基于事故樹-層次分析法的集輸管道失效風(fēng)險(xiǎn)研究

焦 凱，劉 勇，伍嘉亨，楊 婧，張小芳，梁昌晶

1.中國石油華北油田公司第一采油廠工程技術(shù)研究所，河北任丘 062552

2.中國石油華北油田公司第一采油廠油田建設(shè)管理中心，河北任丘 062552

截止到2017 年底，我國油氣管道總里程已經(jīng)達(dá)到19.01 萬km，但因管理不當(dāng)、第三方破壞、腐蝕等因素造成的管道失效率居高不下，平均失效率為3 次/（1 000 km·a），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國和俄羅斯的 0.6 次/（1 000 km·a）[1-2]。1992 年，墨西哥的瓜達(dá)拉哈拉市發(fā)生了輸油管道泄漏爆炸事故，共造成252 人死亡[3]；2013 年，中國石化所屬的東黃輸油管道發(fā)生泄漏爆炸事故，共造成62 人死亡[4]；2014年，臺灣的高雄發(fā)生了城市燃?xì)庑孤┦鹿蔥5]，造成32 人死亡，對公眾和社會(huì)造成了極其嚴(yán)重的影響。其中，油氣集輸管道多服役于油田，是油田生產(chǎn)開發(fā)中必不可少的組成部分，很多油氣集輸管道要穿越城市、農(nóng)田、村莊、沼澤、湖泊、鐵路等高后果區(qū)，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)造成大面積的環(huán)境污染和人員傷亡。經(jīng)研究表明，油氣集輸管道的平均失效次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油氣長輸管道[6]，因此以油氣集輸管道為研究對象，通過對影響管道失效的基本因素進(jìn)行剖析和梳理，找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為集輸管道日常的安全管理、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和風(fēng)險(xiǎn)減緩提供理論依據(jù)。

目前常用的綜合評價(jià)方法有模糊評價(jià)法、層次分析法、集對分析法、灰色關(guān)聯(lián)法、支持向量機(jī)等[7]，其中層次分析法因分析和計(jì)算方法簡單易行，采用了線性代數(shù)的方法對模擬解決問題提供了一種數(shù)學(xué)表達(dá)和處理的方式而得到廣泛應(yīng)用。但層次分析法屬于主觀評價(jià)方法，需要借助專家按照1-9 標(biāo)度法對不同層級的因素進(jìn)行兩兩判斷，在構(gòu)建判斷矩陣的過程中容易受到個(gè)人專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)的影響，尤其是在專家人數(shù)較多的情況下更容易出現(xiàn)邏輯混亂現(xiàn)象。為此，引入事故樹分析方法，通過事故樹強(qiáng)大的致因分析能力[8-9]，對引起集輸管道失效的基本原因進(jìn)行整理和剖析，隨后將事故樹得到的結(jié)構(gòu)重要度有效地映射到判斷矩陣元素中，利用改進(jìn)的層次分析法進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的排序[10-12]，找到風(fēng)險(xiǎn)薄弱環(huán)節(jié)，以期為減少管道失效風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)。

1 基于事故樹的層次分析法

1.1 建立事故樹模型

通過現(xiàn)場調(diào)研，同時(shí)對照美國管道及危險(xiǎn)物品安全管理局（PHMSA，負(fù)責(zé)液體、氣體、技術(shù)、配氣管道安全管理）、加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662—07（適用于油氣干線、支線、集輸、配氣管道）、歐洲輸氣管道事故調(diào)查組織（EGIG，負(fù)責(zé)集輸、輸氣管道安全管理） 的相關(guān)數(shù)據(jù)，針對集輸管道失效復(fù)雜性、多樣性、不確定性等因素，將集輸管道失效的直接原因定義為泄漏和斷裂，其中任何一個(gè)直接原因的失效都會(huì)引起事故樹頂事件的發(fā)生，因此兩者為或門關(guān)系，將泄漏和斷裂作為事件樹的次頂事件，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源的辨識結(jié)果按照演繹分析的方法對各個(gè)事件進(jìn)行逐層分析，直到找出各種失效模式的基本事件，按邏輯關(guān)系構(gòu)成事故樹模型，見圖1。

