基于屏障模型和故障樹我國油氣管道風險體系構建

王 霞,段慶全

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

2015年底，我國油氣主干管道里程總計達11.2萬km，預計2025年將達到24萬km。隨著油氣管道事業的迅猛發展，管道運營安全問題日益突出，而油氣管道風險分析是實現油氣管道安全、高效輸送的關鍵。挪威船級社作為安全管理的專業化公司，基于多年的經驗總結建立了損失因果模型，開發了系統原因分析技術，但是其建立的事件原因分析清單并非依據石油石化行業制定。英國石油公司按照企業生產特點和HSE管理要素，建立了原因根源分析清單，但是該分析清單僅是建立了間接原因與HSE管理體系一級要素之間的對應關系，在問題定位方面不夠細化[1-3]。針對上述問題，本文擬根據我國油氣管道的特點，在國內外油氣管道風險研究的基礎上，基于屏障模型和故障樹分析，建立了一套適合我國的油氣管道風險體系，以為我國石油石化企業進行油氣管道風險評價提供決策支持。

1 國內外油氣管道事故原因分類

從引起油氣管道失效原因的角度來看，各國或組織在油氣管道事故原因的分類存在差別，具體詳見表1[4-7]。

表1 油氣管道失效原因分類對比

目前，我國油氣管道事故原因分類中具有代表性的是《輸氣管道系統完整性管理》標準中將輸氣管道的風險因素劃分為9類：外腐蝕、內腐蝕、應力腐蝕開裂、與制管有關的缺陷、與施工有關的缺陷、設備因素、第三方損傷、誤操作和環境因素[8]。最新油氣管道事故原因研究中，狄彥等[9]提出了將管道事故原因劃分為外部干擾、腐蝕、材料/建造、自然及地質災害、操作不當和未知原因;梁永寬等[10]指出外部干擾是引起油氣管道事故的主要原因，主要包括第三方施工破壞、蓄意破壞和自然災害；黃萍等[11]運用改進的人因分析與分類系統模型分析了油氣管道泄漏爆炸事故的人因影響因素，認為主要有不良的組織管理、不安全的監督、不安全行為的前提條件、不安全行為和應急救援不當五個方面的風險因素。

綜合上述國內外油氣管道事故原因的分類，本文將從腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災害和運行與操作五個方面建立油氣管道屏障模型，并采用故障樹分析了屏障中存在的漏洞，從而構建了我國油氣管道風險體系。

2 基于屏障失效的事故致因機理分析

2. 1 屏障模型的原理

1990年曼徹斯特大學教授James Reason在心理學專著HumanError中提出了Reason事故致因模型，該模型對事故發生的解釋是：事故發生不僅是一個事件本身的反應鏈，同時還存在一個被穿透的組織缺陷集[12]。事故誘發因素及組織各層次的缺陷是長期存在于系統中的，但這些事故誘因和組織缺陷并不一定會導致事故的發生，事故發生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發因子鏈上同時或次第出現時，系統就會因為失去多層次屏障的保護而最終發生事故，因而也被稱為屏障模型，見圖1。

圖1 屏障模型Fig.1 Barrier model

目前屏障模型已廣泛應用于航空、煤礦和醫療等領域[13-16]，并取得了良好的應用效果。該模型表明：為防止事故的發生需要設置合理、有效的屏障，并要不斷地為這些屏障提供合適、恰當的維護和檢驗。

2. 2 屏障模型的分析流程

本文通過對傳統的屏障模型進行改進，使該模型不僅僅局限在對人為因素的分析，并將環境因素、技術因素等也納入到油氣管道事故的致因分析中，同時將屏障模型和故障樹相結合，分析由于屏障失效導致油氣管道事故發生的致因機理。屏障模型的分析流程分為三個階段：第一階段是從引起油氣管道失效原因分類的角度構建油氣管道作業過程的屏障集，有效的屏障是減少風險、預防事故的基本因素；第二階段是根據油氣管道屏障模型確定頂事件和中間事件，逐層分析建立油氣管道事故故障樹，并運用故障樹分析屏障中存在的漏洞及風險因素；第三階段是針對屏障模型和故障樹分析結果，構建一套適合我國的油氣管道風險體系。

