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论文题目：长输管线设备安装缺陷与故障处

理

摘要

管道运输行业发展的这些年来，事故发生率较高，其中不乏恶性事故，后果严重，包括经济损失以及人员伤亡，引起了社会的强烈反响。因此，管道系统的后期管理，可靠性分析及维护和抢修也引起来自了各方面的重视。发展和完善这些技术刻不容缓。

对管线失效事件类型和后果的分析强调出在如何有效的控制有关危险中，预防是最重要的。管道的维护和抢修中最主要基本点是在对历史事故数据的分析基础上进行不同管道系统的风险识别及确认。本文借鉴其它管道系统的事故原因，列出了管道类型初步分类应考虑的条件和面临的主要风险。对管道类别应该有区别的划分:比如天然气管道和输送有危险液体介质的管道。因为不同类别的管道有不同的性质和危险程度。同一管道系统，不同管段也应该有所划分，这样才能准确了解各薄弱环节，分别轻重缓急，掌握减少风险工作的最佳时机，将风险因素控制在管理者容许的范围之内。

故障树分析是适合用于大型复杂系统的可靠性和安全分析的一种技术。应用故障树分析的原理建立了基于破裂和穿透两种失效形式的长输油气管线故障树，对故障树进行定性分析，求出最小割集，识别了引起管道失效的主要影响因素。故障树分析法从本质上讲还是一个容易进行定量计算的定性模型。因此，可以以此模型进行管道定量风险分析。

长输管道系统中由于缺乏足够的现场数据及实验数据，因此利用模糊故障树分析法对长输管线系统进行分析。以长输管线主要风险因素故障树为模型，采用三角模糊数表示事件发生的概率，计算管道失效概率，并将模糊重要度分析的新方法一中值法引入长输管线系统的故障树分析中来，给出了计算方法及步骤，并用模糊重要度法对故障树基本事件进行排序。为处理长输管线故障树中的模糊问题提供了一种研究思路。

运行中的油气管线是一个复杂的系统，这个系统中部分信息己知，部分信息未知，因而可以将它看作是一个灰色系统。同样以长输管线主要风险因素故障树为模型，运用灰色系统理论中的灰关联分析进行故障树诊断的综合分析。通过进行关联度计算及排序，对各种故障模式发生的可能性大小做出了判断，从而为处理事故的轻重缓急、控制事故的发生、改进系统可靠性和安全性提供了理论依据。

得出结论，提出观点:应该首先借鉴国内外已有数据、经验，将管道分类分段细化，建立每个管段的独立简化故障树。再进行定性定量分析，以找出薄弱管段，危险因素，以及提高系统可靠性需要注意的基本事件危险程度大小和排序，为管道的管理运行提供具体的数据理论基础。

关键词:长输管道；隐患；风险；图形结合；风险评价；模糊

目录

第1章引言 (1)

1.1论文背景 (1)

1.2长输管线运行现状 (1)

1.3论文意义 (2)

第2章长输管道的隐患 (4)

2.1长输管道风险 (4)

2.2风险来源分析 (5)

2.3风险频率 (6)

2.4影响 (9)

第3章图文结合研究 (12)

3.1故障树分析法 (12)

3.2长输管线故障树的建立 (14)

3.3定性分析 (15)

第4章定量分析 (17)

4.1模糊故障树定量分析 (28)

4.2讨论 (20)

第5章结论 (20)

致谢 (21)

参考文献 (22)

长输管线设备安装缺陷与故障处理

第1章引言

我国管道运输行业发展的这些年来，事故发生率较高，有些具有危险的管道没有进行风险评估，或者没有被国家安全规范考虑。虽然在设计和铺设输送危险介质管线经过敏感的或者人口稠密地区时,也参照了全面的设计验收规范执行。但在管道运行的这些年来，事故发生率还是比较高，带来了非常严重的后果，包括经济损失以及人员伤亡，引起了社会的强烈反映。因此管道系统的后期管理，可靠性分析及风险评价也越来越引起来自各方面的关注和重视。

1.1背景

截止目前为止，世界上长输管道的总长度已经超过2 000 OOOkm，占不到世界总长度的1 %。我国的管道运输起步晚，且管道运行管理目前情况亦是如此，甚至还相对落后。而我国的原油产量在世界上排第5位，原油产量在世界也排第5位，因此管道的建设与我国经济发展相比，并不能适应经济发展的要求，还有很大的发展空间。因此，在以后的发展阶段，管道系统的可靠性分析更应该引起足够的重视。我们要在修建新管道的同时，要切实保证在役管道安全可靠经济的运行。这就对我国输送危险介质。的油气管道运输的技术可靠性、安全性、风险性、经济性提出了更大的挑战。

油气泛指原油、成品油、液化烃、可燃液体化工品及可燃气体等，它们普遍具有易燃易爆及有毒等特性。但它们却是人类社会不可缺少的能源和原料。为了将这些重要的能源和原料运送到最需要的地方去，管道输送是最重要的手段。所谓油(气)长输管道是指长距离输送原油(成品油或油产品)或天然气的管道，一般其长度在25km以上输送危险介质的油气管线失效可能造成严重的危害，可燃或有毒物质泄漏是引起许多悲惨意外事故的开始事件。公众和社会对环境污染和意外事件的宽容度现在正在减退，同时，意外事件发生之后，管理者所要承担的责任则越来越大。尽管危险事件在全世界屡屡发生，但跟铁路，公路运输相比，管线输送仍然被认为是输送大量危险物质的最安全模态之一。