圖1 事故樹模型

表1 為各事件的基本含義，共識別和定義了23 個(gè)基本事件。

表1 事故樹基本事件含義

1.2 構(gòu)造層次分析模型

根據(jù)圖1 的事故樹模型建立的層次分析模型見表2。

表2 層次分析模型

其方法是：通過對基本事件進(jìn)行總結(jié)、分類和中性化描述后轉(zhuǎn)化為層次分析法中各指標(biāo)層因素，通過進(jìn)一步歸類，確定準(zhǔn)則層的因素由腐蝕、材料及設(shè)備缺陷、第三方破壞、誤操作四方面組成，目標(biāo)層即為集輸管道失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 運(yùn)用結(jié)構(gòu)重要度構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)事故樹模型，利用布爾代數(shù)法對模型進(jìn)行化簡，求得最小割集為12 個(gè)，最小徑集為25 個(gè)，由于徑集數(shù)量過多，計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度時(shí)過于復(fù)雜，因此選用最小割集來計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度。

最小割集P 為：

結(jié)構(gòu)重要度Iφ（i）的計(jì)算公式如下：

式中：k 為求解事故樹的最小割集或徑集的數(shù)量；m 為包含有第i 個(gè)基本事件的最小割集或徑集的數(shù)量；Rj為包含有第i 個(gè)基本事件的第j 個(gè)最小割集或徑集的基本事件數(shù)量。

在事故樹中，結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮基本事件發(fā)生概率的條件下，僅從模型上考慮基本事件對頂事件的重要程度，同時(shí)層次分析法中各指標(biāo)層的權(quán)重也可以反映對目標(biāo)層的影響程度，因此結(jié)構(gòu)重要度和權(quán)重的作用具有一致性。取各個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度的最小公倍數(shù)LCM，計(jì)算出基本事件的判斷因子χ（i），計(jì)算公式見式（2），計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

利用每個(gè)基本事件的判斷因子構(gòu)建兩兩判斷矩陣，由于每個(gè)準(zhǔn)則層都對應(yīng)一定數(shù)量的指標(biāo)層因素，所以準(zhǔn)則層的判斷因子可以用所屬指標(biāo)層判斷因子的和來表示，記為腐蝕、材料及設(shè)備缺陷、第三方破壞和誤操作的判斷因子分別是250、217、156、96。由于層次分析中的判斷矩陣元素aij均為整數(shù)，因此對比較結(jié)果進(jìn)行四舍五入，準(zhǔn)則層判斷矩陣的計(jì)算方法如下：

表3 基本事件的結(jié)構(gòu)重要度及判斷因子

式中：m、n 為指標(biāo)層中因素的個(gè)數(shù)；i、j 分別代表判斷矩陣中的第i 行和第j 列。

同理，指標(biāo)層判斷矩陣的計(jì)算方法如下：

根據(jù)式（3）、（4） 計(jì)算可以得到各層級的判斷矩陣，其中準(zhǔn)則層的判斷矩陣如表4 所示。

表4 準(zhǔn)則層判斷矩陣

2 層次總排序

對于準(zhǔn)則層矩陣來說，最大特征根λmax=5.126，一致性指標(biāo)CI = 0.032，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI = 1.12，隨機(jī)一致性比率CR = 0.028 <0.1，因此矩陣通過一致性檢驗(yàn)，此時(shí)的權(quán)重向量ωb=（0.338 1，0.288 1，0.204 8，0.169 0）。同理，對于計(jì)算得到的指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的判斷矩陣也通過一致性檢驗(yàn)，腐蝕B1的權(quán)重向量ωb1= （0.136 8，0.218 5，0.114 0，0.215 6，0.082 2，0.082 2，0.107 4，0.043 3），材料及設(shè)備缺陷B2的權(quán)重向量ωb2=（0.146 8，0.445 1，0.105 4，0.105 4，0.197 3），第三方破壞B3的權(quán)重向量 ωb3=（0.163 9，0.082 0，0.308 5，0.140 8，0.304 8），誤操作B4的權(quán)重向量ωb4=（0.136 4，0.136 4，0.227 3，0.227 3，0.272 6）。由各層級的權(quán)重向量計(jì)算出指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的權(quán)重，從而進(jìn)行層次總排序，如表5 所示。

表5 層次總排序

由表5 可知，排序前五的分別為人為破壞、材料抗腐蝕性能差、含酸性介質(zhì)、運(yùn)行誤操作和施工缺陷，這五項(xiàng)的綜合權(quán)重都超過了0.06，是需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。

首先，人為破壞對管道失效的影響最大，占總比例的12.82%，引起人為破壞的主要原因一方面是管道管理者與管道沿線居民溝通不暢、信息交流不暢造成的管道無意受損，主要包括施工開挖損壞管道、河床作業(yè)損傷管道和非法建筑占壓管道等；另一方面是某些不法分子為了謀取利益進(jìn)行的打孔盜油活動(dòng)。針對集輸管道多位于高后果區(qū)的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)與地方政府的信息溝通，避免管道無意受損；同時(shí)強(qiáng)化巡檢頻率，加強(qiáng)泄漏檢測手段和安全監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，形成安全保護(hù)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，避免有意破壞帶來的重大損失。

