天然气管道放空系统失效的故障树分析

李晓婷，李 楚，孙雷雷，张玉琳，周述丹

（1.中国石化天然气榆济管道分公司，山东济南250000；2.中曼石油四川昆仑石油设备制造有限公司，四川成都610000；3.中国石化川气东送天然气管道有限公司，湖北武汉430000）

天然气管道在运行过程中，经常发生管道超压现象，管道检修需对部分管段进行放空。若放空系统失效会直接导致天然气管道因超压而破裂，引发严重后果［1]。文中通过调研发现导致管道放空失效的因素主要为管道堵塞、点火失效等。对天然气管道放空进行可靠性分析，找出管线的主要失效形式与薄弱环节，进而在放空系统的生产、施工、运行中采取相应的措施以提高天然气放空系统的可靠性和使用寿命。故障树分析作为工程系统可靠性分析与评价的有效方法，为天然气管道放空失效分析提供了有效手段，该方法简单明了，可直观展示出影响放空系统可靠性的因素。

1 天然气管道放空系统

国标GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》明确规定了输气站需在进站截断阀上游、出站截断阀下游、输气干线截断阀的上下游均设置设备达到泄压放空目的，以便能在紧急情况下使管段尽快放空。在天然气管道放空系统中，有管道内待放空的管存气体、放空管路和放空立管。其中放空管路包括相应的管件及附件［2]。常用的天然气管道放空管路见图1。

图1 天然气管道放空管路

2 故障树分析方法

故障树分析法，简称FTA，它是一种图形演绎法。在数学阐述中，先设置特定的故障事件（或事故）开始，由故障树考察可能引起该事件发生的各种原因事件及相互关系的系统安全分析方法［3]。其中，故障树的顶事件是系统最不希望出现的事件，用特定的逻辑图形从上到下的分析导致顶事件发生的全部直接因素及相互中的逻辑关系，并逐步深入分析，找出导致顶事件发生的最大概率的基础事件。故障树的分析含有定性分析和定量分析。通过定性分析寻找引发顶事件发生的全部基础事件，并编制故障树，求出所有基础事件的最小割集合，并计算基础事件对导致顶事件发生的结构重要度。在定量分析中，计算出顶事件和基础事件发生的概率。2 种分析相互结合，就可找出放空系统的薄弱环节，再有针对性采取处理措施。

3 天然气管道放空失效故障树建立

建立天然气管道放空故障树，首先确定顶事件，选取管道放空系统失效作为顶事件（T1）。由从事天然气管道运输的经验而言，引起天然气管道放空失效的最直接而必要的原因主要是设备故障、第三方破坏、管理因素和设计缺陷，这些因素的出现将导致管道放空系统失效［4]。建立以逻辑门符号表示的天然气管道放空失效故障树，故障树结构见图2；失效故障树因素见表1。

图2 天然气管道放空失效故障树

表1 天然气管道放空失效故障树因素

3.1 故障树定性分析

从天然气管道放空失效故障树可以看出：

（1）该故障树共包括22 个逻辑门，为逻辑或门。由于逻辑或门数仍占绝对，故天然气管道放空失效危险性较大，很容易发生事故。

（2）事故连锁：故障树的各个分支表示顶事件发生时可能链接的事件，直到导致事故发生的最终事件的途径为事故连锁。显然，连锁越多，系统越不安全。

（3）预防事故途径：故障树中直到最后呈现安全的途径将预防事故发生的方案制定提供依据。在最终安全的事故途径中，表示安全功能正常的事件全体为事件树的最小径集合。只要保证安全功能有效，即可避免事故发生。

（4）用最小割集理论分析：列出天然气管道放空系统失效故障树的布尔表达式。由布尔表达可知，造成天然气管道放空失效的最小割集共有16个。

3.2 故障树定量分析

设xi（t）为底事件i 在时刻t 时所处于的状态的概率。如果底事件i 在时刻t 即时发生，则xi（t）=1；如果底事件i 在时刻t 不会发生，则xi（t）=0。底事件i在时刻t发生的概率等于随机事件xi的期望值，因而有：

同理，顶事件的状态必然是底事件向量X（t）={x1（t），x2（t），…，xn（t）}的函数，设Y 为该故障树内描述顶事件的随机变量，则顶事件在时刻t 发生的概率PY为：

经计算得出，基础事件X5（管道堵塞）的重度系数最大，为1.75；其次是X6（自动点火失效）、X15（杂质沉积堵塞），分别为0.875和0.5。故而应从管路和点火着手，建立评价指标，并采取有效措施预防天然气管道放空失效事故。

3.3 主要影响因素与建议

对故障树和式（2）进行分析可以得出引起天然气管道放空系统失效的主要因素，从而采取相应的处理措施以便提高放空系统的可靠性。其主要因素为：

（1）设备故障。设备故障有管线失效、阀门失效和点火失效3 个方面。管线失效主要有管线泄漏和管线堵塞，引起管线失效的基本事件有管道腐蚀穿孔、锈蚀（久未用）及杂质沉积堵塞等[5]；阀门失效主要有阀门泄漏和阀门未开启，一般属于人员误操作或阀门久未使用而故障；点火失效主要有流量传感器故障、点火器未点火、外传点火器失效等，一般属于点火器损坏，不能正常工作。应对天然气管道和放空管道内部定期检查，排除堵塞危险；定期检查放空阀，防止放空阀失效泄漏；定期检查点火器情况，确保点火器正常使用。

（2）设计缺陷。设计缺陷有管材缺陷和设计时危险源考虑不周。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在制造加工中存在缺陷或运输不当造成的。安装缺陷是管段在安装施工过程中由于技术人员焊接技能不足或材料问题造成。较为明显的表现是管道薄厚不均、焊接不良，防腐绝缘涂层较劣质。管材缺陷会造成管线整体强度降低，增加管线腐蚀穿孔概率。

（3）管理因素。包括员工失误和公司章程不完善问题。主要是员工缺乏操作的基本知识，公司未制定完善的放空系统维护计划，未对员工进行培训等。应加强平时对员工的操作培训及操作演练，制定完整的放空系统维护章程。

（4）第三方破坏。包括人为破坏以及自然灾害破坏。比如在管道上面的违章构筑物，在管道上方违章施工，水流对管沟、管道长时间冲刷，管道附近土层运动等都有可能造成天然气管道失效泄漏，从而引起放空系统失效，应对管线及标志物进行定期检测。

4 结束语

（1）故障树分析方法具有直观、简明的特点，能够从故障树中直接看出各事件之间的关系和事件发生的链接，是进行天然气管道放空系统可靠性分析的有效方法和手段。

（2）从故障树结构上看，从顶事件向下延伸会形成很多层级，层次距离顶事件越近，不可靠性越大，在那一层上的所有事件只要有其一发生，就将能够造成事故的发生；距离顶事件越远，不可靠性就相对越小。

（3）建立了天然气管道放空系统失效故障树，该故障树一共考虑了27 个基础事件，通过故障树分析确定了天然气管道放空系统在运行和管理中的危险环节。

（4）通过对故障树的进一步分析，确定了影响天然气管道放空系统失效的主要因素，并提出了相应的改善措施，这为预防或减少放空系统失效提供了帮助。