1.2运行现状

近几年，美国，俄罗斯、加拿大、英国、阿根廷、委内瑞拉等欧美国家发生过多起油气管道爆裂、泄漏事故，损失惨重.，给社会造成极大影响。当今，在全球范围内，有超过一半的管道己经进入老龄阶段(我国长输管道有82%的管龄己经超过24年，66%的超过25年)，更存在不少事故隐患。在20世纪80年代前后，国外(欧美及前苏联)油气管道的事故率约在46x10-'lkm·年。据美国管道安全办公室统计，从1986年1月到2001年12

月的16年间，全美输气干线共发生事故I 286起，死亡达58人，受伤217人，财产损失2.84亿美元。这些在第二章中会有详细叙述。

我国石油天然气管道的生产和使用是随着石油工业的兴起而逐步发展起来的。我国第一条长输管道是1958年建于克拉玛依一独山子炼油厂的双线输油管道。随着石油天然气的开发，我国迎来一个长输管道快速发展的时期，从上个世纪90年代中期逐渐进入高潮，目前我国正处在长距离输送油(气)管道建设的高峰期，在今后的几年里将形成东西南北相互贯通的管道网络。近几年来随着国家“西部大开发”战略的实施，我国已经建成的或正在兴建中的管道有:西气东输天然气管道、涩北一西宁一兰州天然气管道、兰州一成都一重庆成品油管道、茂名至昆明成品油管道、忠县至武汉天然气管道、宁波一上海一南京进口原油管道、环珠江三角洲液化天然气管道、镇海至萧山成品油管道，以及平湖至上海的海底天然气管道等。正准备兴建的管道还有中俄天然气管道、中俄原油管道，远景规划可能还有吐库曼斯坦至中国的天然气管道、西西伯利亚至中国天然气管道，以及苏里格气田的外输管道等[(z]0加02年我国国内共有输油(气)管道2.6 X 104km，这些油气管线分布在全国24个省，市，自治区，形成了东北，华北，华东，中原和西北的地下大动脉。但是长期以来，由于管理分散、法规不健全，技术水平落后等原因，管道普遍缺陷严重，带“病”运行，每年因第三方破坏、腐蚀、误操作等原因造成泄漏与爆炸事故也时有发生.据不完全统计，仅输油管道在近30年内共发生大小事故上千次;天然气管道也发生事故几百起。

1.3 意义

对管线失效导致的意外事件的分析强调出在如何有效的控制有关危险中，预防是最重要的。从过去的意外事件得到的教训中，我们明白必须落实相关的标准和规范。因此，长输管线的安全可靠性和风险性评价是一项非常重要的工作，发展和完善这些技术刻不容缓。

我国在大型的管道工程建设、运行管理、日常维护、事故检测和故障排除等方面缺乏经验和技术。为保证管道安全运行，必须从管道建设的每个环节入手，借鉴国外建设和运营管理的经验，以防为主，杜绝事故隐患。为此，针对国外管道建设大国如俄罗斯、欧洲以及美国管道事故进行了专项分析和比较，旨在了解国外管道事故状况，分析其原因，以便得到可以借鉴的经验。以防患于未然。

管道可靠性研究的主要任务是分析管线系统(包括设备)的故障模式及原因，计算单元或系统的可靠性，研究单元或系统故障对管路输送的影响找出系统的薄弱环节，提出改善和提高系统可靠性的具体而有效的措施，根据可靠性分析的结果确定最优的设备备用系数、维修能力、物质计划和必要的油气事故储备量。对于同一管道系统的不同管段的可靠性分析，可以准确了解各薄弱环节，分别轻重缓急，掌握减少风险工作的最佳时机，将事故隐患消灭在萌芽状态，避免事故的发生，将风险因素控制在管理者容许的范围之内。

管道定量风险评价(QRA-Quantitative Risk Analysis)作为管道风险管理的基础，其目的是通过计算某段管道或整条管道系统的风险值对各个管段(或各条管道)进行风险排序，以识别高风险的部位，确定那些最大可能导致管道事故和有利于潜在事故预防的至关

重要的因素、确定管段维护的优先次序，为维护活动经济性的决策提供依据，最终使管道的运行管理更加科学化。定量评价法是管道风险评价的高级阶段，是一种定量绝对事故频率的严密数学和统计学方法，是基于失效概率和失效结果直接评价的基础上的。其预先给固定的、重大的和灾难性的事故的发生概率和事故损失后果都约定一个具有明确物理意义的单位，所以其评价结果是最严密和最准确的。通过综合考虑管道失效的单个事件，算出最终事故的发生概率和事故损失后果。定量法的评估结果还可以用于风险、成本、效益的分析之中，这是其它定性评价法(Qualitative Risk Analysis)做不到的。然而目前大多数研究工作集中于生命安全风险或经济风险。而液体管线失效的环境破坏风险还不能定量评估，生命安全风险、环境破坏风险和经济风险的综合评价也尚未有合适的方法;另外，定量风险评价需要建立在历史失效率的概率统计的基础之上，而公用数据库一般没有特定管线的详细失效数据，公布的数据也不足以描述给定管线的失效概率。

