王 孟 李自力 陈健飞
(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;2.胜利油田技术检测中心)
输油管道第三方破坏故障树分析
王 孟*1李自力1陈健飞2
(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;2.胜利油田技术检测中心)
为了定性、定量地分析第三方破坏的各个事件对输油管道失效概率的影响,采用故障树分析法(FTA),利用求最小割集和结构重要度找出影响第三方破坏的重要基本事件,并结合层次分析法和模糊综合评价法求解第三方破坏的失效概率。研究表明第三方破坏中埋深和巡线的质量是影响输油管道失效的关键因素,并通过模型建立找出一种定量求解失效概率的方法。
输油管道 故障树 层次分析法 模糊数学
近年来输油管道泄漏、爆炸事故频发,究其原因,很多都是不法分子在输油管道打孔盗油和施工破坏管道造成的,这些都是第三方破坏的表现形式[1]。第三方破坏与地面活动程度、管道的埋深、巡线的质量、管道线路标志、附近居民的素质及政府宣传力度等因素都有很大关系。
故障树分析方法是一种演绎分析方法,它从一个可能的事故开始一层一层逐步寻找引起事故的初始事件、直接原因和间接原因,并分析这些事故原因之间的相互逻辑关系,用逻辑树图把这些原因和它们的逻辑关系表示出来[2]。利用故障树分析法来进行定性定量的分析输油管道第三方破坏各因素可以更加合理、有效、经济地提出相应对策来预防事故的发生。
故障树分析法是分析输油管道第三方破坏影响因素的有效方法。通过故障树的定性分析即最小割集分析和底事件结构重要度的计算,可以分析出影响输油管道第三方破坏因素及其薄弱环节,并为第三方破坏因素层次关系的确定提供参考和依据。
根据故障树建立原则选择“输油管道第三方破坏失效”作为顶事件。引起第三方破坏失效的最直接原因是“环境因素条件差”、“管道条件缺陷”和“不法分子故意破坏”。这3种原因中的任意一个都会导致输油管道失效,因此以这3个原因作为次顶事件,采用此方法以此类推,直到分析出各种故障形式的底事件为止[3]。输油管道第三方破坏失效故障树如图1所示,故障树中各符号代表的相应事件如下:
A1 第三方破坏
B1 环境因素条件差
B2 管道条件缺陷
B3 不法分子故意破坏
C1 外部环境因素
C2 内部环境因素
C3 水下穿越管道埋深太浅
C4 公众教育欠缺
C5 油地关系不好
D1 地面活动程度频繁
D2 管道线路标志不明
D3 巡线质量差
E1 地面管道设施防护不力
X1 建设生产活动频繁
X2 交通繁忙
X3 农业生产活动频繁
X4 地质勘探活动频繁
X5 占压
X6 管道施工作业带条件差
X7 地面设施与公路距离太近
X8 地面设施无围栏
X9 地面设施与道路间有较深沟渠
X10 无警示标志符号
X11 巡线频率低
X12 巡线方式不合理
X13 巡线员工素质及能力差
X14 线民密度小
X15 河底土壤深度太浅
X16 通航河道河床表面与航船底面距离太小
X17 缺少保护措施
X18 直埋段埋深浅
X19 管道安全宣传教育不够
X20 居民文化素质低
X21 村镇文明建设差
X22 与承包商、挖掘者会晤
X23 未与当地干部举行联席会
X24 未与村镇签订联防协议
图1 输油管道第三方破坏失效故障树示意图
2.1最小割集
在故障树中,把引起顶事件发生的基本事件的集合称为割集,也称截集或截止集。如果在某个割集中任意除去一个基本事件就不再是割集了,这样的割集就称为最小割集。也就是导致顶上事件发生的最低限度的基本事件组合。对故障树进行定性分析的目的是为了找出系统全部最小割集[4~6]。笔者运用下行法求解故障树的最小割集,然后再通过布尔代数运算法则进行化简。求解得到系统全部最小割集其中一阶最小割集4个,三阶最小割集16个,五阶12个。输油管道第三方破坏故障树的最小割集见表1。
表1 第三方破坏故障树最小割集
确定最小割集之后,通过对故障树结构重要度系数的计算,可以鉴别底事件的薄弱环节。
2.2结构重要度系数
底事件的结构重要度系数求解公式为:
式中kj——第j个最小割集;
nj——底事件i位于kj的底事件数;
Iφ(i)——第i个底事件的结构重要度系数;
xi∈kj——第i个底事件属于第j个最小割集。
利用上式求得各基本事件的结构重要度系数见表2。
表2 输油管道第三方破坏失效因素结构重要度系数
由计算结果可知,事件无警示标志符号结构重要度所占比例最大,即对第三方破坏影响最大。
3.1层次分析法确定专家权重
在输油管线第三方破坏各个底事件打分中,不同的专家有不同的看法,利用层次分析法可以更科学、严谨的对专家的权重进行估算,从而使失效概率的计算更加准确[7,8]。层次分析法大体分为以下5个步骤:
a. 立层次结构模型;
b. 构造判断矩阵;
c. 次单排序及其一致性检验;
d. 层次总排序;
e. 层次总排序的一致性检验。
在对现河采油厂六队外输线风险评估时聘请了来自设计、施工、管理、检测和维护方面的5位专家,对专家的能力进行评估,设总目标为“专家个人能力”(BE,Best Evaluation),此为模型第1层;影响专家能力的指标分为“专家个人的知识”(PK,Personal Knowledge)、“信息来源”(IS,Information Source)、“估计的公正性”(UB,Unbiased)及“个人经验”(PE,Personal Experience)等,此为模型的第2层;最底层是5位专家。以各个专家的信息对总目标的重要度为例构造评估矩阵进行优先排序:
