基于故障樹的油氣集輸管道腐蝕失效分析

楊欽，冼國棟，秦國晉

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基于故障樹的油氣集輸管道腐蝕失效分析

楊欽1，冼國棟2，秦國晉3

（1.西南石油大學 土木工程與建筑學院，四川 成都 610500；2.中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司，四川 成都 610000；3.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

鑒于油氣集輸管道腐蝕失效頻率高，需要準確有效地分析腐蝕失效原因。通過建立故障樹并進行結構重要度分析，確定集輸管道腐蝕失效的原因；利用層次分析法（AHP）確立專家評判權重，運用模糊集理論建立集輸管道腐蝕失效概率計算模型進行定量分析。結果表明：系統中外腐蝕的最小割集數量最多，應加強對外腐蝕的預防；根據結構重要度排序得出，應先對管道抗蝕性差、人為破壞以及運行變差制定防護措施，可通過提高管材防腐蝕能力、提高巡線頻率、增加防腐絕緣層等，防止腐蝕失效事故的發生。集輸管道腐蝕失效概率計算模型為油氣田集輸管道的完整性管理的開展提供了科學的指導。

集輸管道；故障樹；AHP；模糊集理論；失效概率

隨著油氣田的建設與國家中長期油氣管網規劃的實施，預計到2025年，全國油氣管網規模達到24萬公里，網絡覆蓋進一步擴大，結構更加優化，儲運能力大幅提升[1]。在敷設大量油氣田集輸管道、管道運行時間延長的同時，發生管道失效事故的可能性隨之增加。針對油田油氣集輸過程，雖然國內外學者對于油田油氣集輸過程中集輸管道的失效分析有所研究，但仍然存在范圍小、評價對象單一等問題[2]。目前，大多數進行安全現狀評價的油氣集輸管道都是在20世紀70年代中后期建成的，站場占地面積小，生產設施和設備相對陳舊，歷史失效數據也不完善[3]。

集輸管道的管壁腐蝕相當嚴重，甚至投產不到兩年就發生腐蝕穿孔事故的情況。集輸管道內部充斥了大量酸性氣體，如H2S、CO2等，與水氣化合會形成酸，特別是H2S會產生強酸、形成腐蝕性氣體，腐蝕管道內部。另外，由于管道與大氣環境直接接觸，很容易被空氣中的氧氣氧化，導致管道外部腐蝕。嚴重的腐蝕失效不僅造成泄露事故、能源浪費、環境污染，還極易引起爆炸甚至火災，造成國家財產損失和人員傷亡[4]。

對集輸管道的腐蝕失效展開分析與評價非常必要。基于油氣集輸管道歷史失效數據的缺乏，以及腐蝕還未建立相應的失效模型，本文將在對腐蝕失效故障樹定性分析的基礎上，采用故障樹模糊分析法對腐蝕失效進行定量分析，建立失效概率計算模型。

1 故障樹分析方法

故障樹作為一種邏輯演繹分析工具，通過事故及聯合順序組合的圖示，描述頂事件與基本事件的內在聯系。故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）可以識別弱點，評估可能的升級，監視和預測行為。因此在核能、電力、化工過程、油氣輸送等領域得到了廣泛的應用[5]。

設x()為基本事件在時刻時的狀態，如果基本事件在時刻發生則x()＝1，若基本事件在時刻不發生則x()＝0。因此，頂事件的狀態必然是基本事件向量()＝{1(),2(), ..., x()}的函數。如果已知基本事件x的發生概率n，即可計算頂事件的發生概率為：

式中：K為第個最小割集。

故障樹的結構函數包括“或門”和“與門”故障樹的結構函數，可表示為：

2 腐蝕失效故障樹建立

確定故障樹頂事件的原則[6]是基于對可能發生事故的危險程度的分析，其中對系統影響大的災害或事故即為故障樹頂事件。故選擇“腐蝕失效”作為頂事件；腐蝕穿孔和腐蝕開裂是的最直接原因，將其作為次要頂事件并繼續深入分析，直到最后找到代表各種失效事件的基本事件。從文獻[7-8]得知，由客觀條件引起管道腐蝕穿孔主要是管道的內腐蝕和外腐蝕，腐蝕開裂包括拉應力過大、輸送介質的成分和環境等；防腐措施失效和內涂層質量不好等均可能引起內腐蝕；土壤、大氣環境腐蝕和電流腐蝕等都可能導致管道外腐蝕；施工不合理和安裝不當等可能導致應力腐蝕。