虽然对管道风险评价已经引起了各方面越来越多的关注，也提出了各种评价方法。但总的来说，定量风险评价在长输油气管道上的应用还是一个新领域，在国内尤其如此。管道进行可靠性分析和进行定量风险评价则可以帮助其达到以下这些目的：（1）减少事故损失

众所周知，事故可能导致管道的破坏和停运、人员的伤亡、环境的破坏，而这些最终都会给管道公司带来巨大的经济损失，这些损失少则几十万、多则上亿，后果极为严重ys}。因此，分析管道失效影响因素可以预测预防事故的发生，也就减少了或避免了事故带来的经济损失。

(2)节约维修维护费用

由于资金问题，使新管线铺设受到限制，继续使用老管线比更换新管线更具吸引力，但必须对老龄管道的风险进行控制并进行及时的维护维修以确保其安全运行。管道风险分析是风险管理的基础，是安全生产的需要，是对管道进行全面和科学管理的重要方面。对在役油气管道，摸清事故原因中可变因素与不可变因素的组成，进行分析、排队，以制定恰当安全维护计划，并应针对性的采取减小风险的最佳对策，这些都避免了管道维护维修方面的资金和资源浪费。

(3)带来实在经济效益

从另一个角度来说，由这类分析导致的一定的安全投入(具体投入数量视具体项目、工程定)，会给管道运营带来更多的无限的实在经济效益。一方面事故率会大幅度减少，事故造成的直接损失和间接损失也就相应大幅度的减少;另一方面由于管道长期没发生事故(事故率很少)，管道管理者没有心理的压力，可以全身心地投入到工作中，从而使管道运营水平维持在一个较高的水平上。另外，投入到风险管理中一部分经费被用作对管理人员岗位安全知识的培训，或被用来进行经常性地安全检查，管道整体的安全管理水平得以提高、安全意识得到加强。从生产力角度讲，作为影响生产力水平的重要因素一人力资源的素质得到提高，那么生产力就会大大提高，这也会给管道的运营管理带来不可估量的经济效益。从更深的角度讲，由于对管道安全的管理，事故减少，造成的环境污染也小了，

这于管道公司、于国家以.及于整个人类而言这都是一种效益，它大大节约了公司、国家或人类用来治理环境的费用。

第2章长输管道的隐患

2.1风险

风险是指人们从事某项活动时，在一定时间内可能发生的危害。这种可能危害来自两个方面:一是风险事件发生的可能，即其风险概率，二是风险事件发生后的严重后果，即风险后果。一般定义为事故单位时间内发生的概率与该事故的后果(生命与财产损失或损伤及其他损失)的乘积。若以P C Probability)代表风险概率，C ( Consequence)代表风险后果，则风险R C Risk)可简单表示为:R=PCo据此，油气管道风脸可以定义为油气管道失效后果的数学期望，失效后果可用失效损失来度量曰。

风险本身就是既具随机性，又具模糊性。风险不是危险，它是发生灾害(损害)潜在可能性的一种量度。危险是风险存在的前提，危险可以定义为“可生产潜在损失的特征或一组特征”。危险转变为现实的概率的大小及损失严重的程度的综合称为风险。危险是无法改变的，而风险却在很大程度上随人们的意志而改变，即按照人们的意志可以改变事故发生的概率和(或)一旦出现事故后，由于改进防范措施从而改变损失的程度。

2.1.1原因

己经被石油工程行业识别的几种事故原因!类型通常被分为以下六种:

外部的干扰(主要指第三方破坏);

腐蚀；

构造缺陷和机械或材料失效;

基础移动或自然灾害;

误操作；

其他的或未知的因素。

前三类原因能在大多数的官方报告中找到。通过对事故数据的更进一步分析，可能得到更为详细的失效原因，比如疲劳裂痕，熔接缺点，内部的和外部的腐蚀，应力腐蚀，误操作，违规，等等。以上的这些分类是我们从对过去事故的分析中得到的最多的教训。然而，值得注意的是任何一个一般的机械失效都不会有一个明确的潜在原因，系统失效和人为过失也是如此。

外部干扰，多指使用机械并与干扰有关的第三方活动。这己经在油气工业管道里被认为是主要的故障机理。在保证管道的精确埋深记录及时提供给任何一个地区的承包商的前提下。外部干扰已被管道工业清楚鉴定为事故因素，事件的触发与操作者或建造者的活动并不不相关。除此之外所有的其他类型的事件都与操作者是否遵循安全管理规范有某种联系。

腐蚀，包括所有形式的腐蚀。腐蚀成为另一主要事故因素的原因是管线的老化，由结构和材料缺陷(在加工或制造期间引起)，并时常与关联的设备有关系。腐蚀己被广泛地研

究，是很多文章的主题。针对腐蚀，许多管道缺陷检测方法现在被普遍应用，相信在一个完整的维护程序的框架内，相关的方法和工具被使用时，可能防止事故发生。然而,管网巨大和老化仍旧是个难以解决的问题。