计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi:
M1=24,M2=3,M3=1/3,M4=1/24
则:W=[W1,W2,…,Wn]T=[0.467 0.278 0.160 0.095]T
CW=[1.883 1.117 0.645 0.384]T
计算判最大特征根λmax:
=4.03
表3 随机一致性指标
同理可得,各个专家信息之间的比较:
λ=5.014,CI=0.0035,RI=1.12,CR=0.004<0.1,
λ=5.005,CI=0.00125,RI=1.12,CR=0.001<0.1
λ=5.0072,CI=0.0018,RI=1.12,CR=0.0016<0.1,
λ=5.01,CI=0.025,RI=1.12,CR=0.0223<0.1
则层次总排序为:
通过计算得各个专家的能力权值排序:
W=[0.251 0.133 0.141 0.252 0.223]T
为了确保专家能力权值赋分的合理性、科学性和精确性,结合油田管道的现状,经过对评估结果的反复论证,认为在对胜利油田输油管道风险评估时,专家个人经验(PE)、信息来源(IS)、估计的公正性(UB)和个人的知识(PK)这4个方面的关系为:PE=IS>UB>PK,具体为:PE=IS=2UB=3PK的关系。
3.2应用模糊数学计算基本事件的模糊概率
故障树中的各个底事件由于国内缺少历史统计数据而没法准确计算,所以利用模糊集理论来处理专家判断基本事件发生的概率,专家在判断失效概率时,会使用一些表示大小的模糊语言,在输油管道故障树基本事件概率的判断过程中,专家采用的自然语言设为:很小、小、较小、中等、较大、大、很大。研究采用模糊集理论处理这些不确定信息,用三角形模糊数或梯形模糊数代替这些自然语言[9]。设f1~f7分别代表自然语言很小、小、较小、中等、较大、大、很大的隶属函数,则隶属函数如下:
对专家的评判意见需进行综合处理,常用的方法是选用模糊截集,各式的α截集为:Wα=[z1,z2],z1和z2分别代表各α截集的上、下限。上述各式截集的上、下限和α值分别为:
f1α=[z1,z2],z1=0,z2=0.2-0.1α1
f2α=[z1,z2],z1=0.1α2+0.1,z2=0.3-0.1α2
f3α=[z1,z2],z1=0.1α3+0.2,z2=0.5-0.1α3
f4α=[z1,z2],z1=0.1α4+0.4,z2=0.6-0.1α4
f5α=[z1,z2],z1=0.1α5+0.5,z2=0.8-0.1α5
f6α=[z1,z2],z1=0.1α6+0.7,z2=0.9-0.1α6
f7α=[z1,z2],z1=0.1α7+0.8,z2=1
由此可推导出模糊语言对应的模糊数W的关系函数为:
其中,a、b分别代表自然语言模糊数的上下限。注意在计算专家意见总的模糊数的时候,要引进专家权重对其进行修正[10~12]。
在输油管道中,以占压为例计算其概率大小。选择了设计、施工、管理,检测和维护5个不同领域的专家对其进行评判,专家的意见分别为较小、较小、中等、较小、较小,在α截集下,5位专家意见的总模糊数W为:
f(z)=max[ω1f3∧ω2f3∧ω3f4∧ω4f3∧ω5f3]
=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]
wa=[z1,z2]=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]
则关系函数为:
此关系函数可以用最大模糊集和最小模糊集转化成模糊可能性值FPS。
最大模糊集为:
最小模糊集:
则模糊数的左、右模糊可能性值分别为:
FPSR(w)=sup(fw(x)∧fmax(x))=0.4674
FPSL(w)=sup(fw(x)∧fmin(x))=0.7016
FPST(w)=(FPSR(w)+1-FPSL(w))/2=0.3829
为了保证确定的失效概率和模糊失效概率之间的一致性,必须把FPS转化为模糊失效概率:
计算得到k=2.698,从而得到占压的模糊失效率FFR=0.002004,按照此方法可以得到所有底事件的概率。
对故障树进行分析可得引起输油管道第三方破坏的主要因素有:管道埋深、巡线质量和施工作业和地面活动度[13]。针对以上几方面提出改善措施如下:
a. 建立管道档案(技术资料)。包括管道设计资料、施工资料、运行资料、维修资料和检验资料5个方面。根据现有的检测经验发现油田油气集输管道大部分存在资料缺失形象,为此使用单位应在以后的工作中补齐这些资料。
b. 建立巡线管理制度,建立奖惩机制,采用先进的巡线技术,对油田企业相应职工进行法律教育。
c. 完善刑法外加强对团伙作案的法律惩罚力度;增加涉油犯罪正当防卫和自救行为条款,明确油田企业的权利;增加造成经济损失的追偿承担条款。
d. 做好巡线等运行管理工作。
e. 管道标识齐全且设置醒目。
f. 明确责任,强化管理。立法构建科学管理制,通过立法明确管道沿线地方政府的责任,采用问责制,落实定期安全检查和群众举报。通过油地联建,相互帮助,达到提高当地居民生活水平的目的,加大对周围居民的公共财产意识,做好定期全面的宣传工作。
