基于事故树分析法的长输管道泄漏因素分析

顾文婷李 超毕中毅

1.兰州理工大学 石油化工学院 （甘肃 兰州 730050）

2.西安科技大学 能源学院 （陕西 西安 710054）

基于事故树分析法的长输管道泄漏因素分析

顾文婷1李 超1毕中毅2

1.兰州理工大学 石油化工学院 （甘肃 兰州 730050）

2.西安科技大学 能源学院 （陕西 西安 710054）

泄漏是长输管道的典型事故，也是引起其他一些事故的重要原因。通过运用事故树分析法对长输管道泄漏问题进行定性和定量分析，可以识别引起长输管道泄漏的主要因素。通过构建管道泄漏事故树，求解重要度、事故发生概率和临界重要度，形成基于事故树分析的长输管道泄漏因素分析方法，能为更好地实施长输管道安全管理提供重要依据。

事故树分析法 长输管道 管道泄漏因素

长输管道是指产地、储存库、使用单位之间的用于运输商品介质的管道[1]，其中应用最为广泛的是输油及输气管道。在现代油气集输生产过程中，长输管道的作用越来越重要，而因管道泄漏所造成的安全事故和环境污染也让企业蒙受了巨大的损失，因此防范管道泄漏，提高油气管道运输技术的安全性、可靠性成为了企业急需解决的问题。

我国长输管道技术起步较晚，发展亦相对滞后，其安全事故曾多次发生，尤以管道泄漏问题最为严重。例如，四川石油管理局南干线在1971～1990年共发生108起失效事故，每次事故停输时间超过24h，经济损失约达1亿元人民币，塔里木轮南-库尔勒输油管线在建成后的试压过程中还发生了爆炸和泄漏事故。因此，开展长输管道安全评价工作对避免事故发生，消灭事故隐患，实现长输管道安全生产有着重要的意义，同时也为制定防范措施和安全管理提供重要的科学依据。目前实际工作中应用最为广泛的评价方法有安全检查表法、专家评议法、预先危险分析法、故障假设分析法、事故树分析法等，其中事故树分析法是从一个可能的事故开始逐层的分析引起事故的触发事件、直接原因和间接原因，并分析这些事故之间的相互逻辑关系，最后通过树状图和特定的符号将逻辑关系表示出来[2]，这不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出导致事故发生的潜在因素，并对各种系统的危险性进行辨识和评价。事故树分析法具有简便实用、表述清晰、灵活性强、分析全面等特点，被经常用于航空航天技术、石油化工企业等的安全评价方面。

事故树分析法

事故树分析法（Accident Tree Analysis，ATA）起源于故障树分析法（FTA），是安全系统工程的重要分析方法之一。

事故树分析由美国贝尔电话研究所于1961年为研究民兵式导弹发射控制系统而首先提出来，1974年美国原子能委员会运用FTA对核电站事故进行了风险评价，发表了著名的《拉姆逊报告》。该报告有效利用了事故树分析法，在社会各界引起了极大的反响，受到了广泛的重视，从而迅速在许多国家和许多企业应用和推广。我国开展事故树分析法的研究是从1978年开始的。目前已有很多部门和企业正在进行普及和推广工作，并取得了一大批成果，有效地促进了企业的安全生产。

事故树分析法首先要确定顶上事件，即所要研究的对象，其次要调查导致顶上事件发生的所有原因，而后用逻辑门符号将各个基本事件逐层联系起来形成树状图，最后根据树状图进行相关计算和分析从而得出结论[3]。

用事故树描述事故的因果关系直观、明了，思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析。通过计算最小割集、最小径集的定性分析确定各基本事件的结构重要度排序可求出危险因素对事故影响的程度；通过定量分析，根据各危险因素的概率计算出事故发生的概率，从数量上说明是否能满足预定目标值的要求，从而确定采取措施的重点和轻重缓急顺序。

管道泄漏的事故树分析

1 导致管道泄漏的原因主要有以下几个方面

（1）自然灾害的破坏。主要包括管道上方路面的塌方、洪水和地震等非人力所能制约的灾害因素。

（2）第三方的破坏。主要包括管道上方的违章施工作业以及打破管道偷窃油气资源。

（3）安装问题。即指在管道安装施工过程中的工程质量、管道埋深、焊接等问题。

（4）设备故障。主要指管道选材质量不过关、管道附件质量及其由于疲劳工作所造成的设备损耗等问题。

（5）腐蚀及土壤等自然因素问题。主要包括阴极保护和防腐层自身失效、土壤成分等问题。

其具体情况见图1管道泄漏事故树和图中字母T为管道泄漏（顶上事件），和表1[4]。

图1 管道泄漏事故树[6]

表1 长输管道泄漏基本事件表

2 定性分析

定性分析[5]，即根据事故树结构图（图1）进行布尔代数化简，求出最小径集，确定各基本事件的结构重要度排序，基本事件的结构重要度越大，它对顶上事件的影响程度就越大。

