肖榮鴿

油田集氣管道事故模式與控制研究*

王永紅1肖榮鴿1馬小安2方維軍3

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院2中石化(香港)海南石油有限公司3陜西延長石油(集團)管道運輸公司

以油田集氣管線作為研究對象，在進行危險因素識別的基礎(chǔ)上，分析引起集氣管道泄漏爆炸事故的基本事件和事故樹，并推導(dǎo)出導(dǎo)致集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的事故模式和控制模式，為相關(guān)企業(yè)輸油氣管道安全運行提供指導(dǎo)。從集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故樹分析中可知，導(dǎo)致頂上事件發(fā)生邏輯關(guān)系的事故樹共有135個最小割集，說明集氣管道事故的發(fā)生有135種可能原因，并且其發(fā)生必然是135個最小割集中的某個最小割集中所有基本事件同時存在的結(jié)果。工程實踐中根據(jù)135個最小割集中各基本事件的特性及其可能發(fā)生的條件制定出預(yù)防措施，從而保證工程運行的安全。

集氣管道；泄漏；事故樹；事故模式；控制模式

近年來油氣管道泄漏造成的火災(zāi)爆炸事故時有發(fā)生，且絕大部分是由于輸油氣管道泄漏造成的。管道安全直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全，所以對管道泄漏爆炸事故進行分析研究尤為重要。國內(nèi)外常用事故樹方法進行分析，它是一種演繹的系統(tǒng)安全分析方法，能對系統(tǒng)的各種危險性進行辨識和評價，既適用于定性分析，又可用于定量分析，具有應(yīng)用范圍廣和簡明、形象的特點，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準確性和預(yù)測性[1-2]。因此，事故樹作為安全分析和預(yù)測事故的一種先進科學(xué)的方法，已得到公認和廣泛采用。

本文以油田集氣管線作為研究對象，在進行危險因素識別的基礎(chǔ)上，分析引起集氣管道泄漏爆炸事故的基本事件和事故樹，并推導(dǎo)出導(dǎo)致集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的事故模式和控制模式，為相關(guān)企業(yè)輸油氣管道安全運行提供指導(dǎo)。

1 集氣管道危險因素分析

集氣管道危險有害因素主要有：

（1）管道火災(zāi)、爆炸危險性。如果管道內(nèi)天然氣發(fā)生泄漏并與空氣混合發(fā)生爆炸時，會出現(xiàn)著火爆燃現(xiàn)象。引發(fā)管道泄漏的主要因素有：①油田伴生氣、原油介質(zhì)中可能含有硫化氫導(dǎo)致管道內(nèi)表面腐蝕；②管道外表面腐蝕；③施工過程中焊接存在缺陷或工程質(zhì)量達不到設(shè)計要求；④管道設(shè)計缺陷；⑤外力沖擊、撞擊而造成管道破裂；⑥由于設(shè)備、閥門接頭等密封不嚴造成氣體泄漏；⑦材料、設(shè)備制造缺陷導(dǎo)致事故隱患；⑧違規(guī)操作。

（2）油田伴生氣形成水合物堵塞管道。伴生氣通常為濕氣，在溫度降低時會形成水合物，嚴重時甚至堵塞管道。

（3）管道沿線自然災(zāi)害。集輸管道若在黃土塬敷設(shè)，起伏較大，長期風(fēng)蝕作用導(dǎo)致管道覆土厚度減小，造成裸管甚至管道變形，影響管道安全。另外，細砂土進入管道內(nèi)，若掃線不好，可能堵塞或刺壞閥門、儀表和管道；管道穿越河流時，若河流河堤比較低矮，局部河段受水流側(cè)蝕作用河岸有崩塌現(xiàn)象，汛期降雨集中，河水暴漲暴落，管道易受洪水沖刷，威脅管道安全。穿越河流段的管道，河床受水流沖刷，嚴重時可能造成管道懸空斷裂。

（4）其他危險性。伴生氣輸送過程中使用壓縮機進行增壓輸送，但如果壓縮機選型不合格，冷卻效果不好，造成設(shè)備內(nèi)溫度超高，也會引起火災(zāi)爆炸事故。