针对输油管道第三方破坏的各种因素进行归纳和分析,采用具有直观、简明的故障树分析方法,对输油管线可靠性进行定性、定量分析,并提出了相应的预防措施,为减少和防范输油管道第三方破坏的发生提供了指导为管道运行单位、检测单位、维护单位提供相应的理论依据。
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SafetyAssessmentofThird-partyDamagestoPipelineBasedonFaultTreeAnalysis
WANG Meng1, LI Zi-li1, CHEN Jian-fei2
(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.TechnicalTestCenter,ShengliOilfield,Dongying257000,China)
With view to qualitatively and quantitatively analyzing every third-party damage’s impact on the pipeline failure probability, the fault tree analysis (FTA) was adopted and the seeking minimal cut sets as well as the structural importance were applied to identify basic events which affecting the third-party damages; and through combining with hierarchical analysis and fuzzy comprehensive evaluation method, the failure probability of the third-party damages was solved. Studies show that, both depth and quality of patrol line of the third-party damages is the key factor which affecting the pipeline failure; and through establishing a model, a way to quantitatively solve the failure probability can be reached.
oil pipeline, fault tree, hierarchy analysis method, fuzzy mathematics
(Continued from Page 654)
formation wear was derived and the effect of both incidence angel and temperature on the erosion rate was analyzed to show that, when the incidence angle stays around 50°, the GH864 alloy has maximal erosion rate; when the incidence angle ranges from 30° to 50°, the erosion rate of GH864 alloy rises with increase of temperature and then it rises slowly when the temperature exceeds 550℃; and at an incidence angle of 90° and the temperature ranges from room temperature to 400℃, the erosion rate of GH864 alloy keeps stably and at the temperature over 400℃, the erosion rate decreases substantially; the rise in temperature can raise cutting wear but decrease the deformation wear. The variation of flow stress, dynamic hardness and critical strain at different temperatures has great influence on the erosion characteristics.
Keywordsplastic metal, erosion, incidence angel, high temperature, micro-cutting, deformation
*王 孟,女,1990年8月生,硕士研究生。山东省青岛市,266580。
TQ055.8+1
A
0254-6094(2016)05-0616-07
2016-02-22,
2016-09-05)