2.1.2结果和教训

下面首先引述三个例子

1977年在溪宾夕凡尼亚州，丙烷油管破裂并起火，2人伤亡，损坏巨大。

1989年在加州，汽油蒸气爆炸，引起列车脱轨，并带来许多意外事件和财产损失。

1993年在委内瑞拉，天然气管线爆炸，卷入在高速公路上行驶的一辆大巴和9辆轿车，引起超过50个意外事件。

管道事故能造成非常严重的后果，这会被经常重复强调。由许多事故得到的典型教训包括对外界干扰的控制，强烈腐蚀的检查，安全操作和养护程序的准备和应急计划。但似乎在某些情况下，纯粹的机会，例如事故中事件发生的精确时间，在事故的发展中起重要作用。举例来说，在委内瑞拉事故中，结果由于爆炸在交通堵塞时并接近于一条高速公路发生，结果酿成巨大的悲剧。另外管道工业还面临长期未被发现但可能会造成严重后果的泄漏隐患。其中一起未被发现的长时间气体泄露是在1989年在前苏联发生，并且以结果造成600人死亡和568人受伤成为管道历史上最严重的事故。泄露长时间未被发现还会造成水和土壤的污染。1990年的一个典型的事件就能说明这个问题的严重性，原油泄露二十年未被发现，最终漏失量达57 OOOm3，导致亚马逊10 OOOkm的一个雨林被污染。

尽管在这些年采用了更加先进的检测方法，但大的泄露事件仍有发生。比如下面两个例子:1991年在美国明尼阿波利斯市57 800m3的原油泄露，前苏联1994年300 OOOm3的原油泄露。欧洲的国家也已遭受多次的泄露事件(主要为原油)，造成了严重的环境污染。如此的泄露虽很少有致命的后果，但会是巨大的资源浪费。

纵览管道事故带来的长期危害或短期危害，应该将由广为人知的事件公布数据得到的统计趋势特征和个别的特殊事件进行比较研究。虽然跟随事故后评估的建议通常是针对具体类型事故的，但是，由某一特性的事件可以认识到，事故预防政策中应采取不同的尺度。

2.2数据来源分析

数据收集

事故分析中，最基本的是收集较长期间内的大量数据样本，这也是为了获得代表性的频率数据并且衡量事故引起因素的权重。数据应该从包括管道(例如气体，油)和管网以及可能失效的管道附属设备的全部类型的大范围来收集。经过参阅了大量相关文献资料后，本文引用了许多西方(包括欧洲、美国、前苏联)己有事故报告数据。并重新整合，进行相关分析。西方的管道运输行业已有多年历史，七十到九十年代是欧洲美国以及原苏联长输管道建设迅猛发展时期，并且数据资料相对国内规范全面。我们可以通过借鉴这些己有资源，对未来一段时期我国油气储运行业发展及管道建设过程中可能遇到的问题得出有意义的建议和结论。收集到数据的主要部分是油气管线的事件(燃气、原油和油产品)，适用于氨水，氯和其他危险的液体和气体的数据很有限。采用美国运输部(DOT)的使用的分类可

以把这些数据分为两个主要方面:

天然气管道事件、危险的液态油管事件(主要是原油和油产品)

国际上认为事件数据库为不同目的而收集建立，因此以数据库呈现的数据收集和分类明显不同。事件的内容局限于他们的个体报告收集标准，并且这些标准也会随从中收集事件资料的系统改变而改变，例如1984年的US DOT(美国运输部)标准和CONCAWE(石油公司;欧洲的组织)在1995年的油管报告制度(CONCAWE. 1996)。考虑到上述限制条件，在分析数据前检查报告来源采用的标准是必要的，标准被使用的时间和事件来源结果须一致。(参阅第3.3部分)

数据来源

本文引用的管道事件数据主要是来自下列数据源的数据:

（1)欧洲气体事故组织(European Gas Incident Group )。EGIG收集了的所有的1970以后的天然气管道输送事故。八个EGIG机构分别设在英国、丹麦、西班牙、法国、荷兰、德国、比利时和意大利。

（2)美国运输部门油管安全办公室(US Department of Transportation Office ofPipeline Safety )。US DOT的管道安全办公室经政府要求收集了1970年后美国所有气体和有害液体管道公司的陆上及海底输运事件数据。

( 3 ) CONCAWE，欧洲环境、卫生安全石油组织。CONCAWE从1970年起每年对西欧的管线进行数据统计，分析，总结。

( 4 ) VNIIGAS，所有的俄国关于天然气技术的科学(研究)院(协会)。VNIIGAS在前苏联进行在天然气管道方面的研究。这些研究包括1981到 1990年的管道失效记录。

( 5 ) FACTS-TNO FACTS是一个收集来自报告和公开文献数据的独立数据库数据分析的主要目的是从过去的事故中得出教训，提供给以后的管理和控制。并用于尺寸设计和管道操作。本文中直径小于8mm，压力小于15bar的管道事故不予考虑。

2.3事故频率数据

全失效频率

天然气

全失效频率是由在这一定时间间隔(t-to)内的失效事件总数(x)这个时间段内的三种不同气体管网系统的各自的总纳入量(E)获得。这里计算了EGIG和US DOT 1970到1996年间((to=1970)的每年管网的全部失效频率。前苏联的只有1981到 1990年间(to=1981)的。EGIG基于1970到1992年间管网纳入率的全部失效频率x/E =6.75x10-} /km·年。如果只考虑最后几年C tn=1988-1992 )，失效率较低。图2.10中为CONCAWE传输系统以及1970-1995年间美国的危险液体管道

的全失效率。美国的全失效率源自整个调查期间240 000 km的持续长度系统。大体上，危险液体失效率是比在天然气管道高。CONCAWE呈现的全失效率x/E = 7.5 x 10-0 l tan·年，基于大约1972- 1993数年间CONCAWE管网405 OOOkm的纳入量。只考虑过去

