基于FTA的挂桥管道泄漏风险分析

范自盛，潘 瑜

(福建船政交通职业学院 安全与环境学院， 福建 福州 350007)

0 引言

随着我国城市基础设施建设的不断发展，城市管廊的建设规模也迅速扩大，综合管廊、管线的敷设越来越多样化。当管线跨越河流时，当受到通航、管廊检修、管廊腐蚀等诸多因素的影响限制时，可利用现有桥梁进行跨越。由于管桥一体，桥梁运营振动、热应力伸缩等对管道的影响及管道腐蚀、管道设计不良等诸多因素的影响，可能发生管线泄漏事故。在发生污水管线泄漏事故之后，将对桥梁通行安全和海洋环境保护造成严重的威胁，并且难以短时间恢复，将较长时间影响桥梁安全运营，需要特别关注污水管线泄漏事故[1]。本文将以某入岛连接桥挂管工程为研究背景，运用安全系统工程事故树分析法(FTA)，进行挂桥管道泄漏原因分析，编制FTA事故树，并进行定性分析，全面系统分析可能导致的管道泄漏的原因，并提出工程设计、施工及运营的安全防护措施，为设计单位、建设单位提供决策参考；为主管部门对项目的审批、工程验收和项目建成投产后的安全监督管理提供依据。

1 挂桥管道泄漏危险性分析

1.1 工程概况

该陆岛连接桥主桥为独塔双索面斜拉桥，主跨为66 m的四跨连续梁，为预应力连续箱梁结构，全桥长685.44 m。索塔为混凝土塔外包钢外壳，上部结构采用双主梁肋板式，基础采用钻孔灌注桩。挂管工程采用双管挂桥敷设，污水管管径DN 400 mm，一用一备，通过切换阀门互为备用，管材采用不锈钢管，压力污水管道设计流量为145 L/s，控制流速为0.8～2.5 m/s。挂管的平面布置、横断面布置如图1和图2所示。

图1 挂管平面布置

图2 挂管横断面布置

1.2 挂桥管道泄漏危险因素分析

根据历史管道泄漏事故分析，引发挂桥管道爆管导致泄漏的的原因包含了人为设计施工缺陷因素、管道自身因素、环境因素及管道运营管理因素等，总结起来主要有以下原因：

(1) 管道材质

有些管材由于管材质量和铸造工艺的问题，存在管体强度不足、脆性大的问题，管体组织较为疏松，管道壁存在难以消除的气孔、内沟、黑渣等问题，如灰口铸铁管，其在横向作用力及外力振动联合作用下，以及弯曲应力比较大的部位容易发生在纵向发生开裂现象。

(2) 连接方式

有许多管道采用刚性连接，该连接方式具有坚硬接口，但是不具备抗拉、抗弯和抗剪切的能力，特别是在外力的影响下，对管道位移、振动和扭转的抵御能力差，容易导致漏水，而管道挂桥除了考虑管道自身热应力作用，还应考虑桥梁在风载荷及车辆通行产生的振动的作用，桥梁受热应力伸缩对管道产生的影响，刚性接口或接口匹配不当均可能造成管道变形而泄漏。此外，管道焊接或连接工艺质量也可能造成重大影响，如承插式连接或采用焊接方法的管道上，由于场地受限或运输困难等原因需要在现场焊接施工，焊接完后进行防腐处理，由于施工场地限制及施工现场多变的环境等原因容易导致施工质量难以控制，尤其是小口径管道因施工难度大通常不进行防腐处理[2]。

(3) 管道腐蚀

对于埋地管道来说，容易受到环境外部腐蚀和管道内传输介质的腐蚀的联合作用，外腐蚀主要为管道覆土的腐蚀和空气中氧腐蚀作用，土壤的腐蚀主要是由于土壤的酸碱度、土质含水率及土壤内的微生物等方面因素有关。若管道防腐层在施工过程中留下薄弱环节，则容易导致管道局部腐蚀而破损的风险；内腐蚀则主要是由传输介质的化学腐蚀及电化学腐蚀而引起，进而容易导致管道内防腐蚀涂层脱落。结合本项目的特点，管道外部腐蚀主要受海盐和潮湿双重影响，腐蚀发生可能性较大，而内部腐蚀跟传输的污水的性质有关。