圖1為集輸管道腐蝕失效故障樹示意圖，表1列出了與該故障樹對應的39個基本事件。故障樹分析法在系統可靠性中的應用主要包括定性分析和定量分析兩個過程[9]。

3 腐蝕故障樹定性分析

故障樹定性分析為通過查找最小割集（Min-imal Cut Set）或最小徑集（Minimal Path Set）來確定基本事件結構重要度的順序，從而識別出系統安全中的薄弱環節，并進行預防工作以減少事故發生。本文選擇利用最小割集來確定結構重要度排序。故障樹中某些基本事件集稱為故障樹的割集，當這些基本事件同時發生時，頂事件也發生；其中任一基本事件未發生時頂事件不發生，則此割集為故障樹的最小割集。

圖1 腐蝕失效故障樹示意圖

表1 集輸管道腐蝕失效故障樹基本事件

以集輸油氣管道腐蝕失效為頂事件，采用下行法[10]（Fussel算法）分析故障樹，求解得到全部91個最小割集，如表2所示，包括39個三階最小割集、7個五階最小割集、9個十階最小割集和36個十一階最小割集。其中，內腐蝕有36個十一階最小割集，外腐蝕有7個五階最小割集、39個三階最小割集，腐蝕開裂有9個十階最小割集。

表2 集輸油氣管道腐蝕失效最小割集

通常，割集的階數越小則發生的可能性越大，基本事件在不同最小割集中重復出現次數越多則在故障樹中越重要，因此結合實際系統分析時，發生概率較大或在最小割集中重復出現次數多的基本事件為系統安全的薄弱環節，應該優先考慮。對于集輸管道的腐蝕失效來說，外腐蝕的39個三階最小割集發生可能性最大，基本事件13管材抗蝕性差重復出現次數最多。

結構重要度分析只是對故障樹結構的分析每個基本事件的發生對頂事件發生的重要性。故障樹由許多基本事件構成，在制定安全防范措施時必須根據重要度確定各基本事件的優先順序，以使系統經濟、有效和安全。根據計算得出最小割集結構重要度排序為：I13＞I23＝I24＞I19＝I20＝I21＞I25＝I26＝I27＝I28＝I29＝I30＝I35＝I36＞I31＝I32＞I4＝I5＞I22＞I33＝I34＞I6＝I7＝I8＝I9＝I14＞I10＝I11＝I12＞I1＝I2＝I3＞I15＝I16＝I17＝I18＞I37＝I38＝I39。可以得出：腐蝕的預防措施可以優先從基本事件13管材抗蝕性差入手，若控制措施不經濟有效則可以考慮人為破壞，包括基本事件23管道埋深過淺和24土層開挖，其次為運行變差，包括19防腐絕緣涂層粘接力低、20防腐絕緣涂層脆性過大、21防腐絕緣涂層老化剝離。

針對管道抗蝕性差、人為破壞以及運行變差的失效原因，可通過提高管材的抗腐蝕性、增大巡線頻率和增加防腐絕緣層等防止腐蝕失效的發生。從故障樹的分析中可以看出，外腐蝕的39個三階最小割集發生可能性最大，且外腐蝕的最小割集數最多，因此應優先加強對外腐蝕的預防，其次為內腐蝕和腐蝕開裂。控制外腐蝕可以從主要因素入手，通常土壤腐蝕性強、陰極保護失效和絕緣涂層老化等會導致管道外腐蝕[11]。引起管道內腐蝕的主要因素為輸送介質的腐蝕和緩蝕劑的失效，而腐蝕開裂主要發生在管道因施工、安裝不當受到拉應力時。因此，必須優先加強陰極保護、施加保護涂層且保證涂層質量，其次采用管道內涂層技術，盡量避免施工過程中的拉應力等。

4 腐蝕故障樹定量分析

石油和天然氣管道定量風險評價的一個重要內容是確定管道失效概率[12]，即求故障樹頂事件的發生概率，可以通過將基本事件發生概率代入式（2）獲得。其中，基本事件的發生概率可以通過基于歷史數據的統計法計算或者專家主觀判斷法估算[13]。當歷史數據無法獲得或不充分時，可以參考模糊數學中的模糊集合理論與傳統的故障樹相結合的分析方法定量分析故障樹[14-15]，或使用蒙特卡羅模擬法[16]、結構可靠性、一次二階法和JC法等來計算系統的失效概率。由于還未建立相應的失效模型和歷史失效數據，不能用解析法對某些失效原因（如地表運動和內外腐蝕）進行計算，故可選擇采用故障樹模糊分析法計算腐蝕失效概率。

4.1 專家判斷自然語言模糊化

專家的語言變量轉化成定量模糊數，可通過采用Wickens的評判七級理論來表達專家的評判意見[17]實現。專家對事件發生概率的評價水平用七種自然語言表示：很高（VH）、高（H）、較高（FH）、中等（M）、較低（FL）、低（L）、很低（VL），然后采用模糊集理論處理這些不確定信息，在實際應用中常采用三角（或梯形）模糊分布隸屬函數對這些自然語言分析[18]。

