基于事故树的海底管道第三方破坏风险分析

郭鸿雁，朱 伟

（中国石油集团工程设计有限责任公司 北京分公司，北京 100085）

自1985年由渤海石油海上工程公司在埕北油田也采用浮游法铺设了一条1.6 km钻采平台之间的海底输油管道后[1]，随着我国渤、黄、东、南四大海域海上油田的快速开发，新增海底管道总长及数量不断增加，至2008年，中海石油总公司已有海管138条（总长约3 217 km）[2]。作为海洋石油开发输送的生命线，海底管道造价昂贵，每千米造价在为30万美元以上，且所处环境条件非常复杂多变。随着铺设长度的增加和运行时间的推移，受环境侵蚀、材料老化等因素的影响，海底管道系统抗力衰减，极易因外部环境的干扰（诸如近海工程施工、船舶起抛锚作业、渔业捕捞等人类海洋活动或台风、地震等自然灾害）而发生事故。而海底管道一旦发生泄漏或断裂，会产生灾难性影响，严重污染环境，导致巨大的经济损失。海底管道的安全性已成为影响海洋油气开发的一个重要问题，为此，要减少事故的发生，建立综合安全管理体制，采取有效地途径保证在役管道可靠运行就有必要对其事故原因进行分析。

1 海底管道失效因素统计

海底管道在国外发展较早，其政府和研究机构对各种管道事故的原因进行了大量的统计，为提高海底管道运行安全性提出了大量建议及资料。欧洲输气管道事故数据组织、英国健康与安全部等组织都对海底输气管道失效原因做出过大量统计[3,4]（见图 1）。

图1 海底管道失效原因事故统计Fig.1 The accident statistics of failure cause of submarine pipeline

从这些失效原因统计结果可以看出，海底管道的失效原因复杂，但第三方破坏(抛描、渔业、施工等)、腐蚀、自然灾害(包括由其引起的悬跨)可以看作海底油气管道失效的三大主要原因。

本文采用系统工程中的事故树分析（FTA）法主要针对第三方影响（包括环境因素）造成的海底管道破坏的事故树模型进行分析，确定事故管理的主要对象并提出针对性的解决方法。

2 事故树模型建立及分析

事故树分析 (FTA, Fault Tree Analysis)是从结果到原因找出与灾害事故有关的各种因素之间因果关系及逻辑关系的分析法。这种方法以定义好的事故开始，或顶事件，向后将系统故障各种原因(包括硬件、人为、环境因素等)，按树枝状结构自上而下追溯到各种能够引起事故的情形。事故树定量分析主要是根据引起事故发生的各基本事件的发生概率，求出顶上事件发生的概率，同时对各基本事件进行概率重要度和关键重要度分析[5,6]。

2.1 事故树建立

图2 海底管道第三方破坏泄漏故树Fig.2 Fault tree analysis of the third-party damage of submarine pipeline

选择“第三方破坏泄漏”作为顶事件。引起海底管道失效的三个最直接原因分别是“航道活动及作业”、“渔场活动”、“自然环境”。按这些原因自上而下追溯到各种能够引起海底管道泄漏的基本事件。

海底管道第三方破坏各符号所表示的意义如表1所示，其事故树如图2所示。

表1 各符号代表的事件Table 1 The symbol meaning of the events in the fault tree

2.2 海底管道第三方破坏泄漏故树模型

2.2.1 最小割集

由事故树分析可见，逻辑门或门（“+” ）与和门（“ •”）的个数基本相等，所以用最小割集进行分析[6]：

事件A1可以得到16个割集。

事件A2可以得到16个割集。

事件A3可以得到17个割集。则由事故树计算可以得出49个割集。

2.2.2 结构重要度分析[7]

事故树是由众多基本事件构成的，这些基本事件对顶上事件均产生影响，但影响程度是不同的，在制定安全防范措施时必须有个先后次序以便使系统达到经济、有效、安全的目的。结构重要度分析，就是不考虑基本事件发生的概率是多少，仅从事故树结构上分析各基本事件的发生对顶上事件的影响程度。结构重要度分析虽然是一种定性分析方法，但在目前缺乏定量分析数据的情况下，这种分析显得很重要。

结构重要度分析方法归纳起来有两种。第一种是计算出各基本事件的结构重要系数，将系数由大到小排列各基本事件的重要顺序；第二种是用最小割集和最小径集近似判断各基本事件的结构重要系数的大小，并排列次序。前者精确，但比较繁琐；后者虽然精确度比用求结构重要系数法差一些，但操作简便，因此目前应用较多。应用下式计算近似判别值：

式中:I(i)—基本事件Xi结构重要系数的近似判别值；

Xi∈Pj—基本事件 Xi属于 Pj最小割(径)集；

ni—基本事件Xi所在最小割(径)集中包含基本事件的个数。

上述事故树的各基本事件结构重要度见表2。

4 结束语

可以看出，水上管线自身问题诸如强度不足（包括保护层）、质量缺陷是致使海底管道失效的主要原因，其次是管道布线问题诸如处于航道和渔场、埋深不足以及由此造成的锚击损害，另外风暴严重、地震也会带来较大危害。

由分析可以看出，海底管道设计是防止管道失效最重要的环节。合理设计管道强度，可以防止外物撞击（锚击、重物坠落撞击等）对管道造成破坏。对管道采用适当的外部防护（诸如混凝土配重、套管）可以有效预防外力对管道造成的机械损伤。设计合理的埋深同样可以有效地预防第三方破坏的影响。在选择海底管道时应尽量避开航道、渔业区等，这样可以降低管道遭受坠物撞击、渔网拖挂、锚击等破坏的概率。此外控制管材、防护等材料质量以及加强施工监督、加强监测也可减少管道失效隐患。

表2 各基本事件结构重要度Table 1 The structure importance of the base cases

［1］周延东，刘日柱.我国海底管道的发展状况与前景[J].中国海上油气(工程)，1998,10（4）：1-5.

［2］张敬安，董欣红，侯立群.海底管道安全状态评估技术综述[J].中国海洋平台,2009,24(1):15-20.

［3］The 5th EGIG Report: European Gas Pipeline Incident Data Group[R].Tokyo,Japan:EGIG,2002.

［4］PARLOC. The Update of Loss Containment Data for Offshore Pipelines[R].London: Energy Institute, 1996.

［5］U.S. Nuclear Regulatory Commission. Fault Tree Handbook[M].Washington, D.C., 1981.

［6］汪元辉.安全系统工程[M].天津:天津大学出版社,1999-10.

［7］蒋军成,郭振龙.工业装置安全卫生预评价方法[M].北京:化学工业出版社,2003.