(4) 水锤与气囊

管道内流动的流体由于受到震动、气液共存等外界因素的影响，容易导致流体流动的速度发生激烈变化，而流体流速的变化又会导致管道内压强分布不均匀。在一定时间内，管路中升压和降压交替分布，直到完全衰减，这种现象就是水锤。水锤现象发生后，由于交替分布的压强，容易使管道局部压力过大，出现管道开裂破损而导致漏水现象。气囊是管道受损泄漏的重要因素。在长输管道中，在设计流速不大的情况，气体以多以气囊的形式存在于管路的上部空间。流体刚刚开始流动时，在管道内部以层状或波状居多，此时若设有排气装置，则气体可以较为顺畅的排出，而一旦进入段塞流，则排气就比较困难了。由于管道受地形地质条件的影响，大管径、多起伏的长输管道排空装置设计不够合理或者缺乏足够的排气装置，很容易导致管内充气聚集，如果出现管道排气不顺畅或不彻底，则有可能导致气囊压缩，促使形成高强压力振荡，引起管路剧烈震动现象，影响管道运行安全和正常供水。

2 挂桥管道泄漏FTA事故树分析

根据以上分析，导致管道泄漏的影响较多，为系统分析管道泄漏成因和个因素的内在关系，为制定系统的管道泄漏措施提供可靠的依据，采用FTA事故树分析法进行定性分析。

2.1 FTA事故树分析法适用性分析

对于系统中特定事故，如果需要分析事故发生的原因事件组合、各原因事件的内在逻辑关系及各原因事件对顶上事件的影响分析，进而为事故的预测预防提供依据，通常可以选用FTA事故树分析法。

通过分析有利于辨识系统中存在的各种危险有害因素，为系统的安全设计及优化，安全技术措施、安全管理措施及应急措施的制定提供依据。也可以通过依据FTA事故树分析的结果与系统的设计及现场情况进行有效比对，对系统中特定事故进行安全评价，分析事故的风险程度。

2.2 挂管管道泄漏事故树编制

本次分析的方法选用FTA事故树分析法，确定顶上事件为挂管管道泄漏事故。根据挂桥管道泄漏危险性分析，挂桥管道泄漏事故树，如图3所示。通过事故树分析可以脉络清晰地将事故从近及远，层层深入剖析，找到挂管管道泄漏事故发生的根本原因。

通过分析可知，挂桥污水管道泄漏事故主要原因是管道的问题，包括管道的设计、管道材质及管道施工等问题；还有管道后期的腐蚀及运营维护保养问题；以及外界的破坏问题，包括人为破坏、温度应力作用及台风地震等自然灾害的作用。并把这些原因事件进行层层分析，分析到能够指导工程设计、施工及运营的基本原因事件为止，共分析出15个基本原因事件。其中与人的因素有关的包含了X1、X2、X3、X4、X7、X8、X13，与物的因素有关的包含了X5、X6、X11、X12，与环境有关的因素包含了X9、X14、X15，与安全管理有关的因素包含了X10。可以分别从人机环境管理四个方面制定有针对性的措施予以预防控制。

结合工程实际，需要充分考虑管道与桥梁直接的相互影响关系，“设计缺陷”中X1、X2、X3、X4四个因素发生的可能性较高，应重点考虑预控控制措施。

2.3 挂管管道泄漏事故树定性分析

挂管管道泄漏事故树绘制完成后，即可进行事故树定性分析[5]。通过计算挂管管道泄漏事故树最小割集，确定事故发生途径和种类，进而分析各基本原因事件对挂管管道泄漏事故顶上事件的影响程度，应用最小割集计算结构重要度，为科学有效地制定预防控制措施提供依据，防范同类事故发生。计算如下：

(1) 事故树最小割集

应用布尔代数法，挂管管道泄漏事故树最小割集计算过程为：

T=A1+A2+A3+X16

=(B1+B2+B3)+X10B4+(X13+X14+X15)

=(X1+X2+X3+X4)+X5X6+(X7+X8+X9)

+X10(X11+X12)+(X13+X14+X15)+X16

=X1+X2+X3+X4+X7+X8+X9+X13

+X14+X15+X5X6+X10X11+X10X12+X16

(1)

经过计算，该事故树的最小割集共有14个，即导致挂管管道泄漏事故的途径至少有14种，导致事故的路径较多，且大部分单个基本原因事件就会导致顶上事件发生，危险性较大，需要结合每个基本原因事件，分别制定有针对性的预防控制措施。最小割集具体见表1。

表1 挂管管道泄漏事故树最小割集

(2) 事故树结构重要度计算

为了明确各基本原因事件对顶上事件(挂管管道泄漏事故)发生的影响程度，有层次有重点的制定预防控制措施，需要进行结构重要度计算分析，确定各基本原因事件的重要程度排序。

(2)

