基于事故树-层次分析法的集输管道失效风险研究

焦 凯，刘 勇，伍嘉亨，杨 婧，张小芳，梁昌晶

1.中国石油华北油田公司第一采油厂工程技术研究所，河北任丘 062552

2.中国石油华北油田公司第一采油厂油田建设管理中心，河北任丘 062552

截止到2017 年底，我国油气管道总里程已经达到19.01 万km，但因管理不当、第三方破坏、腐蚀等因素造成的管道失效率居高不下，平均失效率为3 次/（1 000 km·a），远远高于美国和俄罗斯的 0.6 次/（1 000 km·a）[1-2]。1992 年，墨西哥的瓜达拉哈拉市发生了输油管道泄漏爆炸事故，共造成252 人死亡[3]；2013 年，中国石化所属的东黄输油管道发生泄漏爆炸事故，共造成62 人死亡[4]；2014年，台湾的高雄发生了城市燃气泄漏事故[5]，造成32 人死亡，对公众和社会造成了极其严重的影响。其中，油气集输管道多服役于油田，是油田生产开发中必不可少的组成部分，很多油气集输管道要穿越城市、农田、村庄、沼泽、湖泊、铁路等高后果区，一旦发生泄漏，会造成大面积的环境污染和人员伤亡。经研究表明，油气集输管道的平均失效次数远远大于油气长输管道[6]，因此以油气集输管道为研究对象，通过对影响管道失效的基本因素进行剖析和梳理，找到系统的薄弱环节，为集输管道日常的安全管理、风险规避和风险减缓提供理论依据。

目前常用的综合评价方法有模糊评价法、层次分析法、集对分析法、灰色关联法、支持向量机等[7]，其中层次分析法因分析和计算方法简单易行，采用了线性代数的方法对模拟解决问题提供了一种数学表达和处理的方式而得到广泛应用。但层次分析法属于主观评价方法，需要借助专家按照1-9 标度法对不同层级的因素进行两两判断，在构建判断矩阵的过程中容易受到个人专业和经验的影响，尤其是在专家人数较多的情况下更容易出现逻辑混乱现象。为此，引入事故树分析方法，通过事故树强大的致因分析能力[8-9]，对引起集输管道失效的基本原因进行整理和剖析，随后将事故树得到的结构重要度有效地映射到判断矩阵元素中，利用改进的层次分析法进行各指标权重的排序[10-12]，找到风险薄弱环节，以期为减少管道失效风险提供理论依据。

1 基于事故树的层次分析法

1.1 建立事故树模型

通过现场调研，同时对照美国管道及危险物品安全管理局（PHMSA，负责液体、气体、技术、配气管道安全管理）、加拿大标准CSA Z662—07（适用于油气干线、支线、集输、配气管道）、欧洲输气管道事故调查组织（EGIG，负责集输、输气管道安全管理） 的相关数据，针对集输管道失效复杂性、多样性、不确定性等因素，将集输管道失效的直接原因定义为泄漏和断裂，其中任何一个直接原因的失效都会引起事故树顶事件的发生，因此两者为或门关系，将泄漏和断裂作为事件树的次顶事件，根据风险源的辨识结果按照演绎分析的方法对各个事件进行逐层分析，直到找出各种失效模式的基本事件，按逻辑关系构成事故树模型，见图1。

图1 事故树模型

表1 为各事件的基本含义，共识别和定义了23 个基本事件。

表1 事故树基本事件含义

1.2 构造层次分析模型

根据图1 的事故树模型建立的层次分析模型见表2。

表2 层次分析模型

其方法是：通过对基本事件进行总结、分类和中性化描述后转化为层次分析法中各指标层因素，通过进一步归类，确定准则层的因素由腐蚀、材料及设备缺陷、第三方破坏、误操作四方面组成，目标层即为集输管道失效风险。

1.3 运用结构重要度构建判断矩阵

根据事故树模型，利用布尔代数法对模型进行化简，求得最小割集为12 个，最小径集为25 个，由于径集数量过多，计算结构重要度时过于复杂，因此选用最小割集来计算结构重要度。

最小割集P 为：

结构重要度Iφ（i）的计算公式如下：

式中：k 为求解事故树的最小割集或径集的数量；m 为包含有第i 个基本事件的最小割集或径集的数量；Rj为包含有第i 个基本事件的第j 个最小割集或径集的基本事件数量。

在事故树中，结构重要度是在不考虑基本事件发生概率的条件下，仅从模型上考虑基本事件对顶事件的重要程度，同时层次分析法中各指标层的权重也可以反映对目标层的影响程度，因此结构重要度和权重的作用具有一致性。取各个基本事件结构重要度的最小公倍数LCM，计算出基本事件的判断因子χ（i），计算公式见式（2），计算结果如表3 所示。

利用每个基本事件的判断因子构建两两判断矩阵，由于每个准则层都对应一定数量的指标层因素，所以准则层的判断因子可以用所属指标层判断因子的和来表示，记为腐蚀、材料及设备缺陷、第三方破坏和误操作的判断因子分别是250、217、156、96。由于层次分析中的判断矩阵元素aij均为整数，因此对比较结果进行四舍五入，准则层判断矩阵的计算方法如下：

