天然氣管道放空系統失效的故障樹分析

李曉婷，李 楚，孫雷雷，張玉琳，周述丹

（1.中國石化天然氣榆濟管道分公司，山東濟南250000；2.中曼石油四川昆侖石油設備制造有限公司，四川成都610000；3.中國石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北武漢430000）

天然氣管道在運行過程中，經常發生管道超壓現象，管道檢修需對部分管段進行放空。若放空系統失效會直接導致天然氣管道因超壓而破裂，引發嚴重后果［1]。文中通過調研發現導致管道放空失效的因素主要為管道堵塞、點火失效等。對天然氣管道放空進行可靠性分析，找出管線的主要失效形式與薄弱環節，進而在放空系統的生產、施工、運行中采取相應的措施以提高天然氣放空系統的可靠性和使用壽命。故障樹分析作為工程系統可靠性分析與評價的有效方法，為天然氣管道放空失效分析提供了有效手段，該方法簡單明了，可直觀展示出影響放空系統可靠性的因素。

1 天然氣管道放空系統

國標GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規范》明確規定了輸氣站需在進站截斷閥上游、出站截斷閥下游、輸氣干線截斷閥的上下游均設置設備達到泄壓放空目的，以便能在緊急情況下使管段盡快放空。在天然氣管道放空系統中，有管道內待放空的管存氣體、放空管路和放空立管。其中放空管路包括相應的管件及附件［2]。常用的天然氣管道放空管路見圖1。

圖1 天然氣管道放空管路

2 故障樹分析方法

故障樹分析法，簡稱FTA，它是一種圖形演繹法。在數學闡述中，先設置特定的故障事件（或事故）開始，由故障樹考察可能引起該事件發生的各種原因事件及相互關系的系統安全分析方法［3]。其中，故障樹的頂事件是系統最不希望出現的事件，用特定的邏輯圖形從上到下的分析導致頂事件發生的全部直接因素及相互中的邏輯關系，并逐步深入分析，找出導致頂事件發生的最大概率的基礎事件。故障樹的分析含有定性分析和定量分析。通過定性分析尋找引發頂事件發生的全部基礎事件，并編制故障樹，求出所有基礎事件的最小割集合，并計算基礎事件對導致頂事件發生的結構重要度。在定量分析中，計算出頂事件和基礎事件發生的概率。2 種分析相互結合，就可找出放空系統的薄弱環節，再有針對性采取處理措施。

3 天然氣管道放空失效故障樹建立

建立天然氣管道放空故障樹，首先確定頂事件，選取管道放空系統失效作為頂事件（T1）。由從事天然氣管道運輸的經驗而言，引起天然氣管道放空失效的最直接而必要的原因主要是設備故障、第三方破壞、管理因素和設計缺陷，這些因素的出現將導致管道放空系統失效［4]。建立以邏輯門符號表示的天然氣管道放空失效故障樹，故障樹結構見圖2；失效故障樹因素見表1。

圖2 天然氣管道放空失效故障樹

表1 天然氣管道放空失效故障樹因素

3.1 故障樹定性分析

從天然氣管道放空失效故障樹可以看出：

（1）該故障樹共包括22 個邏輯門，為邏輯或門。由于邏輯或門數仍占絕對，故天然氣管道放空失效危險性較大，很容易發生事故。

（2）事故連鎖：故障樹的各個分支表示頂事件發生時可能鏈接的事件，直到導致事故發生的最終事件的途徑為事故連鎖。顯然，連鎖越多，系統越不安全。

（3）預防事故途徑：故障樹中直到最后呈現安全的途徑將預防事故發生的方案制定提供依據。在最終安全的事故途徑中，表示安全功能正常的事件全體為事件樹的最小徑集合。只要保證安全功能有效，即可避免事故發生。

（4）用最小割集理論分析：列出天然氣管道放空系統失效故障樹的布爾表達式。由布爾表達可知，造成天然氣管道放空失效的最小割集共有16個。

3.2 故障樹定量分析

設xi（t）為底事件i 在時刻t 時所處于的狀態的概率。如果底事件i 在時刻t 即時發生，則xi（t）=1；如果底事件i 在時刻t 不會發生，則xi（t）=0。底事件i在時刻t發生的概率等于隨機事件xi的期望值，因而有：

同理，頂事件的狀態必然是底事件向量X（t）={x1（t），x2（t），…，xn（t）}的函數，設Y 為該故障樹內描述頂事件的隨機變量，則頂事件在時刻t 發生的概率PY為：

經計算得出，基礎事件X5（管道堵塞）的重度系數最大，為1.75；其次是X6（自動點火失效）、X15（雜質沉積堵塞），分別為0.875和0.5。故而應從管路和點火著手，建立評價指標，并采取有效措施預防天然氣管道放空失效事故。

3.3 主要影響因素與建議

對故障樹和式（2）進行分析可以得出引起天然氣管道放空系統失效的主要因素，從而采取相應的處理措施以便提高放空系統的可靠性。其主要因素為：

（1）設備故障。設備故障有管線失效、閥門失效和點火失效3 個方面。管線失效主要有管線泄漏和管線堵塞，引起管線失效的基本事件有管道腐蝕穿孔、銹蝕（久未用）及雜質沉積堵塞等[5]；閥門失效主要有閥門泄漏和閥門未開啟，一般屬于人員誤操作或閥門久未使用而故障；點火失效主要有流量傳感器故障、點火器未點火、外傳點火器失效等，一般屬于點火器損壞，不能正常工作。應對天然氣管道和放空管道內部定期檢查，排除堵塞危險；定期檢查放空閥，防止放空閥失效泄漏；定期檢查點火器情況，確保點火器正常使用。

（2）設計缺陷。設計缺陷有管材缺陷和設計時危險源考慮不周。管材缺陷包括管材初始缺陷和安裝缺陷。初始缺陷主要是由于管材在制造加工中存在缺陷或運輸不當造成的。安裝缺陷是管段在安裝施工過程中由于技術人員焊接技能不足或材料問題造成。較為明顯的表現是管道薄厚不均、焊接不良，防腐絕緣涂層較劣質。管材缺陷會造成管線整體強度降低，增加管線腐蝕穿孔概率。

（3）管理因素。包括員工失誤和公司章程不完善問題。主要是員工缺乏操作的基本知識，公司未制定完善的放空系統維護計劃，未對員工進行培訓等。應加強平時對員工的操作培訓及操作演練，制定完整的放空系統維護章程。

（4）第三方破壞。包括人為破壞以及自然災害破壞。比如在管道上面的違章構筑物，在管道上方違章施工，水流對管溝、管道長時間沖刷，管道附近土層運動等都有可能造成天然氣管道失效泄漏，從而引起放空系統失效，應對管線及標志物進行定期檢測。

4 結束語

（1）故障樹分析方法具有直觀、簡明的特點，能夠從故障樹中直接看出各事件之間的關系和事件發生的鏈接，是進行天然氣管道放空系統可靠性分析的有效方法和手段。

（2）從故障樹結構上看，從頂事件向下延伸會形成很多層級，層次距離頂事件越近，不可靠性越大，在那一層上的所有事件只要有其一發生，就將能夠造成事故的發生；距離頂事件越遠，不可靠性就相對越小。

（3）建立了天然氣管道放空系統失效故障樹，該故障樹一共考慮了27 個基礎事件，通過故障樹分析確定了天然氣管道放空系統在運行和管理中的危險環節。

（4）通過對故障樹的進一步分析，確定了影響天然氣管道放空系統失效的主要因素，并提出了相應的改善措施，這為預防或減少放空系統失效提供了幫助。