最小径集的求法是将事故树转化为对偶的成功树,根据事故树机构图可得出事故树的成功树机构函数为：

经计算得出27个最小径集如下：

式中Ii为基本事件Xi的结构重要度系数的近似判断；N为Xi所在最小径集Pj中基本事件的个数。

根据事故树的最小径集，可以判断出各个基本事件的结构重要度：X1、X2、X3存在于27个径集中；X4存在于15个径集中；X5存在于9个径集中；X6存在于15个径集中；X7存在于9个径集中；X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16存在于27个径集中；X17、X18、X19、X20及X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27、X28及X29、X30、X31、X32、X33、X34都分别存在于9个径集中，因此需要计算的结构重要度为：I1、I4、I5、I6、I7、I8、I17、I21、I29。

经计算得出重要度排序：

根据上述结构重要度排序得出，引起管道泄漏的因素主要为：自然灾害（主要为地壳运动）、腐蚀、管道材质、施工原因和第三方破坏。

3 定量分析

定量分析，即依据各基本事件的发生概率，求解顶上事件的发生概率，在求解顶上事件发生概率的基础上，求解各基本事件的概率重要度及临界重要度，而基本事件的发生概率采用统计法或专家主观判断法估算。

如果已知基本事件Xi的发生概率Qi,i=1，2，3，…，34，

顶上事件的发生概率公式为：

结构重要度分析即在不考虑基本事件的发生概率或者假定基本事件的发生概率都相等的情况下，仅从事故树结构上分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度。

结构重要度系数的判别式为：

P(T)为顶上事件概率，k为最小径集个数

求出顶上事件概率即可求出概率重要度，概率重要度是顶事件发生概率对某个基本事件发生概率的偏导数。即若已知：P(T)=g(Q)=g(Q1，Q2，…Qn)，则基本事件的概率重要度则为：

由上可知，计算概率重要度必须先知道基本事件的发生概率，而概率重要度却不能从本质上反映各个基本事件在事故树中的重要程度，而临界重要度则是从敏感度和概率双重角度衡量各基本事件的重要度标准。

管道泄漏数据验证分析及对策

1 数据验证

经过了大量文献资料的查证，选取如下几个数据图表：

CONCAWE（欧洲石油化工协会）保留的资料精确记录了石油输送管线的泄漏（如图2）。由此可以看出，每年的单位管道长度总体泄漏量在80年代呈逐年下降趋势，但是90年代有一个突然的增长，石油泄漏量的增加是由腐蚀和管道部件引起的[7]。

欧洲九家输气公司于1982年进行了紧密的合作，建立了欧洲天然气管道事故数据库 （European Gas Pipeline Incident Data Group简称EGIG），大量详实的数据，给管道的设计、运营和维修提供了帮助[8]，见表2。

1970～2000年，美国天然气长输及集输管道共发生事故8 814次，年平均发生事故294次。统计结果表明：外部干扰、腐蚀、焊接和材料缺陷、设备和操作是引发管道事故的主要原因[8]，见表3。

表2 1970-2001年天然气管道泄露事故统计

表3 1985-2000年美国天然气管道事故统计

表4 1969-2003年四川地区输气管道事故统计

我国天然气管道事故以四川地区最为典型，由于四川地区大部分输气管道已接近或超出服役期，加之早年施工技术水平及材料问题，使得管道的腐蚀问题日益凸现。其次为施工缺陷和外部干扰，管道的第三方破坏事件也较为严重[8]，见表4。

从上述图表数据得出，引起管道泄漏事故的主要原因集中在腐蚀、材料缺陷、施工缺陷及外部干扰（第三方破坏）。统计的数据与前文定性分析的结果一致，说明事故树分析法在对长输管道的事故分析中，能够科学的反映事故原因，为事故调查和事故预防提供了科学的依据。

2 分析及对策

（1）建立应急预案体系，加强安全质量管理

长输管道从设计之初就应该避开地壳活动较为剧烈的地区，从而避免在日后的运营过程中可能遭受地震等自然灾害的破坏，这就要求企业相关部门要预先制定科学完备的应急预案体系。建立应急预案体系要遵循科学实用、快速高效、操作性强的原则，在自然灾害发生的第一时间上报情况并迅速启动应急预案。

施工现场的安装和设备操作不当最容易导致管道发生泄漏。目前，个别企业就存在购置管道质量不过关、违章施工、违章指挥等安全隐患问题。相关部门应按照管道施工作业技术规程和标准，严把施工作业过程质量关，明确各级管理者的责任，对施工现场作业人员严格进行技术培训，保证具备相应的操作技能，做到持证上岗；按照质量管理体系PDCA管理模式，做到“五个从严”，即从严审核施工技术方案策划的确认、从严把好施工作业过程的运行监视控制（尤其要特别关注焊接过程每道工序的检测质量关）、从严进行施工作业结束后的检测和测量程序、从严纠正和整改施工过程中不符合工程质量要求的问题，坚持对管道施工质量实行终身责任追究制。