3 基于屏障模型和故障樹相結合建立我國油氣管道風險體系

3. 1 基于屏障的油氣管道失效模型建立

依據各國或組織對油氣管道失效原因的分類以及我國最新油氣管道事故原因分析的現狀，針對我國油氣管道事故的多樣性、復雜性和不確定性等特點，將油氣管道風險因素分為腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災害和運行與操作五大類，并依據屏障理論構建了基于屏障的油氣管道失效模型，見圖2。

圖2 基于屏障的油氣管道失效模型Fig.2 Barrier-based failure model of oil and gas pipelines

通過分析圖2可知，導致油氣管道事故發生的誘發因素主要包括腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災害和運行與操作五個方面的風險因素，并且長期存在于油氣管道系統中。但是這些油氣管道風險因素并不一定會導致油氣管道事故的發生，管道事故的發生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發因子鏈上同時或次第出現時而引發的。因此，有必要采用一種有效方法分析屏障中存在的漏洞及風險因素，從而識別油氣管道事故是否發生。

3. 2 油氣管道事故故障樹分析

鑒于本研究的需要，在對油氣管道事故進行故障樹分析時以油氣管線作為研究對象，根據油氣管道屏障模型確定頂事件和中間事件，逐層分析建立油氣管道事故故障樹，并運用故障樹分析屏障中存在的漏洞及風險因素。本文通過對油氣管道事故進行廣泛的調查和研究[17-21]，編制了油氣管道事故的故障樹，其基本事件見表2，故障樹圖見圖3。

表2 油氣管道事故故障樹的基本事件

圖3 油氣管道事故的故障樹Fig.3 Fault tree of oil and gas pipeline accidents

本文運用下行法求解油氣管道事故故障樹的最小割集，得到的最小割集見表3。通過對油氣管道事故故障樹及最小割集的分析，計算各基本事件的結構重要度，然后對各風險因素進行排序，從而可得到油氣管道屏障中存在的主要漏洞及風險因素。

表3 油氣管道事故故障樹的最小割集

3. 3 我國油氣管道風險體系的建立

系統梳理油氣管道生產安全事件致因的邏輯關系和管理特點，對保障我國油氣管道的安全運行至關重要。基于此，本文在屏障模型和故障樹分析結果的基礎上，建立了適合我國的油氣管道風險體系，詳見圖4。

圖4 我國油氣管道風險體系Fig.4 Risk system of oil and gas pipelines in China

4 結 論

本文采用屏障模型和故障樹相結合的方法對油氣管道系統中存在的風險因素進行了分析，并根據我國油氣管道的特點，提出了一套適合我國油氣管道風險體系，主要得到如下結論：

(1) 依據各國或組織對油氣管道失效原因的分類以及我國最新油氣管道事故原因分析的現狀，對油氣管道失效進行了系統性分析，并針對我國油氣管道事故的特點，確定了油氣管道的主要風險因素，構建了基于屏障的油氣管道失效模型。

(2) 通過分析基于屏障的油氣管道失效模型可知，導致油氣管道事故發生的誘發因素是長期存在的，主要包括腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災害和運行與操作五個方面的風險因素，但是這些風險因素并不一定會導致油氣管道事故的發生，管道事故發生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發因子鏈上同時或次第出現而引發的。

(3) 運用故障樹分析了油氣管道屏障中存在的漏洞及風險因素，并在屏障模型和故障樹分析結果的基礎上，構建了適合我國的油氣管道風險體系。

總之，油氣管道風險因素分析的準確性直接決定了管道運輸的安全狀況，而利用基于屏障的油氣管道失效模型在分析油氣管道風險因素時能確保分析的全面性，從而可在油氣管道運行過程中有針對性地實施維護、維修、檢驗等措施。