((to=1987-1993)，事件频率是4.98 x 10-y / km·年。.依照CONCAWE报告，过去这些年中泄漏数据的表现是改良行为长期趋势的继续。美国液体管道呈现的全失效频率x/E = 9.S x 10-' / km·年是基于1970到1995数年I }l持续长度为240 OOOkm的管网。如果就.a 论1982到1991(to=1982)时期，和340 OOOkm的可能系统长度，事故频率就降低到5.6x10-4 /km·年。

上面的气体和石油的全部的全失效频率数据都能在官方的报告中找到。它们已经被用来进行一些传送模态的安全记录比较以及在一些分析中进行风险量化。整理获得频率数据时，报告标准的影响力再一次强调了无条件的比较结果的可疑性。因此，在进行任何管道风险的分析前，我们应该用收集数据的各项条件及来源管网的尺寸来检验公布的频率数据。有害液体

图2.10中为CONCAWE传输系统以及1970-1995年间美国的危险液体管道的全失效率。美国的全失效率源自整个调查期间240 000 km的持续长度系统。

大体上，危险液体失效率是比在天然气管道高。CONCAWE呈现的全失效率x/E = 7.5 x 10-0 l tan·年，基于大约1972- 1993数年间CONCAWE管网405 OOOkm的纳入量。只考虑过去((to=1987-1993)，事件频率是4.98 x 10-y / km·年。.依照CONCAWE报告，过去这些年中泄漏数据的表现是改良行为长期趋势的继续。

美国液体管道呈现的全失效频率x/E = 9.S x 10-' / km·年是基于1970到1995数年I }l持续长度为240 OOOkm的管网。如果就.a论1982到1991(to=1982)时期，和340 OOOkm 的可能系统长度，事故频率就降低到 5.6x10-4 /km·年。

上面的气体和石油的全部的全失效频率数据都能在官方的报告中找到。它们已经被用来进行一些传送模态的安全记录比较以及在一些分析中进行风险量化。整理获得频率数据时，报告标准的影响力再一次强调了无条件的比较结果的可疑性。因此，在进行任何管道风险的分析前，我们应该用收集数据的各项条件及来源管网的尺寸来检验公布的频率数据。因素的失效频率

下面依照事件的主要开始因素分析析了年度失效频率。图2.11中呈现了五个论文

由2.12图可以看到，美国的相当一部分天然气事件(约20%)是与设备有关，并不是主管本身(见柱状图中‘所有原因及设备’和‘管身’的不同)。值得注意‘未知管径’的与设备有关的事件比例很大(72% )，而且多是指由其他经常与操作失误有关的原因。在对最近的欧洲的油管道的泄漏事件分析后，可以得到一个非常相似的结论，最通常的失效原因在配套装置及和泵站中经常重复发生，这种情况在管道本身好一些。当EGIG的标准被采用时，所有与设备运行有关的重要信息会遗失。还有一点值得注意，在小管径管道中，外部干扰在美国燃气管道中并不是最高的，EGIG系统也是如此。管径在5-16之间，美国的燃气管道中外部干扰是最主要的失效原因。

美国燃气系统中由外部干扰导致的每个直径区间的失效频率源自1970-1992年间全部的累积失效频率和系统管道尺寸分配，结果在图2.13中呈现。和EGIG报告中的由外部干扰引起的失效率进行比较，比率是由相同的二十三年期间的系统纳入量计算得来的。单位是事件数每公里每年，长度是在每个直径范围的系统长度。

EGIG数据显示出随着管径的增加外部干扰的明显减少。在EGIG和US DOT两个燃气系统中，外部干扰的数量相当，但是在大小管径区间的分配上却有很大不同，尽管他们管径尺寸分配相似(见图2.5 )。CONCAWE由外部干扰引起的失效和石油泄露体积也随管道直径的增加显著减少，同EGIG系统相似，但是由其他原因引起的石油泄露失效频率随管径显示出了不同的分布。但是由现有的数据，是无法达到一项比较详细的分析和和得出较高精度的失效频率的。

2.4事件后果

大多数过去事件造成结果的数据仅仅指对人类的直接影响。对环境和财物的损害仅在几个事件中有报道，精确的损害数据却几乎没有。对死亡和受伤的数据分析仅仅在美国的管道事故报道中看到。在欧盟的油气管线伤亡事故数据很少，同时也没有官方的报道，仅有的只是很有限的几个管网。西欧的石油输送管线发生事故的死亡数据也仅仅是近几年的

一个总数。CONCAWE报道了事故中总的石油泄漏损失的体积。但是，除了伤亡数据以外数据很难证实其可靠性。因此得到的结论是:调查的结果会被限定在一种趋势内，这种趋势是通过一些可靠的那些管网的泄漏和伤亡数据得到的。

伤亡比率

美国运输部门报道的陆地油气事故结果的分析数据由图2.14表示，这是1984-1996年间的伤亡事故，图中显示:每年气体输送管道的伤亡在1987-1995年间基本保持不变，甚至每年的有伤亡的事故比率也没有下降。换句话说:造成结果的事故概率在过去几年里没有下降。根据事故比率而采取的改进措施，事实表明油气管线存在很大的潜在危险。