（2）加大监察力度，严控第三方破坏

近年来，由于第三方破坏所造成的管道泄漏愈演愈烈，使国家和企业遭受了巨大的经济损失和环境污染。在上述分析中，第三方破坏所包含的基本事件的结构重要度排在了第二位。2007年山东电视台披露了中石化管道储运公司临邑济南输油管线周围居民打孔偷油，偷气事件。石油化工企业的生产作业队大多处于偏僻的野外乡村，长输管道铺设途径的地段往往是经济欠发达地区，当地居民收入普遍偏低，法律及公共财产保护意识薄弱，再加上个别地方实施保护政策，执法不严，造成了此类偷窃油气、破坏管道问题屡禁不止。为此，企业应首先加强针对输油管线周边群众的普法教育，与当地政府建立长效的合作和协商沟通机制，通过开展引进帮贫解困项目等措施，解决当地的经济发展问题；其次加强长输管道巡线工作，在管道集输系统安装先进的报警装置，做到全时段实时动态监控；再次对于管道警示标识不清晰的地段要及时采取相应措施，及时发现和制止在管道上方的各类违章施工行为；最后与当地公安执法部门密切配合，加大监察和执法力度，严厉打击偷窃、破坏国家财产的违法行为。

（3）加强科学检测，防治管道腐蚀

管道腐蚀包括外腐蚀和内腐蚀两个方面。外腐蚀主要影响因素是土壤腐蚀，防腐绝缘涂层失效，阴极保护失效，管材抗蚀性差等。内腐蚀主要由油气中的硫化物酸性介质引起。严重腐蚀将导致防腐绝缘涂层失效，管壁减薄，管线穿孔导致管线开裂[9]。因此做好长输管道埋设前设计方案的审定，要根据实地埋设考察管道途经阶段的土壤成份状况，长输管道投入使用后，企业相关部门要定期、规范的进行检测，发现问题立即解决。检测手段要着眼于现代高科技，检测人员要切实履行职责，提高安全预防意识，建立健全质量管理、安全监督检查长效机制，制定防止管道因腐蚀开裂等原因引发的各类泄漏突发事件或事故的应急处置预案。

目前，长输管道已经成为继铁路、公路、海运、民用航空之后的第五大运输行业，其输送介质，除常见的石油、天然气外，还有工业用气体如氧气、CO2等、乙烯、液氨、矿浆、煤浆等介质。近年来，我国针对油气的长输管道建设发展迅速，但现有大型输油气管线总长不过3万km，仅占全世界油气管线的1/100。专家预计，未来10年我国将实现汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道进行输送。要完成上述目标，平均每年都要新建2万km的管线，因此，我国油气管道建设将会迎来新的高潮，这同时也加重了输油气管道的质量和安全工作负担，保证长输管线的安全平稳运营就是保证了国家经济建设平稳、健康、快速的发展。

[1]郑津洋，马夏康，尹谢平编．长输管道安全[M]．北京：化学工业出版社，2004.

[2]王楷．基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究[D].武汉理工大学，2009.

[3]全民，王涌涛，汪德爟．事故树分析法的应用研究[J]．西南石油大学学报，2007（8）.

[4]张乃禄，赵晓姣，徐竟天，郭小平．原油集输联合站故障树分析研究[J].中国安全科学学报，2008（3）.

[5]廖柯熹 ，姚安林，张淮鑫．天然气管线失效故障树分析[J].天然气工业，2001,21（2）.

[6]赵新颖，李自力，王春涛．石油储罐火灾爆炸事故树分析[J]．油气储运，2005（25）.

[7]杨慧来．长输油气管道定量风险评价方法研究[D]．兰州理工大学，2009.

[8]杜艳，谢英，王子豪，刘志成．天然气管道事故分析[J]．管道技术与设备，2009（2）.

[9]俞树荣，马欣，刘展等．在役长输管道不同时期可靠性安全评价[J].兰州理工大学学报，2005,31(4).

Leakage is not only a typical accident of long-distance pipeline,but also an important cause resulting in some other accidents.By applying the fault-tree analysis method to qualitative and quantitative analysis about leakage of long-distance pipeline,primary factors leading to pipeline's leakage can be identified.Fault-tree for pipeline leakage is structured,and important degree,probabilities of accident and critical important degree are solved.Thus the factor analysis method for leakage of long-distance pipelines is formed based on fault-tree analysis method,which can be taken as an important basis in carrying out perfect safety management for long-distance pipelines.

fault-tree analysis method;long-distance pipeline；leakage factor of pipeline

顾文婷（1982-），女，在读硕士研究生,主要研究油田油气集输过程重大危险源的辨识及评价。

2010-03-29