基于事故樹(shù)的海底管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)分析

郭鴻雁，朱 偉

（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)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鋪設(shè)了一條1.6 km鉆采平臺(tái)之間的海底輸油管道后[1]，隨著我國(guó)渤、黃、東、南四大海域海上油田的快速開(kāi)發(fā)，新增海底管道總長(zhǎng)及數(shù)量不斷增加，至2008年，中海石油總公司已有海管138條（總長(zhǎng)約3 217 km）[2]。作為海洋石油開(kāi)發(fā)輸送的生命線(xiàn)，海底管道造價(jià)昂貴，每千米造價(jià)在為30萬(wàn)美元以上，且所處環(huán)境條件非常復(fù)雜多變。隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加和運(yùn)行時(shí)間的推移，受環(huán)境侵蝕、材料老化等因素的影響，海底管道系統(tǒng)抗力衰減，極易因外部環(huán)境的干擾（諸如近海工程施工、船舶起拋錨作業(yè)、漁業(yè)捕撈等人類(lèi)海洋活動(dòng)或臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害）而發(fā)生事故。而海底管道一旦發(fā)生泄漏或斷裂，會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性影響，嚴(yán)重污染環(huán)境，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。海底管道的安全性已成為影響海洋油氣開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要問(wèn)題，為此，要減少事故的發(fā)生，建立綜合安全管理體制，采取有效地途徑保證在役管道可靠運(yùn)行就有必要對(duì)其事故原因進(jìn)行分析。

1 海底管道失效因素統(tǒng)計(jì)

海底管道在國(guó)外發(fā)展較早，其政府和研究機(jī)構(gòu)對(duì)各種管道事故的原因進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)，為提高海底管道運(yùn)行安全性提出了大量建議及資料。歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織、英國(guó)健康與安全部等組織都對(duì)海底輸氣管道失效原因做出過(guò)大量統(tǒng)計(jì)[3,4]（見(jiàn)圖 1）。

圖1 海底管道失效原因事故統(tǒng)計(jì)Fig.1 The accident statistics of failure cause of submarine pipeline

從這些失效原因統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，海底管道的失效原因復(fù)雜，但第三方破壞(拋描、漁業(yè)、施工等)、腐蝕、自然災(zāi)害(包括由其引起的懸跨)可以看作海底油氣管道失效的三大主要原因。

本文采用系統(tǒng)工程中的事故樹(shù)分析（FTA）法主要針對(duì)第三方影響（包括環(huán)境因素）造成的海底管道破壞的事故樹(shù)模型進(jìn)行分析，確定事故管理的主要對(duì)象并提出針對(duì)性的解決方法。

2 事故樹(shù)模型建立及分析

事故樹(shù)分析 (FTA, Fault Tree Analysis)是從結(jié)果到原因找出與災(zāi)害事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系及邏輯關(guān)系的分析法。這種方法以定義好的事故開(kāi)始，或頂事件，向后將系統(tǒng)故障各種原因(包括硬件、人為、環(huán)境因素等)，按樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)自上而下追溯到各種能夠引起事故的情形。事故樹(shù)定量分析主要是根據(jù)引起事故發(fā)生的各基本事件的發(fā)生概率，求出頂上事件發(fā)生的概率，同時(shí)對(duì)各基本事件進(jìn)行概率重要度和關(guān)鍵重要度分析[5,6]。

2.1 事故樹(shù)建立

圖2 海底管道第三方破壞泄漏故樹(shù)Fig.2 Fault tree analysis of the third-party damage of submarine pipeline

選擇“第三方破壞泄漏”作為頂事件。引起海底管道失效的三個(gè)最直接原因分別是“航道活動(dòng)及作業(yè)”、“漁場(chǎng)活動(dòng)”、“自然環(huán)境”。按這些原因自上而下追溯到各種能夠引起海底管道泄漏的基本事件。

