑕

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹分析

曹 斌 廖柯熹 吳 瑕

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

第三方破壞是引起輸氣管道失效的主要因素之一，直接影響輸氣管道的可靠性和使用壽命。針對川渝地區(qū)引起輸氣管道第三方破壞的各個因素進行系統(tǒng)分析，建立了以第三方破壞致使輸氣管道失效為頂事件的輸氣管道第三方破壞故障樹。通過對輸氣管道第三方破壞故障樹的分析，得到了故障樹的各階最小割集和引起川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的主要因素，并提出了相應(yīng)措施以預(yù)防輸氣管道遭到第三方破壞。

川渝地區(qū) 輸氣管道 第三方破壞 故障樹分析

國內(nèi)外在管道第三方破壞風(fēng)險因素的界定范圍上存在一定區(qū)別，國外油氣管道第三方破壞界定在人為非故意破壞和自然災(zāi)害破壞范圍內(nèi)，人為故意破壞不在此范圍內(nèi)。與國外相比，國內(nèi)油氣管道第三方破壞的范圍是界定在人及其生產(chǎn)活動的破壞行為和自然災(zāi)害上，既包括人為故意破壞，又包括人為非故意破壞。本文針對川渝地區(qū)輸氣管道的敷設(shè)特征，并結(jié)合川渝地區(qū)的具體情況，采用后者的界定方法進行研究。因此，將“川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞”定義為由于非管道員工的行為而造成的所有管道意外傷害[1]。第三方破壞風(fēng)險因素包括人為第三方破壞因素和自然第三方破壞因素。

第三方破壞是危害管道安全平穩(wěn)運行的重要危險源,也是管道失效的主要誘發(fā)因素之一。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，管道第三方破壞已成為管道失效的主要形式。比如，歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)庫資料表明：50.52%的輸氣管道事故由外部干擾造成[2]；據(jù)我國川渝地區(qū)管網(wǎng)失效統(tǒng)計表明，1969～1990年期間，四川地區(qū)輸氣干線發(fā)生事故原因中，第三方破壞占14.2%，但2000年后，其在川渝地區(qū)所轄的7個作業(yè)區(qū)中第三方破壞導(dǎo)致輸氣管線發(fā)生事故的比率已經(jīng)上升到52.9%。由此可見，管道的第三方破壞已上升為川渝地區(qū)輸氣管道失效的最主要原因，所以非常有必要對川渝地區(qū)輸氣管道的第三方破壞進行研究分析，以確保輸氣管道安全、平穩(wěn)、高效運行。

1 故障樹分析方法[3]

故障樹分析方法是從分析失效因果關(guān)系中的頂事件開始直到底事件，由果到因，自上而下進行。一個故障樹就是一個邏輯圖，該邏輯圖描繪了事件之間發(fā)生的次序。

設(shè)xi(t)為底事件i在時刻t所處的狀態(tài)。如果底事件i在時刻t發(fā)生，xi(t)=1；如果底事件i在時刻t不發(fā)生，則xi(t)=0。底事件i在時刻t發(fā)生的概率等于隨機事件xi的期望值，因而有：

同理，頂事件的狀態(tài)必然是底事件向量X(t)={x1(t),x2(t),…,xn(t)}的函數(shù)，設(shè)Y為描述頂事件的隨機變量，則頂事件在時刻t發(fā)生的概率pY為：

故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可用最小割集進行有效描述，其結(jié)構(gòu)函數(shù)一般分為或門、與門兩種，分別由式（3）、式（4）表示：

天然氣管線的失效故障樹分析就是要找出天然氣管線失效故障樹的最小割集,，對導(dǎo)致管線發(fā)生失效的各因素進行分析。

2 第三方破壞故障樹的建立

對于川渝地區(qū)輸氣管道，根據(jù)第三方破壞故障樹建立時頂事件的確定原則，選取“第三方破壞致使輸氣管道失效”作為頂事件。考慮到川渝地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，自然災(zāi)害極易造成管道失效，如滑坡、泥石流、地震等，所以將人為第三方破壞因素和自然第三方破壞因素作為次頂事件。然后對相應(yīng)的原因進行分析，建立以邏輯門符號表示的川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞故障樹，如圖1所示。圖1中各符號代表的相應(yīng)事件見表1。

3 第三方破壞故障樹分析

3.1 最小割集

凡是能導(dǎo)致故障樹頂事件發(fā)生的基本事件的集合定義為割集，而最小割集指在系統(tǒng)沒有其他割集發(fā)生的條件下，只有割集中基本事件同時發(fā)生，頂事件才發(fā)生；割集中任一基本事件不發(fā)生，則頂事件不發(fā)生。采用“自上而下”的代換方法求出故障樹的所有最小割集,將故障樹轉(zhuǎn)化為等效的布爾代數(shù)方程[3]，如下：

表1 輸氣管道第三方破壞故障樹事件表

由式（5）可知，輸氣管道第三方破壞故障樹由175個最小割集組成，其中有6個一階最小割集，144個二階最小割集，1個三階最小割集，24個四階最小割集。6個一階最小割集直接影響系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。另外，在各階最小割集中重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)很多的基本事件也是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該加以詳細分析。