1984-1996年间每次事故造成的伤亡比率由图2.15表示。由图显示:美国气体输送管线每年每次事故的伤亡比率在1984-1996年间没有明显的改进，同期年均的每公里的伤亡约为3 X 10一5/km·年，死亡占15%;46%的伤亡事故属于管道本身，34%的属于阀门的问题，20%属于机械联接和焊接质量问题。假定在1970-1996年间美国气体输送系统爆炸的

比率大概为8 X 10"6/ km年，平均伤亡率是过去十年的三倍(C 9 X 10-Slkm·年)死亡约占16%0

EGIG系统的的伤亡数据没有公开的资料。一项非官方的伤亡估计关于欧盟输气管网由于管道本身造成的事故伤亡率在1970-1991年间为1.1 X 10-5lkm·年。这个数字比同时期美国输气管网由于管道本身造成事故的伤亡率(< 4 X 10-5/km·年)小四CONCAWE报告了1970-1992年近十二年间的恶性事故死亡总数。基于系统纳入量的总的恶性事故死亡率为3 X 10"Slkm·年。欧盟石油输送管线恶性事故的概率高于气体输送管线，其中包括一小部分的总体伤亡事故。最后必须再次强调通过管道概率的对比对管道安全性得到的结论，当这个概率是从不同时间段得到的时候，会给人一种误导。

世界范围内的伤亡事件

由以上这些数据源中所收集的随机事件并不涵盖大量伤亡事故数量，因此不能很好的描绘衡量社会风险的曲线(伤亡F-n曲线)。F- n曲线(频率·人数)是表现社会风险的一种常用形式。它是一张相对于后果(表现为死亡人数)的累积频率图。一般使用对数图(因为频率与死亡人数涉及到几个数量级)。它也常表示为选定事件相对于总F-n曲线的贡献，总F-n曲线对于主要风险贡献的识别非常有用。

为了这个目的，收集样本数(> 700 )世界范围的管道事件，其中大多数(65 % )由内部机构得到的数据都是在欧洲发生在从六十年代初期起的整个欧洲的运输管线。我们从美国和欧洲国家关于伤亡的事故中抽取出包含167个事件的子集。值得注意的是，世界范围内，带有大量伤亡的天然气输送事故发生在近15年这说明了天然气管道输送系统的很大的潜在危险。

第3章故障树分析研究

3.1故障树分析法

简介

故障树分析(FTA)是适合用于大型复杂系统的可靠性和安全分析的一种技术。它是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。它把系统不希望出现的事件作为故障树图的顶事件，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素)进行分析，用规定的逻辑符号自上而下的由总体至部分，按树枝状结构逐层细化，分析导致各事件发生的所有可能的直接因素，及其相互间的逻辑关系，并由此逐步深人分析，直到找出事故的基本原因，即故障树图的底事件为止。从而确定系统故障原因的各种组合方式和发生概率，并采取相应的改进措施，提高系统的可靠性。

故障树图是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态(基本事件)来显示系统的状态(顶事件)。一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系，它用图形化“模型”路径的方法，使一个系统能导致一个可预知的，不可预知的故障事件(失效)，路径的交叉处的事件和状态，用标准的逻辑符号(与，或等等)表示。在故障树图中最基础的构造单元为门和事件。由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而需要一些专门的表示逻辑关系的门符号、事件符号以及基本术语，籍以表示事件之间的逻辑关系和因果关系。在建树时要用到许多符号，在建树之前简要介绍一下有关术语和本文所用的符号。

顶事件:所谓顶事件就是系统不希望发生的事件，也就是要研究的事件。通常选择系统最不希望出现的故障为顶事件，它位于故障树的顶端把它形象地理解为“树根”。

中间事件:又称故障事件，它位于项事件和底事件之间，并紧跟一个逻辑门表示，可形象地理解为“树枝”。底事件:位于树的底部。底事件可理解为“树叶”。故障树分析图中的标准符号，具体见表3.1

FTA技术实用于:系统的可靠性分析，可靠性特征量的定量计算;系统的安全分析和事故分析，寻找薄弱环节、制定预防措施;系统的风险评价;系统部件的重要度分析;故障诊断和检修表的制定。

应用及其研究现状

1961年美国贝尔实验室的Watson博士首创了FTA技术，并成功的运用于民兵式导弹发射控制系统的设计之中，60年代初，FTA在航空业中得到应用，推动了它的发展。从60年代初期到70年代，利用FIA定量分析有了迅速的发展，并且成为原子反应堆，化学工厂等一些单位对可靠性、安全性有特别要求的系统不可缺少的分析方法之一。1974年由美国麻省理工学院的Rasmussen领导的科研小组发表了著名的WASH-14Q0关于压水堆事故风险评价报告的核心方法便是故障树和事件树分析方法的报告，在工业界产生极大的震动。Vessely认为，这是FTA逐步走向成熟的里程碑。目前，FTA己从宇航、核能，进入一般电子、电力、化工、机械、交通乃至土木建筑等领域，科学工作者和工程技术人员愈来愈倾向于采用FTA作为评价系统可靠性和安全性的手段，用FTA来预测和诊断故障，分析系统薄弱环节，指导运行和维修，实现系统设计的最优化。