海底管道第三方破壞各符號(hào)所表示的意義如表1所示，其事故樹(shù)如圖2所示。

表1 各符號(hào)代表的事件Table 1 The symbol meaning of the events in the fault tree

2.2 海底管道第三方破壞泄漏故樹(shù)模型

2.2.1 最小割集

由事故樹(shù)分析可見(jiàn)，邏輯門(mén)或門(mén)（“+” ）與和門(mén)（“ ?”）的個(gè)數(shù)基本相等，所以用最小割集進(jìn)行分析[6]：

事件A1可以得到16個(gè)割集。

事件A2可以得到16個(gè)割集。

事件A3可以得到17個(gè)割集。則由事故樹(shù)計(jì)算可以得出49個(gè)割集。

2.2.2 結(jié)構(gòu)重要度分析[7]

事故樹(shù)是由眾多基本事件構(gòu)成的，這些基本事件對(duì)頂上事件均產(chǎn)生影響，但影響程度是不同的，在制定安全防范措施時(shí)必須有個(gè)先后次序以便使系統(tǒng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效、安全的目的。結(jié)構(gòu)重要度分析，就是不考慮基本事件發(fā)生的概率是多少，僅從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂上事件的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度分析雖然是一種定性分析方法，但在目前缺乏定量分析數(shù)據(jù)的情況下，這種分析顯得很重要。

結(jié)構(gòu)重要度分析方法歸納起來(lái)有兩種。第一種是計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，將系數(shù)由大到小排列各基本事件的重要順序；第二種是用最小割集和最小徑集近似判斷各基本事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)的大小，并排列次序。前者精確，但比較繁瑣；后者雖然精確度比用求結(jié)構(gòu)重要系數(shù)法差一些，但操作簡(jiǎn)便，因此目前應(yīng)用較多。應(yīng)用下式計(jì)算近似判別值：

式中:I(i)—基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要系數(shù)的近似判別值；

Xi∈Pj—基本事件 Xi屬于 Pj最小割(徑)集；

ni—基本事件Xi所在最小割(徑)集中包含基本事件的個(gè)數(shù)。

上述事故樹(shù)的各基本事件結(jié)構(gòu)重要度見(jiàn)表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

可以看出，水上管線(xiàn)自身問(wèn)題諸如強(qiáng)度不足（包括保護(hù)層）、質(zhì)量缺陷是致使海底管道失效的主要原因，其次是管道布線(xiàn)問(wèn)題諸如處于航道和漁場(chǎng)、埋深不足以及由此造成的錨擊損害，另外風(fēng)暴嚴(yán)重、地震也會(huì)帶來(lái)較大危害。

由分析可以看出，海底管道設(shè)計(jì)是防止管道失效最重要的環(huán)節(jié)。合理設(shè)計(jì)管道強(qiáng)度，可以防止外物撞擊（錨擊、重物墜落撞擊等）對(duì)管道造成破壞。對(duì)管道采用適當(dāng)?shù)耐獠糠雷o(hù)（諸如混凝土配重、套管）可以有效預(yù)防外力對(duì)管道造成的機(jī)械損傷。設(shè)計(jì)合理的埋深同樣可以有效地預(yù)防第三方破壞的影響。在選擇海底管道時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)航道、漁業(yè)區(qū)等，這樣可以降低管道遭受墜物撞擊、漁網(wǎng)拖掛、錨擊等破壞的概率。此外控制管材、防護(hù)等材料質(zhì)量以及加強(qiáng)施工監(jiān)督、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)也可減少管道失效隱患。

表2 各基本事件結(jié)構(gòu)重要度Table 1 The structure importance of the base cases

［1］周延?xùn)|，劉日柱.我國(guó)海底管道的發(fā)展?fàn)顩r與前景[J].中國(guó)海上油氣(工程)，1998,10（4）：1-5.

［2］張敬安，董欣紅，侯立群.海底管道安全狀態(tài)評(píng)估技術(shù)綜述[J].中國(guó)海洋平臺(tái),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］汪元輝.安全系統(tǒng)工程[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999-10.

［7］蔣軍成,郭振龍.工業(yè)裝置安全衛(wèi)生預(yù)評(píng)價(jià)方法[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.