表3 基本事件的结构重要度及判断因子

式中：m、n 为指标层中因素的个数；i、j 分别代表判断矩阵中的第i 行和第j 列。

同理，指标层判断矩阵的计算方法如下：

根据式（3）、（4） 计算可以得到各层级的判断矩阵，其中准则层的判断矩阵如表4 所示。

表4 准则层判断矩阵

2 层次总排序

对于准则层矩阵来说，最大特征根λmax=5.126，一致性指标CI = 0.032，平均随机一致性指标RI = 1.12，随机一致性比率CR = 0.028 <0.1，因此矩阵通过一致性检验，此时的权重向量ωb=（0.338 1，0.288 1，0.204 8，0.169 0）。同理，对于计算得到的指标层对准则层的判断矩阵也通过一致性检验，腐蚀B1的权重向量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），材料及设备缺陷B2的权重向量ωb2=（0.146 8，0.445 1，0.105 4，0.105 4，0.197 3），第三方破坏B3的权重向量 ωb3=（0.163 9，0.082 0，0.308 5，0.140 8，0.304 8），误操作B4的权重向量ωb4=（0.136 4，0.136 4，0.227 3，0.227 3，0.272 6）。由各层级的权重向量计算出指标层相对于目标层的权重，从而进行层次总排序，如表5 所示。

表5 层次总排序

由表5 可知，排序前五的分别为人为破坏、材料抗腐蚀性能差、含酸性介质、运行误操作和施工缺陷，这五项的综合权重都超过了0.06，是需要重点关注的环节。

首先，人为破坏对管道失效的影响最大，占总比例的12.82%，引起人为破坏的主要原因一方面是管道管理者与管道沿线居民沟通不畅、信息交流不畅造成的管道无意受损，主要包括施工开挖损坏管道、河床作业损伤管道和非法建筑占压管道等；另一方面是某些不法分子为了谋取利益进行的打孔盗油活动。针对集输管道多位于高后果区的特点，应加强与地方政府的信息沟通，避免管道无意受损；同时强化巡检频率，加强泄漏检测手段和安全监测预警机制，形成安全保护联动机制，避免有意破坏带来的重大损失。

其次，集输管道大都采用碳钢（主要是20号、20G、X42、X65 等钢材），在 CO2、H2S 等腐蚀介质的作用下，腐蚀倾向较大，一般3 ～5 年内就会出现腐蚀穿孔现象[13-14]，目前低Cr 合金钢和高Cr 不锈钢都属于抗腐蚀性较好的钢材，3Cr 合金钢在CO2、H2S 和Cl-共存的腐蚀环境下，均匀腐蚀速率为2.1 ～3.2 mm/a，而同样条件下20 号碳钢的腐蚀速率是3Cr 合金钢的20 倍；经研究表明，随着钢材中Cr 含量的增加，抗点蚀性能会越来越好，近年来超级13Cr 合金钢和25Cr 双相不锈钢的应用越来越广泛，且价格仅为低Cr 合金钢的一半[15]，今后可作为油田建设的首选材料。

流体中酸性介质的含量也是影响集输管道失效的重要因素，随着油田的深度开发，特别是大面积气驱、火驱和微生物驱采油技术的开展，导致CO2和H2S 腐蚀问题越来越严重，CO2和H2S 在水中溶解后会发生电离，析出的氢离子会降低流体的pH值，同时H2S 水溶液还会导致钢材发生硫化物应力开裂、氢致裂纹和氢鼓泡等氢损伤，因此应有效合理地控制酸性介质含量，采用添加缓蚀剂、管道内涂层、电化学防腐等相关技术，加强对管道的维护和管理工作。

运行误操作本质上属于管理失误，主要表现在违章动火、违章用电、泵和压缩机等关键设备违章操作、维修和检修过程违章操作等，因此企业应强化操作人员的技能水平，加强安全教育，落实责任主体，保证正常的工作质量，避免不必要的误操作。

施工缺陷会对管道的使用寿命和安全可靠造成影响，主要体现在管沟开挖、回填、穿跨越等施工工序的处理上，因此应加强对施工队伍资质的审查工作，针对施工过程中的薄弱环节制定详细的施工组织设计，并结合设计部门进行施工交底活动，按照质量程序文件的相关要求进行施工，避免施工阶段的错误操作。

3 实例验证

通过收集整理2003—2016 年间国内文献公开报道的32 起集输管道失效事故[16-17]，并与指标层中的因素进行对比，发现人为破坏导致的管道失效总次数最多。各种类型的事故所占的比例与权重见图2。

图2 实际失效事故中不同原因所占的比例和权重

由图2 可知，本文风险分析方法与实际事故中的原因分布基本保持一致，减少了因专家判断和人员知识结构差异造成的逻辑混乱，可以较为真实地反映影响管道安全运行的重要因素。

4 结束语

（1） 本文建立了集输管道失效的事故树模型，共识别和定义了23 个基本事件，通过利用最小割集对每个基本事件的结构重要度进行了求解，将事故树与层次分析法相结合，实现了从结构重要度—判断因子—判断矩阵的转化，使评价结果更具有客观性。

（2） 评价结果显示：人为破坏、材料抗腐蚀性能差、含酸性介质、运行误操作和施工缺陷等是构成管道失效的主要因素，与实际失效事故中的原因概率分布基本保持一致，证明该方法可以较为真实地反映影响管道安全运行的因素。