其次，集輸管道大都采用碳鋼（主要是20號、20G、X42、X65 等鋼材），在 CO2、H2S 等腐蝕介質(zhì)的作用下，腐蝕傾向較大，一般3 ～5 年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象[13-14]，目前低Cr 合金鋼和高Cr 不銹鋼都屬于抗腐蝕性較好的鋼材，3Cr 合金鋼在CO2、H2S 和Cl-共存的腐蝕環(huán)境下，均勻腐蝕速率為2.1 ～3.2 mm/a，而同樣條件下20 號碳鋼的腐蝕速率是3Cr 合金鋼的20 倍；經(jīng)研究表明，隨著鋼材中Cr 含量的增加，抗點(diǎn)蝕性能會(huì)越來越好，近年來超級13Cr 合金鋼和25Cr 雙相不銹鋼的應(yīng)用越來越廣泛，且價(jià)格僅為低Cr 合金鋼的一半[15]，今后可作為油田建設(shè)的首選材料。

流體中酸性介質(zhì)的含量也是影響集輸管道失效的重要因素，隨著油田的深度開發(fā)，特別是大面積氣驅(qū)、火驅(qū)和微生物驅(qū)采油技術(shù)的開展，導(dǎo)致CO2和H2S 腐蝕問題越來越嚴(yán)重，CO2和H2S 在水中溶解后會(huì)發(fā)生電離，析出的氫離子會(huì)降低流體的pH值，同時(shí)H2S 水溶液還會(huì)導(dǎo)致鋼材發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂、氫致裂紋和氫鼓泡等氫損傷，因此應(yīng)有效合理地控制酸性介質(zhì)含量，采用添加緩蝕劑、管道內(nèi)涂層、電化學(xué)防腐等相關(guān)技術(shù)，加強(qiáng)對管道的維護(hù)和管理工作。

運(yùn)行誤操作本質(zhì)上屬于管理失誤，主要表現(xiàn)在違章動(dòng)火、違章用電、泵和壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備違章操作、維修和檢修過程違章操作等，因此企業(yè)應(yīng)強(qiáng)化操作人員的技能水平，加強(qiáng)安全教育，落實(shí)責(zé)任主體，保證正常的工作質(zhì)量，避免不必要的誤操作。

施工缺陷會(huì)對管道的使用壽命和安全可靠造成影響，主要體現(xiàn)在管溝開挖、回填、穿跨越等施工工序的處理上，因此應(yīng)加強(qiáng)對施工隊(duì)伍資質(zhì)的審查工作，針對施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)制定詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)，并結(jié)合設(shè)計(jì)部門進(jìn)行施工交底活動(dòng)，按照質(zhì)量程序文件的相關(guān)要求進(jìn)行施工，避免施工階段的錯(cuò)誤操作。

3 實(shí)例驗(yàn)證

通過收集整理2003—2016 年間國內(nèi)文獻(xiàn)公開報(bào)道的32 起集輸管道失效事故[16-17]，并與指標(biāo)層中的因素進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)人為破壞導(dǎo)致的管道失效總次數(shù)最多。各種類型的事故所占的比例與權(quán)重見圖2。

圖2 實(shí)際失效事故中不同原因所占的比例和權(quán)重

由圖2 可知，本文風(fēng)險(xiǎn)分析方法與實(shí)際事故中的原因分布基本保持一致，減少了因?qū)＜遗袛嗪腿藛T知識結(jié)構(gòu)差異造成的邏輯混亂，可以較為真實(shí)地反映影響管道安全運(yùn)行的重要因素。

4 結(jié)束語

（1） 本文建立了集輸管道失效的事故樹模型，共識別和定義了23 個(gè)基本事件，通過利用最小割集對每個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行了求解，將事故樹與層次分析法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從結(jié)構(gòu)重要度—判斷因子—判斷矩陣的轉(zhuǎn)化，使評價(jià)結(jié)果更具有客觀性。

（2） 評價(jià)結(jié)果顯示：人為破壞、材料抗腐蝕性能差、含酸性介質(zhì)、運(yùn)行誤操作和施工缺陷等是構(gòu)成管道失效的主要因素，與實(shí)際失效事故中的原因概率分布基本保持一致，證明該方法可以較為真實(shí)地反映影響管道安全運(yùn)行的因素。