运用式(2)进行挂管管道泄漏事故树各基本原因事件结构重要度计算[6]，并将结构重要度大小进行对比并排序：

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(7)

=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)

=Iφ(16)>Iφ(17)>Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(11)=Iφ(12)

(3)

从挂管管道泄漏事故树分析来看，结构重要度居前的分别为X1荷载设计不足、X2连接方式不恰当、X3排气装置设计部合理、X4管材选用不当、X7安装质量差、X8焊接质量差、X9撞击挤压破损、X13人为破坏、X14温度应力作用、X15地震、台风、雷击影响等，设计、施工因素的影响较大。结合挂管工程实际，应从各项措施的可行性、针对性和风险控制的有效性制定预防控制措施。

3 挂管管道泄漏事故预防措施实证分析

根据挂管管道泄漏事故FTA分析的结果，结合本项目的现状，提出挂管管道泄漏事故预防措施。

(1) 荷载设计不足预防措施

设计过程需充分进行内外压荷载计算，在满足管道内压情况下，还应考虑固定支墩、风载、桥梁震动对管道的外压影响，并考虑管道使用周期的劣化导致承压能力降低的影响，充分考虑冗余系数，选择承压能力强、使用性能可靠的管材，并在固定支墩上合理设计衬垫层，分散固定支墩对管道的外压[7]。施工过程，可选用管材的公称压力等级不小于管道系统所选管材压力等级的1.25倍，并要求管道试压按《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268-2008)等有关规范、规程执行。管道安装完毕，需根据相关规定进行强度及严密性试验。本项目设计文件中对管道内外压强进行了计算，并从锚点、支墩、管材承压能力进行了优化设计，施工方案也提出了强度及严密性试验要求。

(2) 连接方式不恰当预防措施

本项目管道连接方式充分考虑管内流体介质、施工条件、地质条件、桥梁结构变形、挂桥管道变形等因素，对采用刚性接口或柔性接口进行了优化比选。考虑了污水及合流管道的影响，桥梁与管道相互形变的影响，应优先选用柔性接口。考虑到海盐和潮湿双重腐蚀影响，挂桥污水管线应优先选用耐腐蚀的不锈钢无缝钢管，管道间采用法兰柔性连接，同时，在桥梁伸缩缝位置设置波纹补偿器，协调挂桥管道与桥梁结构变形。

(3) 排气装置设计不合理的预防措施

本项目挂管全长685.44 m，且管道运行过程中容易受到桥梁震动及风载的影响，在设计压力管道时，应充分考虑水锤的影响，在每隔一定距离处，在管道的高点设置排气装置；在管道的低点以及每隔一定距离处，应设排空装置。

(4) 管材选用不当、安装质量差、焊接质量差等质量问题的预防措施

本项目在专业化场地焊接成型，应在现场焊接安装，可能存在安装质量差、焊接质量差的问题。应严格施工现场安装质量管控，挂管材质应选择承压能力强、使用性能可靠、施工简单、使用年限长，内壁光滑、输水能力强的管材[8]。对安装工程和焊接作业等，严格按照施工图中“检验与质量控制”对外观检验、热熔接口的外观检验要求及质量控制说明，进行施工质量验收。

(5) 撞击挤压破损、人为破坏等人为破坏的预防措施

在严格施工现场安装质量管控，强化施工质量验收的基础上，运营过程中需制定管道定期维护制度，并落实管道的日常检查、维护。管线及检修通道采取隔离防护措施。检修通道两端设置封闭门，防止人为破坏。

(6) 阀门泄漏的预防措施

在施工阶段，挂桥管路上的阀门、法兰等重要的配件必须选用符合工况质量合格的产品，严控产品质量进口关。在运营过程中，还需要注意日常的监控、检查和定期的保养，避免因阀门泄漏而造成的管网泄漏事故。

(7) 温度应力作用、地震、台风、雷击影响及等自然因素影响预防措施

设置温度应力补偿装置，如波纹补偿器，用于消除温度应力作用。其次，在荷载设计过程中应考虑台风风载、地震震动荷载的影响[9]。因挂桥管线在桥梁下部，受雷击影响较小，可以不做处理。

4 结论

(1) 由于管桥一体的特殊性，增加了压力污水管道泄漏危害后果的严重程度。通过挂桥管道泄漏FTA风险分析，能够全面系统的分析其发生的原因和路径，确定影响较大的基本原因事件，提出有针对性的对策措施。

(2) 通过工程实例验证，能够有效降低压力污水管道泄漏风险，提高挂桥压力管道的安全性，研究结果也为其他挂桥管道建设项目提供了借鉴。