3.2 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度分析是從故障樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要程度，即在不考慮各基本事件的發(fā)生概率或假定其發(fā)生概率都相等的情況下，分析各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生所帶來的影響程度。可采用如下兩種方法進行分析[4]：一種是計算結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，以系數(shù)大小來排列各基本事件的重要順序；另一種是利用最小割集或最小徑集來判斷系數(shù)的大小以排出順序。本文采用最小割集判斷系數(shù)的方法對基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進行排序[5]，即

式中I(xi) —基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度大小的近似判別值；

xi∈Kj—基本事件xi屬于最小割集Kj；

ni—基本事件xi所在最小割集Kj包含的基本事件個數(shù)。

運用該式對輸氣管道第三方破壞故障樹的各個基本事件結(jié)構(gòu)重要度進行計算。各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度大小排序如下：

4 川渝地區(qū)第三方破壞主要因素及預(yù)防措施

對故障樹和基本事件結(jié)構(gòu)重要度進行分析可得引起川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的主要因素有：自然災(zāi)害、管道自身條件、公眾教育和法制觀念、施工作業(yè)以及地面活動度。

4.1 自然災(zāi)害發(fā)生頻繁

川渝地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，管道沿線時有滑坡、泥石流、塌方甚至地震發(fā)生。對這種路段的管線就應(yīng)當加強保護措施，加固管線，必要時也需要進行改線以消除隱患。對沿線可能遭受洪水的管道要加強水工保護，做好防洪工作。

4.2 管道自身條件欠缺

川渝地區(qū)輸氣管道覆蓋層的深度一般小于0.8～ 1m，必要的時候應(yīng)增加最小埋深，以保護管道免遭第三方破壞。對一些公路及施工便道穿越管段應(yīng)采用套管或水泥涵洞加以保護。

4.3 公眾教育和法制觀念薄弱

管道公司通過發(fā)布公告、開展公眾教育和媒體宣傳等手段，加強與管道毗鄰居民地經(jīng)常性溝通，甚至通過適當?shù)募畲胧蕴岣吖姳Ｗo管道的意識，使他們成為管道的保護者，這樣做可以大大減少第三方破壞事件的發(fā)生[7]。

4.4 施工作業(yè)損傷

隨著我國西部大開發(fā)政策的不斷推進，川渝地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展速度逐漸加快，施工建設(shè)力度很大，對沿線輸氣管道安全運行造成嚴重影響，需要管道公司及時與當?shù)卣块T和施工單位進行溝通，加強對管道的保護力度。

4.5 地面活動程度高

管道失效是一種區(qū)域性概率，它受管道附近活動程度的強烈影響。而川渝地區(qū)人口密度大，管道所在地區(qū)的等級往往都比較高，活動強度比較大，所以平時應(yīng)該加強這些區(qū)段的監(jiān)控力度，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即處理并上報。

5 結(jié) 論

針對川渝地區(qū)輸氣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，對輸氣管線可靠性進行定性分析。建立了川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞失效故障樹，該故障樹一共考慮了39個基本事件，通過故障樹分析確定了川渝地區(qū)輸氣管線第三方破壞的主要因素，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，為減少和防范川渝地區(qū)輸氣管道第三方破壞的發(fā)生提供了指導(dǎo)，對分析其他地區(qū)輸氣管道第三方破壞具有一定的參考價值。

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[2]錢成文,侯銅瑞,劉廣文,等.管道的完整性評價技術(shù)[J].油氣儲運, 2000,19(7):11-15.

[3]廖柯熹,姚安林,張淮鑫.天然氣管線失效故障樹分析[J].天然氣工業(yè), 2001,21(2):94-96.

[4]易云兵.新建輸氣管道失效故障樹分析[J].天然氣技術(shù),2008,2(4): 73-76.

[5]彭力,李發(fā)新.危害辨識與風(fēng)險評價技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1988.

[6]張鎮(zhèn),李著信,石進.長輸油氣管道第三方破壞故障樹分析[J].油氣儲運,2008,27(6):37-40.

[7]呂宏慶,李均峰.管道第三方破壞的原因及預(yù)防措施[J].天然氣工業(yè), 2005,25(12):118-120.

Third party damage is one of major factors leading to the gas pipeline failure,which directly affects the reliability of gas pipelines and shortens the service life of them.In this paper,the systematic analysis is carried out about different factors that cause the third party damage to gas pipelines in Sichuan-Chongqing region.Then,the fault tree of third party damage to gas pipelines has been built up according to the top event that third party damage results in the failure of gas pipelines.Next,the minimum cut of every stage of fault tree and main factors causing third party damage to gas pipeline in Sichuan-Chongqing region have been concluded based on the analysis of fault tree about third party damage to gas pipelines.Finally,some measures are presented so as to prevent third party damage to gas pipelines.

Sichuan-Chongqing region;gas pipeline;third party damage;fault tree analysis

曹斌（1987-），男，現(xiàn)為西南石油大學(xué)油氣儲運工程在讀研究生，主要從事輸氣管道安全風(fēng)險評價方面的研究。

黃永場

2010-11-17