我国的FTA技术引进较晚。1980年首次介绍了FTA技术，FTA作为系统可靠性分析的有力工具，在航天、航空、核能、电子、化工等领域被相继引用，大批学者和研究人员对其的开发，应用作了广泛的研究。如清华大学核能技术研究所研制的MFFTAAP多功能故障树，航空航天部SO:研究所将R.R.Will。的FTAP程序消化移植到IBM微机上，便于推广应用。天津大学的陈金水教授于1989年提出了用矩阵进行故障树分析的新方法闭，从而为故障树的发展开辟了一条新的途径。这一切都标志着我国故障树技术的不断发展和进步。

经过近四十年的发展，FTA技术己经有相对成熟的理论，并在许多领域内得到广泛应用。利用FTA，可以对系统的可靠性进行定性分析和定量计算，求出系统的所有失效模式

组合，确定系统中的关键部件和重要度，反过来又可以帮助设计人员进行系统的可靠度分配等设计工作。结合国内外对故障树的研究现状，其应用研究趋势主要体现在如下几方面:故障分析方法的集成化，计算机辅助故障树分析，模糊故障树分析方法，基于FTA的故障分析专家系统等方法及应用的研究。

本文将故障树分析法应用于长输管线系统，进行可靠性分析，首先需要建立长输管线故障树。

3.2长输管线故障树的建立

根据故障树顶端事件的确定原则:根据可能发生事故的危险程度，把对系统影响大的灾害或事故作为分析对象，即顶事件。顶事件是故障树分析的起点和主体。确定顶事件应针对分析对象的特点，抓住主要的危险(事故状态)，按照一种事故编制一个树的原则进行具体分析。

根据此原则，选择“管道失效”作为顶端事件。而引起管道失效最直接原因就是管线断裂和穿透，这两个原因中任何一个出现均会导致管线失效。然后再以这两个原因为次顶事件，采用类似方法继续深入分析，直到找到代表各种故障事件的基本事件为止。图3-2为油气长输管线的故障树示意图，表3-2为该故障树对应的基本事件列表，该故障树共考虑了84个基本事件。当然，在进行具体管线分析时可以根据管段实际情况增加或删除事件。需要说明的是，由于篇幅和个人能力所限，这部分所做的研究主要是针对管道的主管本身。

3.3长输管线故障树定性分析

基本认识

从编制的故障树中，可以得出如下基本认识:

(1)从故障树结构上看，从顶端事件向下有许多层次，层次距离顶端事件越近，则在那一层上的事件只要一发生，就可能导致事故的发生，其危险性越大;而距离顶端事件越远的层次，其危险性相对较小。

(2)由于“与门”下面所连接的事件必须同时发生才能有输出，因此能起到控制的作用。而“或门”下面所连接的任何事件只要一发生，都能有输出，因此，“或门”只是一个通道，下面所连接的事件只要一个发生，上一层的事件就会发生，不能起到控制作用，危险性大。事故树中“或门”越多，危险性就越大。

(4)顶端事件以“或门”和几个中间事件相连时，任何一个中间事件发生，顶端事件都会发生，因此要特别注意频率高的中间事件。

最小割集

故障树定性分析的主要任务就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障树的所有最小割集。割集(Cut sets)是指系统的一些底事件集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。最小割集(Finimum cut set:若C= (X1, X2, X3,... Xn)是一个割集，而从C中任意移去一个元素就不再是割集，则称C为一个最小割集。即指系统中没有其他割集发生的条件下，只有割集中所有基本事件同时发生，顶端事件才发生;害」集中任何基本事件不发生，则顶端事件都不发生。一个最小割集代表系统的一种故障模式。最小割集在一定程度上代表系统的危险性大小，一般来说，割集阶数(包含基本事件个数)越少，其发生的可能性就越大，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。在分析系统的安全性与可靠性时，应当抓住重点，首先考虑那些发生概率相对较大或危害性大的小阶数最小割集以及出现次数较多的底事件。

本文采用下行法(Fussell)法求解最小割集。其基本原理是从顶事件开始，由顶向下进行，依次把“门”的输出事件用输入事件替换，经过“或门”时输入事件竖向写出经过“与门”输入事件横向列出，直到全部“门”事件均置换为基本事件为止，所得到的全部竖向排列的项就是故障树的割集。再利用集合运算规则(布尔代数定型)加以简化、吸收，则得到全部最小割集。表3.3是根据图3.4分析得到的全部最小割集。

由表3.4可知，该故障树由16个一阶最小割集、30个二阶最小割集、8个三阶最小割集以及41个六阶最小割集组成。由于一般情况下，割集阶数越小，其发生的可能J胜越大。因此，16个一阶最小割集直接影响着系统的可靠性，为系统中的薄弱环节。

管线失效的主要影响因素

根据对油气管道故障树以及最小割集的分析，可以看出引起管道失效的主要因素

有:

(1)第三方破坏。第三方破坏表示非管道职工所作的对管道系统的任何损坏或活动，是外部干扰的主要形式。根据第二章所述，事实证明在1964-1995年中，西方众多的管道事故中，外部干扰(主要指第三方破坏)占很大部分。我国情况类似，并且由于现在自由开发以及由于开挖导致的管道事故风险有所增加。尤其近几年来，在油气管道上打孔偷油偷气的事件屡有发生，有些造成重大事故。究其原因，与法律的健全和实施力度、人们对管道法规和管道安全的了解、周边经济水平、以及政府的干预等因素都有很大关系。如2003年中央电视台披露了中原油田采油厂周围农民打孔偷油、偷气屡禁不止的事情。通过对此事的了解，笔者发现其原因有:当地的地方保护政策、农民的法律和公

