输油管道故障树分析方法论文_孙鹏

摘要：输油管道是国家的重要战略物质，是国民经济和社会发展的生命线。若把石油比作工业的血液，管道即是能源的大动脉，因而输油管道的安全运行是关键所在。虽然国家已在输油管道的设计以及选择管材、设施及防腐材料和管道建设施工、运行管理等各个环节越来越规范。但输油管道运行安全的影响因素很多，腐蚀，人为破坏，不可避免的自然灾害，管道的老龄化，以及依然不可忽视由设计施工遗留的缺陷、错误操作等，任何一种因素都可能引起管道事故或失效，造成人、物、环境难以估量的损失。本文对输油管道故障树分析方法进行简述。

1 风险评估的主要方法

（1）风险评估的主要方法

风险评估主要有定性、半定量、定量三类方法。

定性方法的优点：直观、简单、快捷实用性强。但其影响性很大取决于分析人员的经验。有以下几种：安全检查表(SCL)、预先危险分析法（PHA）、危险和操作性研究（HAZOP）、故障树分析（ETA）、失效模式后果与严重程度分析（EMECA）。目前常将定性结果放入风险矩阵中，进行高、中、低风险评级。

半定量：也叫指数法。最常用的是专家评分法。

定量风险评估：包括危险指数评价和概率风险评价。根据实验资料、事故数据，建立相关数学模型，对系统风险进行定量计算。

（2）故障树分析法

即可做定性分析，又可做定量分析。

故障树的原理和应用：

故障树是一种利用布尔逻辑（又称布尔代数）符号演绎的表示特定故障事件（或事故）发生原因及其逻辑关系的逻辑树图，因其形状像一棵倒置的树，且其中的事件为一般故障事件，故而得名。将这些事件分级，将各事件的因果关系和逻辑关系用逻辑门符号连接，就构成了事故树。定性分析是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障的所有最小割集（MCS）。定量分析主要有两个方面：一是输入各单元(底事件)的失效概率，求出系统失效概率。二是求出各单元（底事件）的结构重要度，概率重要度、关键重要度，最后据关键重要度的大小排序出最佳故障的诊断和修理顺序。

（3）风险评价的步骤和内容[1-2]

1）准备阶段：明确对象和范围，现场调研，收集资料、技术标准、法律法规。

2）分析评价项目的路线、设备、工艺等特点

3）分析识别危险和有害因素：周边环境、场所、生产工艺流程的各个环节。

4）确定分析方法：选择合理、适用、可操作的方法，判断风险的可能性及程度。

5）安全评价结论和编制报告。

2 故障树分析方法

故障树分析方法是从分析失效因果关系中的顶事件开始直到底事件，由果到因，自上而下进行。一个故障树就是一个逻辑图，该逻辑图描绘了事件之间发生的次序。设为底事件i 在时刻t 所处的状态。如果底事件i 在时刻t 发生，=1；如果底事件i 在时刻t不发生，则=0。底事件i 在时刻t 发生的概率等于随机事件的期望值，因而有：

pi(t)=p{xi(t)=1} （1）

同理，顶事件的状态必然是底事件向量X(t)={x1(t),x2(t),…,xn(t)}的函数，设Y 为描述顶事件的随机变量，则顶事件在时刻t 发生的概率pY为：

pY=p{Y[x1(t),x2(t),…,xn(t)]=1} （2）

故障树的结构函数可用最小割集进行有效描述，其结构函数一般分为或门、与门两种，分别由以下两个表示：

　 （3）

　 （4）

管线的失效故障树分析就是要找出管线失效故障树的最小割集，对导致管线发生失效的各因素进行分析。

对于输油管道，根据建立故障树时顶事件的确定原则，“管道失效”则是此故障树的顶事件。而引起管道失效的常见原因是管道的穿孔和断裂，这两个原因中的任意一个发生都可以导致管道失效。因此，管道穿孔和断裂为此故障树的次顶事件。采用类似的方法以此类推，直到分析出代表各种故障形式的基本事件为止。

故障树定性分析包括三方面的工作：编制故障树，找出导致顶事件发生的全部基本事件；求出基本事件的最小割集合和最小径集合；确定各基本事件发生对顶事件发生的重要度，为防止发生顶事件而采取措施提供依据。

（1）最小割集合

在故障树分析中，把能使顶事件发生的基本事件集合称为割集合，而最小割集合是能够引起顶事件发生的最小的割集合，最小割集合表明哪些基本事件组合在一起会使顶事件发生，给人们指明了事故发生的模式。

（2）最小径集合

如果故障树中全部的基本事件都不发生，那么顶事件一定不会发生。在故障树中，把其中的基本事件都不发生就能保证顶事件不发生的基本事件集合称为径集合。顾名思义，最小径集合表示哪些基本事件组合在一起时不发生就可以使顶事件不发生。

（3）基本事件结构重要度

在众多基本事件中，导致顶事件发生也有轻重缓急，优先处理那些比较重要的问题，首先消除或控制对顶事件影响重大的基本事件。基本事件结构重要度：基本事件的结构重要度取决于它们在故障树结构中的位置。基本事件在故障树结构中的位置不同，对顶事件的作用不同。评价基本事件结构重要度的方法有两种：第一种是基本事件在最小割集合（或最小径集合）中出现的情况直接反映了该基本事件的结构重要度，第二种方法是计算各基本事件发生概率均为0.5时的概率重要度。这时，基本事件结构重要度与概率重要度顺序一致。本文采用第一种方法计算长输油管道失效的基本事件结构重要度，并对排序后的基本事件进行分析。

参考文献

[1] 常大海,蒋连生,肖尉,等.输油管道事故统计与分析[J].油气储运,1995,14(6):48-51.

[2] 王玉梅,郭书平.国外天然气管道事故分析[J].油气储运,2000,19(7):5-10.

论文作者:孙鹏

论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月5期

论文发表时间:2020/4/30