1、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
2、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
3、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
4、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 11.1 论文背景11.2 长输管线运行现状11.3 论文意义2第 2 章长输管道的隐患42.1 长输管道风险42.2 风险来源分析52.3 风险频率62.4 影响 9第 3 章 图文结合研究123.1 故障树分析法 123.2 长输管线故障树的建立 143.3 定性分
5、析 15第 4 章 定量分析174.1 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
6、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
7、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、
8、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
9、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
10、。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(z0 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
11、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
12、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
13、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
14、 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
15、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
16、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
17、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 Probabi
18、lity)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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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1
26、970 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)。VN
27、IIGAS 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
28、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 C
29、ONCAWE 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
30、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
31、 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