2 管道事故樹分析

集氣管道事故樹分析以集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故為頂上事件，對其發(fā)生原因及各原因事件之間的邏輯關(guān)系逐層進行分析，從而在實際生產(chǎn)過程中重點防范該類事故[3-4]。其基本事件為：缺少防腐措施，防腐材料選擇不當(dāng)，施工過程防腐層脫落，雜散電流，氣體組分內(nèi)腐蝕，土壤腐蝕，大氣腐蝕，達到爆炸極限，密封墊片與法蘭面密封不合，法蘭連接面松緊不均，閥體均勻腐蝕，閥體出現(xiàn)裂紋砂眼，設(shè)計缺陷，材料缺陷，焊接安裝缺陷，地質(zhì)災(zāi)害，違章占壓，外單位施工造成破壞及惡意破壞。事故樹分析可對既定的生產(chǎn)情況下出現(xiàn)的事故條件及可能導(dǎo)致的災(zāi)害后果，給出導(dǎo)致泄漏事故的各種因素間的邏輯關(guān)系。集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸的事故樹見參考文獻[2]。

3 事故樹定性分析

3.1 求解最小割集

利用布爾代數(shù)法可以得到此事故樹最小割集。集氣管道事故樹的最小割集求解過程如下

每個最小割集均代表一種事故模式，根據(jù)最小割集可以發(fā)現(xiàn)集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的環(huán)節(jié)。因此，根據(jù)事故樹分析結(jié)果，導(dǎo)致集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的事故模式共有135種。

3.2 求解最小徑集

根據(jù)事故樹可以做出其成功樹，根據(jù)成功樹求解最小徑集。

展開整理后，可以得到4個事故樹的最小徑集，即

因此，集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故不發(fā)生的控制模式有4個。

3.3 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度是從事故樹分析各基本事件的重要性程度[5]，根據(jù)各基本事件在各最小割集和最小徑集中出現(xiàn)的頻率及占有的比重進行計算，得出此事故樹中各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度的排列順序為

構(gòu)成集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故成功樹的結(jié)構(gòu)重要度排列順序為

基于上述結(jié)構(gòu)重要度的順序，可知在集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故事故樹基本事件中X1結(jié)構(gòu)重要度最大；X21、X22、X23、X24、X25的結(jié)構(gòu)重要度相等，結(jié)構(gòu)重要度為第二；X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12的結(jié)構(gòu)重要度相等，結(jié)構(gòu)重要度為第三；X13、X14、X16、X17、X18、X19、X20的結(jié)構(gòu)重要度相等，結(jié)構(gòu)重要度為最小。

4 結(jié)論

從集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故樹分析中可知，導(dǎo)致頂上事件發(fā)生邏輯關(guān)系的事故樹共有135個最小割集，說明集氣管道事故的發(fā)生有135種可能原因，并且其發(fā)生必然是135個最小割集中的某個最小割集中所有基本事件同時存在的結(jié)果。工程實踐中根據(jù)135個最小割集中各基本事件的特性及其可能發(fā)生的條件制定出預(yù)防措施，從而保證工程運行的安全。

結(jié)構(gòu)重要度最大的事件是伴生氣泄漏X1“達到爆炸極限”。從實際操作來看，由于站外集氣管道大部分為埋地敷設(shè)，伴生氣泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，泄漏后很難控制其氣體擴散不達到爆炸極限。因此，應(yīng)著重加強措施控制其他相關(guān)事件，以控制該事故發(fā)生。結(jié)構(gòu)重要度較大的事件主要是X21“違章動火”、X22“靜電火花”、X23“雷電”、X24“防爆電器失靈”、X25“電路短接”，這些事件直接導(dǎo)致的上層事件為“火源”。因此，一旦發(fā)生伴生氣泄漏，通過加強措施杜絕其周圍區(qū)域火源的產(chǎn)生，對集氣管道泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事件的控制是至關(guān)重要的。

[1]錢成文，侯銅瑞，劉廣文，等．管道的完整性評價技術(shù)[J]．油氣儲運，2000，19（7）：11-15．

[2]張乃祿，肖榮鴿．油氣儲運安全技術(shù)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[3]廖柯熹，姚安林，張淮鑫．天然氣管線失效故障樹分析[J]．天然氣工業(yè)，2001，21（2）：94-96．

[4]易云兵．新建輸氣管道失效故障樹分析[J]．天然氣技術(shù)，2008，2（4）：73-76．

[5]彭力，李發(fā)新．危害辨識與風(fēng)險評價技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1988．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.10.019

基金論文：西安市科技計劃項目技術(shù)轉(zhuǎn)移促進工程“石油產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)與開發(fā)—油田儲運系統(tǒng)油氣回收技術(shù)研究”（CX12184（4））資助。