共财产意识低、法律实施不得力、报警系统不灵敏、经济落后等。

在一些偏远地区，由于线路标志和巡线等因素，发生农耕破坏管道的事故。在管道上方的违章构筑物，在管道上方进行违章施工，以及水流对管沟、管道的长期冲刷，管道附近土层的运移等都可能直接导致管线失效。管道上方车辆活动过频，或大型的地面设施使得管道负载过重造成失效。另外在一些政治时局动荡不安的国家，恶意破坏也是管道第三方破坏的重要方式。但由于我国时局稳定、人民安居乐业，因此，虽然故障树里提到此因素了，但实际上这方面的破坏是可以忽略的。

(2)腐蚀，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。内腐蚀主要由天然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、甚至发生管线开裂。

(3)管材缺陷，包括管材初始缺陷和安装缺陷。初始缺陷主要是由于管材制造加工、运输不当造成的，如管道薄厚不均、椭圆度差等。而安装缺陷是在管段的安装施工过程中形成，如防腐绝缘涂层质量差、特别是焊接水平和焊接质量差。管材缺陷的存在将直接导致管线整体强度的降低、为管线腐蚀的发生提供条件，直接影响着管线运行的可靠性。应加强对管材质量检查、提高制造工艺水平。建立严格的施工质量检测制度，选择合适的焊接工艺。

(4)自然灾害，自然灾害的发生均直接对管道的破坏基本上都是毁坏性的。一旦自然灾害发生，都可能导致油气管道断裂，引发火灾、喷射物引起破坏等大型事故，不但造成巨大的经济损失，而且会严重污染环境。因此要加强对自然灾害的预测，并做好防备。

很明显，第三方破坏和腐蚀破坏是在役油气管道的主要失效影响因素，但设计、误操作、自然灾害以及相关人员的责任心等不确定因素也不可忽视。另外，还可以看出管子的抗蚀能力、巡线、法律规则的制约、腐蚀检测、管子制造监督及施工监督等都对管道风险起到很大的控制作用，在我们制定风险降低策略时也应该考虑这些方面。

第4章长输管线故障树定量分析及维护抢修

故障树分析法作为一种系统可靠性分析方法，便于进行定性分析，也可以进行定量计算。

但从本质上讲，它是一个可以容易进行定量计算的定性模型。定性分析主要任务是寻找故障树的全部最小割集(MCS )，即基本事件对顶事件产生影响的组合方式与传递途径，找出系统的薄弱环节。用最小割集形式的结构函数来描述故障树，清晰地表明了导致系统故障的所有组合清况。给基本事件赋予一个概率值来表征其发生故障的相对频繁程度，计算出项事件(及中间事件)发生的概率以及各基本事件的相对重要程度(底事件的发生对顶事件发生的贡献，称为底事件的重要度，就是定量分析的任务。

在长输管道故障树分析中，如何找出最易发生的故障模式，不论是对于管道管理人员还是管道维修人员，都十分有意义。为了准确性和实际应用价值，本文在定量分析中，采用模糊技术和灰色理论技术分别进行分析，并将结果加以比较，扬长避短，以期得出可靠性强的结论。

4.1模糊故障树定量分析及维护抢修

简介

随机性与模糊性

客观世界中存在两类不确定性因素:随机不确定性和模糊不确定性。随机不确定性，即事物本身有明确的定义，只是由于发生的条件不充分，从而事件的出现与否表现出不确定性;模糊性不确定性即事物的概念本身是模糊的，一个对象是否符合某个概念难以确定。模糊性主要是人的主观理解上的不确定性，而随机性则主要是客观上的不确定性，或者是事件发生的偶然性。模糊性是客观事物差异的中间过渡的“不分明”性或“亦此亦彼”性，它存在于对事件的某些状态、现象、参数及它们相互关系的定义之中。对于存在主观影响因素较重、数据资料不完整等现象的不确定事件，适合于使用模糊方法来处理。在故障树分析中引入模糊理论后，还应充分考虑随机性与模糊性的相互渗透这一客观事实。关于模糊可靠性该从两个角度考虑:

（1）·关于事件本身是清晰的还是模糊的:比如说，“部件1发生故障”这一事件就是清晰的;而“部件l有较大故障”就是模糊的。

（2）·关于事件发生的概率是精确的还是模糊的:比如说，部件1发生故障的概率是"0.4”是精确的;而“部件1发生故障的概率在0.04左右”就是模糊的，实际上用模糊集描述了一个范围。

整休思路

传统的}I'A建立在布尔代数和概率论的基础上，很好地解决了随机不确定性问题。

但大型的复杂系统中存在大量的模糊不确定性，要得到基本事件的精确概率很难。在长输管线系统故障树的分析计算中，导致系统失效(顶事件)的底部基本事件发生原因复杂，而且可能性也很小，很难确定其发生概率的准确值，这便使得传统的故障树分析方法很难对长输管线系统中不确定的因素用传统数学模型或公式来分析计算。模糊理论是处理上述问题的最佳工具，它能解决概率理论难以解决的问题。对于那些得不到发生概率精确值的底部事件，可以应用模糊数学理论，认为这些底部事件的发生概率是一个模糊数，也就是