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 濟南 250101)

天然氣是一種清潔、高效、環保、方便的能源，現已經被廣泛應用在工業、農業、民用等多個領域，對于提升經濟發展和提高環境質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峰裝置和油輪裝卸設施上[1]，采用低溫管線長距離輸送LNG的實例較少。液化天然氣管道在運行過程中易受LNG氣化、腐蝕、材料缺陷等因素影響導致失效，直接影響管道的使用壽命。因此通過對液化天然氣管道進行分析，查找失效的主要形式和機理，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]，采用專門的邏輯關系符號來表示事件之間的邏輯和因果關系，根據基本事件來顯示系統的整體狀態。該方法首先要求把可能發生的故障事件設置為故障樹頂事件，然后通過對導致故障可能發生的各因素(包括周邊環境、條件、人為因素等)進行調查研究；采用規定的邏輯符號，依據樹狀結構自上而下逐層劃分，分析造成頂事件發生的所有原因和邏輯關系。從而確定故障原因和發生概率，提出對應的改進措施，確保系統的可靠性。

圖1 故障樹示意圖

故障樹分析法一般按以下步驟進行：

1.1 分析系統的確定

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

1.2 系統分析

深入調查將要分析的系統并搜集有關內容，包括性能參數、結構形式、流程、運行條件、故障類別、環境及周邊因素等。

1.3 查閱已發生的故障類型

調查并分析該系統、國內外同類型之前發生過的所有故障和以后可能會發生的所有故障。

1.4 確定故障樹頂事件

根據系統調查情況確定頂事件，即分析由該故障造成的損失情況、故障發生的概率，把發生頻率高且后果較嚴重的故障類型設定為頂事件。

1.5 分析與頂事件關聯的所有原因事件

從人、機、料、法、環境等方面深入調查導致頂事件發生的所有原因，確定造成故障發生的主要原因并對損失情況進行分析。

1.6 編制故障樹

根據事件之間的邏輯關系，采用規定邏輯符號，把故障樹頂事件與導致故障發生的基本原因事件，層層分解，繪制樹狀結構圖。

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、及基本事件結構重要度。通過對最小割集、最小徑集和基本事件結構重要度的分析，確定預防故障發生的控制措施。

1.8 定量分析

依據計算出的基本事件概率，計算頂事件發生概率、基本事件關聯重要度和概率重要度。根據計算和分析結果，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。

1.9 分析結果的應用

對故障樹定性分析和定量分析的結果進行總結評估，提出具體的改進和預防措施，整理分析的全部過程資料，對分析結果進行綜合利用，為安全設施設計和安全評價工作提供系統性的參考依據[2]。

2 輸氣管道故障樹的建立

表1 導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]，造成該頂事件發生的直接原因是管道破壞和泄漏，因此選擇這兩個事件作為次頂事件。以此類推繼續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，該故障樹由經過簡化的系統最小割集構成，共考慮54個基本事件，其中X1，X2…..Xn為基本事件符號。

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量為55個，其中一階割集28個，三階割集4個，四階割集22個，一階割集數量占最小割集總數的52.7%；故障樹或門有20個，與門有5個，或門占邏輯門總數的80%，可以看出該管道失效的路徑較多，危險性較大。其中一階最小割集的主要危險有第三方破壞、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)

3.2 定量分析

故障樹定量分析包括頂事件發生概率和基本事件結構重要度的計算。

3.2.1 計算頂事件發生概率

選擇最小割集的方法計算頂事件發生概率，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)

頂事件發生概率表示為：

(2)

由容斥定理得頂事件概率計算公式：

(3)

設基本事件X1、X2、X3、……X55的發生概率分別為：χ1、χ2、χ3……χ55，則有：

(4)

(5)

(6)

式中r、s、m為最小割集序數，r

Xi?ErUEs表示第r個或第s個最小割集的第i個基本事件。

將基本事件發生概率帶入上式，可計算管道失效故障率，根據發生故障的管線實際情況與規范上允許的失效概率進行比較，對于失效概率大于允許值的管道，應采取必要的安全措施將失效概率低于允許值[4]。

3.2.2 結構重要度分析

采用基本事件最小割集或最小徑集結構重要度系數大小順序的方法，來判斷確定基本事件的結構重要度。

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

(7)

應采用式(8)近似計算后進行比較。

(8)

式中I(i)-表示基本事件Xi的結構重要系數近似判斷值；

ni-表示基本事件Xi所屬最小割集所含的基本事件數量。

通過式(8)計算可得到管道失效故障樹的各基本事件結構重要系數的近似判斷值，見表3。

表3 基本事件結構重要系數近似判斷值

表3(續)

由表3可知，造成液化天然氣管道故障的各基本事件結構重要度關系為：I44=I39>I30>I32=I31>I1～I13=I18～I29>I14～I17，由此可知基本事件X39和X44的發生對該管道失效影響最大，然后是事件X31，故以在進行管道失效預防時，應著重考慮三個基本事件[5]。

4 結論

通過故障樹分析法對液化天然氣管道失效進行分析，得出導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。在設計時盡量減少閥門，操作時避免產生封閉管道，致使液體積聚后隨溫度升高而膨脹造成壓力升高；同時選擇好直接與LNG接觸不發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。應在LNG輸送管道的沿線設立“危險”“禁止靠近”等明顯的標志，說明管線被破壞后的危險性；在新建輸氣管線選址時，盡可能的避開自然災害較為嚴重的地段。

(3)腐蝕，包括內腐蝕、外腐蝕和應力腐蝕。內腐蝕原因包括氣體管道內水份含量高、介質內含腐蝕性介質、緩蝕劑失效等；外腐蝕主要包括管線陰極保護失效、絕緣層老化、土質腐蝕性強；應力腐蝕主要考慮管線施工、安裝不當導致產生的拉應力腐蝕。抗腐蝕上，要盡量減少輸氣管線內水分含量，強化管線陰極防護，保證涂層質量符合規范要求，在施工過程中采取相應措施盡可能避免產生拉向應力。

(4)設計和操作缺陷。管線材料設計時的選擇、參數設計、施工質量的管控、運行維護等環節的管理上，要按照標準規范、操作規程等嚴格執行。

(5)材料缺陷，主要指管材的初始缺陷。一旦選用不符合設計要求的耐低溫管材，會導致管道整體強度降低，直接影響運行的可靠性。所以在材料的選擇、質量檢驗上要嚴格管理。

根據輸送LNG管道故障樹的分析結果，可以得出以下結論：

(1)采用故障樹法對LNG輸送管線失效進行分析，簡潔、直觀，行之有效。

(2)LNG管道失效故障樹設置的基本事件有54個，計算出了55個最小割集，指出了在管線設計、施工及維護等方面的薄弱環節。

(3)通過對最小割集的計算，得出了液化天然氣輸送管道故障發生的概率，計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：溫度升高導致大部分LNG氣化、腐蝕因素引起泄漏、設計和施工缺陷、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[J].天然氣與石油，2003,21(2):8-10.

[2]謝振華.安全系統工程[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3]張景林，崔國章.安全系統工程[M].北京：煤炭工業出版社，2002.

[4]潘家華.油氣管道的風險分析(續一)[J].油氣儲運，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].石油學報，2002，23(7)：85-89.

(本文文獻格式：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.)