基于事故樹的海底管道第三方破壞風險分析

郭鴻雁，朱 偉

（中國石油集團工程設計有限責任公司 北京分公司，北京 100085）

自1985年由渤海石油海上工程公司在埕北油田也采用浮游法鋪設了一條1.6 km鉆采平臺之間的海底輸油管道后[1]，隨著我國渤、黃、東、南四大海域海上油田的快速開發，新增海底管道總長及數量不斷增加，至2008年，中海石油總公司已有海管138條（總長約3 217 km）[2]。作為海洋石油開發輸送的生命線，海底管道造價昂貴，每千米造價在為30萬美元以上，且所處環境條件非常復雜多變。隨著鋪設長度的增加和運行時間的推移，受環境侵蝕、材料老化等因素的影響，海底管道系統抗力衰減，極易因外部環境的干擾（諸如近海工程施工、船舶起拋錨作業、漁業捕撈等人類海洋活動或臺風、地震等自然災害）而發生事故。而海底管道一旦發生泄漏或斷裂，會產生災難性影響，嚴重污染環境，導致巨大的經濟損失。海底管道的安全性已成為影響海洋油氣開發的一個重要問題，為此，要減少事故的發生，建立綜合安全管理體制，采取有效地途徑保證在役管道可靠運行就有必要對其事故原因進行分析。

1 海底管道失效因素統計

海底管道在國外發展較早，其政府和研究機構對各種管道事故的原因進行了大量的統計，為提高海底管道運行安全性提出了大量建議及資料。歐洲輸氣管道事故數據組織、英國健康與安全部等組織都對海底輸氣管道失效原因做出過大量統計[3,4]（見圖 1）。

圖1 海底管道失效原因事故統計Fig.1 The accident statistics of failure cause of submarine pipeline

從這些失效原因統計結果可以看出，海底管道的失效原因復雜，但第三方破壞(拋描、漁業、施工等)、腐蝕、自然災害(包括由其引起的懸跨)可以看作海底油氣管道失效的三大主要原因。

本文采用系統工程中的事故樹分析（FTA）法主要針對第三方影響（包括環境因素）造成的海底管道破壞的事故樹模型進行分析，確定事故管理的主要對象并提出針對性的解決方法。

2 事故樹模型建立及分析

事故樹分析 (FTA, Fault Tree Analysis)是從結果到原因找出與災害事故有關的各種因素之間因果關系及邏輯關系的分析法。這種方法以定義好的事故開始，或頂事件，向后將系統故障各種原因(包括硬件、人為、環境因素等)，按樹枝狀結構自上而下追溯到各種能夠引起事故的情形。事故樹定量分析主要是根據引起事故發生的各基本事件的發生概率，求出頂上事件發生的概率，同時對各基本事件進行概率重要度和關鍵重要度分析[5,6]。

2.1 事故樹建立

圖2 海底管道第三方破壞泄漏故樹Fig.2 Fault tree analysis of the third-party damage of submarine pipeline

選擇“第三方破壞泄漏”作為頂事件。引起海底管道失效的三個最直接原因分別是“航道活動及作業”、“漁場活動”、“自然環境”。按這些原因自上而下追溯到各種能夠引起海底管道泄漏的基本事件。

海底管道第三方破壞各符號所表示的意義如表1所示，其事故樹如圖2所示。

表1 各符號代表的事件Table 1 The symbol meaning of the events in the fault tree

2.2 海底管道第三方破壞泄漏故樹模型

2.2.1 最小割集

由事故樹分析可見，邏輯門或門（“+” ）與和門（“ ?”）的個數基本相等，所以用最小割集進行分析[6]：

事件A1可以得到16個割集。

事件A2可以得到16個割集。

事件A3可以得到17個割集。則由事故樹計算可以得出49個割集。

2.2.2 結構重要度分析[7]

事故樹是由眾多基本事件構成的，這些基本事件對頂上事件均產生影響，但影響程度是不同的，在制定安全防范措施時必須有個先后次序以便使系統達到經濟、有效、安全的目的。結構重要度分析，就是不考慮基本事件發生的概率是多少，僅從事故樹結構上分析各基本事件的發生對頂上事件的影響程度。結構重要度分析雖然是一種定性分析方法，但在目前缺乏定量分析數據的情況下，這種分析顯得很重要。

結構重要度分析方法歸納起來有兩種。第一種是計算出各基本事件的結構重要系數，將系數由大到小排列各基本事件的重要順序；第二種是用最小割集和最小徑集近似判斷各基本事件的結構重要系數的大小，并排列次序。前者精確，但比較繁瑣；后者雖然精確度比用求結構重要系數法差一些，但操作簡便，因此目前應用較多。應用下式計算近似判別值：

式中:I(i)—基本事件Xi結構重要系數的近似判別值；

Xi∈Pj—基本事件 Xi屬于 Pj最小割(徑)集；

ni—基本事件Xi所在最小割(徑)集中包含基本事件的個數。

上述事故樹的各基本事件結構重要度見表2。

4 結束語

可以看出，水上管線自身問題諸如強度不足（包括保護層）、質量缺陷是致使海底管道失效的主要原因，其次是管道布線問題諸如處于航道和漁場、埋深不足以及由此造成的錨擊損害，另外風暴嚴重、地震也會帶來較大危害。

由分析可以看出，海底管道設計是防止管道失效最重要的環節。合理設計管道強度，可以防止外物撞擊（錨擊、重物墜落撞擊等）對管道造成破壞。對管道采用適當的外部防護（諸如混凝土配重、套管）可以有效預防外力對管道造成的機械損傷。設計合理的埋深同樣可以有效地預防第三方破壞的影響。在選擇海底管道時應盡量避開航道、漁業區等，這樣可以降低管道遭受墜物撞擊、漁網拖掛、錨擊等破壞的概率。此外控制管材、防護等材料質量以及加強施工監督、加強監測也可減少管道失效隱患。

表2 各基本事件結構重要度Table 1 The structure importance of the base cases

［1］周延東，劉日柱.我國海底管道的發展狀況與前景[J].中國海上油氣(工程)，1998,10（4）：1-5.

［2］張敬安，董欣紅，侯立群.海底管道安全狀態評估技術綜述[J].中國海洋平臺,2009,24(1):15-20.

［3］The 5th EGIG Report: European Gas Pipeline Incident Data Group[R].Tokyo,Japan:EGIG,2002.

［4］PARLOC. The Update of Loss Containment Data for Offshore Pipelines[R].London: Energy Institute, 1996.

［5］U.S. Nuclear Regulatory Commission. Fault Tree Handbook[M].Washington, D.C., 1981.

［6］汪元輝.安全系統工程[M].天津:天津大學出版社,1999-10.

［7］蔣軍成,郭振龍.工業裝置安全衛生預評價方法[M].北京:化學工業出版社,2003.