為了便于計算，三角（梯形）模糊數由＝(,,,)統一表示，和分別為估計域的下限和上限，區間[,]為模糊度1的區域。其中當＝時是三角模糊數。七級模糊語言及其相應的模糊數形式如圖2、表3所示。

圖2 專家判斷自然語言三角形和梯形模糊數

表3 模糊數學形式

4.2 專家模糊評判的合成

為了更準確地量化具有模糊數的事件發生的概率，有必要綜合多個專家的語義評判。本文采用加權求和的模糊數合成方法綜合多個專家的評判結果[19]。

設ω表示第位專家的權重值（＝1, 2, ...,），F表示第位專家對第個事件發生概率的語義評判模糊數（＝1, 2, ...,），則各專家對事件的綜合評判M可表示為：

根據多元擴展原理，兩個模糊數的總和為：

可知，M是一個模糊數。

4.3 模糊數向模糊失效概率轉化

如果節點X是多態的并且狀態數為，那么每個狀態的概率和應滿足和為1的條件。因此有必要歸一化處理節點各狀態的精確概率。狀態下節點X的精確概率為：

5 結論

集輸管道因腐蝕引起失效，從而帶來巨大的經濟、生命和環境損失。因此準確、有效地分析油氣集輸管道腐蝕失效發生原因，針對主要影響因素提出取適當的防護措施，避免事故的發生是非常重要的。然而在風險評估過程中，經常存在著巨大的不確定性，因此選擇合適的定量分析方法對集輸管道腐蝕失效分析的完整性管理具有重要意義。

（1）引入故障樹分析法分析集輸管道腐蝕失效問題，通過建立以“集輸管道腐蝕失效”為頂事件的故障樹，針對腐蝕穿孔和腐蝕開裂兩個直接原因分析得出39個基本事件，求出系統所有91個最小割集。

（2）腐蝕失效故障樹定性分析中，根據故障樹最小割集可以得出，外腐蝕的39個三階最小割集發生可能性最大且外腐蝕的最小割集數最多，為集輸管網發生腐蝕失效時系統安全的薄弱環節，因此應加強對外腐蝕的預防。根據結構重要度排序得出，應先對管道抗蝕性差、人為破壞以及運行變差制定防護措施，可通過提高管材的抗腐蝕性、增大巡線頻率和增加防腐絕緣層等防止腐蝕失效的發生。

（3）定量風險評價時需計算集輸管網精確的失效概率。雖然基于故障樹模糊分析法的失效概率計算模型主要用于缺乏歷史失效數據的集輸管道，但專家評判意見應與現有失效數據相結合來客觀考慮，現有失效數據可避免主觀評判過程。

本文對影響集輸管道腐蝕的影響因素進行了分析，但遠不止這些，需要在以后的研究中繼續挖掘影響集輸管道腐蝕的原因。針對集輸管道的風險評價，本文僅對腐蝕影響因素進行了分析，但管道風險影響因素還有第三方破壞、設計、誤操作等，若需進一步降低集輸管道風險，有必要在針對不同影響因素采取相應維護措施后分析風險的緩解情況。

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Analysis of Corrosion Failure of Oil and Gas Gathering Pipelines by Fuzzy Fault Tree Analysis

YANG Qin1，XIAN Guodong2，QIN Guojin1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.Petro China Co Ltd, Southwest Pipeline Company, Chengdu 610000, China; 3.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

In view of the high corrosion failure frequency of oil and gas gathering pipelines, it's necessary to analyze the causes of corrosion failure accurately and effectively. By establishing the fault tree and analyzing the structural importance, the paper determines the cause of the corrosion failure of the gathering pipelines. The expert evaluation weight is established by using the Analytic Hierarchy Process (AHP), and the fuzzy set theory is used to establish the corrosion failure probability calculation model of the gathering pipeline for quantitative analysis. The results show that the number of minimum cuts sets of external corrosion is the largest in the system, and the prevention of external corrosion should be strengthened. According to the Order of structural importance, it is necessary to set up protective measures for the corrosion resistance of pipeline, man-made damage and the failure of operation, which can improve the anti-corrosion ability of pipe, increase the frequency of patrol line, increase anticorrosion insulating layer, etc. To prevent the occurrence of corrosion failure accidents. The model of the corrosion failure probability of the gathering pipeline provides scientific guidance for the development of the integrity management of oil and gas field gathering pipelines.

gathering pipeline；fault tree；AHP；fuzzy set theory；failure probability

TE973

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.005

1006－0316 (2018) 09－0028－07

2018－07－02

國家自然科學基金項目（50974105）；中國工程院重大咨詢研究項目（2011-ZD-20）；高等學校博士學科點專項科研基金（20105121110003）

楊欽（1995－），女，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向為油氣管道完整性管理。