王 孟 李自力 陳健飛

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院；2.勝利油田技術(shù)檢測中心)

輸油管道第三方破壞故障樹分析

王 孟*1李自力1陳健飛2

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院；2.勝利油田技術(shù)檢測中心)

為了定性、定量地分析第三方破壞的各個事件對輸油管道失效概率的影響，采用故障樹分析法(FTA)，利用求最小割集和結(jié)構(gòu)重要度找出影響第三方破壞的重要基本事件，并結(jié)合層次分析法和模糊綜合評價法求解第三方破壞的失效概率。研究表明第三方破壞中埋深和巡線的質(zhì)量是影響輸油管道失效的關(guān)鍵因素，并通過模型建立找出一種定量求解失效概率的方法。

輸油管道 故障樹 層次分析法 模糊數(shù)學(xué)

近年來輸油管道泄漏、爆炸事故頻發(fā)，究其原因，很多都是不法分子在輸油管道打孔盜油和施工破壞管道造成的，這些都是第三方破壞的表現(xiàn)形式[1]。第三方破壞與地面活動程度、管道的埋深、巡線的質(zhì)量、管道線路標(biāo)志、附近居民的素質(zhì)及政府宣傳力度等因素都有很大關(guān)系。

故障樹分析方法是一種演繹分析方法，它從一個可能的事故開始一層一層逐步尋找引起事故的初始事件、直接原因和間接原因，并分析這些事故原因之間的相互邏輯關(guān)系，用邏輯樹圖把這些原因和它們的邏輯關(guān)系表示出來[2]。利用故障樹分析法來進(jìn)行定性定量的分析輸油管道第三方破壞各因素可以更加合理、有效、經(jīng)濟(jì)地提出相應(yīng)對策來預(yù)防事故的發(fā)生。

1 故障樹的建立

故障樹分析法是分析輸油管道第三方破壞影響因素的有效方法。通過故障樹的定性分析即最小割集分析和底事件結(jié)構(gòu)重要度的計算，可以分析出影響輸油管道第三方破壞因素及其薄弱環(huán)節(jié)，并為第三方破壞因素層次關(guān)系的確定提供參考和依據(jù)。

根據(jù)故障樹建立原則選擇“輸油管道第三方破壞失效”作為頂事件。引起第三方破壞失效的最直接原因是“環(huán)境因素條件差”、“管道條件缺陷”和“不法分子故意破壞”。這3種原因中的任意一個都會導(dǎo)致輸油管道失效，因此以這3個原因作為次頂事件，采用此方法以此類推，直到分析出各種故障形式的底事件為止[3]。輸油管道第三方破壞失效故障樹如圖1所示，故障樹中各符號代表的相應(yīng)事件如下：

A1 第三方破壞

B1 環(huán)境因素條件差

B2 管道條件缺陷

B3 不法分子故意破壞

C1 外部環(huán)境因素

C2 內(nèi)部環(huán)境因素

C3 水下穿越管道埋深太淺

C4 公眾教育欠缺

C5 油地關(guān)系不好

D1 地面活動程度頻繁

D2 管道線路標(biāo)志不明

D3 巡線質(zhì)量差

E1 地面管道設(shè)施防護(hù)不力

X1 建設(shè)生產(chǎn)活動頻繁

X2 交通繁忙

X3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動頻繁

X4 地質(zhì)勘探活動頻繁

X5 占壓

X6 管道施工作業(yè)帶條件差

X7 地面設(shè)施與公路距離太近

X8 地面設(shè)施無圍欄

X9 地面設(shè)施與道路間有較深溝渠

X10 無警示標(biāo)志符號

X11 巡線頻率低

X12 巡線方式不合理

X13 巡線員工素質(zhì)及能力差

X14 線民密度小

X15 河底土壤深度太淺

X16 通航河道河床表面與航船底面距離太小

X17 缺少保護(hù)措施

X18 直埋段埋深淺

X19 管道安全宣傳教育不夠

X20 居民文化素質(zhì)低

X21 村鎮(zhèn)文明建設(shè)差

X22 與承包商、挖掘者會晤

X23 未與當(dāng)?shù)馗刹颗e行聯(lián)席會

X24 未與村鎮(zhèn)簽訂聯(lián)防協(xié)議

圖1 輸油管道第三方破壞失效故障樹示意圖

2 故障樹的定性分析

2.1最小割集

在故障樹中，把引起頂事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集，也稱截集或截止集。如果在某個割集中任意除去一個基本事件就不再是割集了，這樣的割集就稱為最小割集。也就是導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件組合。對故障樹進(jìn)行定性分析的目的是為了找出系統(tǒng)全部最小割集[4～6]。筆者運(yùn)用下行法求解故障樹的最小割集，然后再通過布爾代數(shù)運(yùn)算法則進(jìn)行化簡。求解得到系統(tǒng)全部最小割集其中一階最小割集4個，三階最小割集16個，五階12個。輸油管道第三方破壞故障樹的最小割集見表1。

表1 第三方破壞故障樹最小割集

確定最小割集之后，通過對故障樹結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的計算，可以鑒別底事件的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)求解公式為：

式中kj——第j個最小割集；

nj——底事件i位于kj的底事件數(shù)；

Iφ(i)——第i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

xi∈kj——第i個底事件屬于第j個最小割集。

利用上式求得各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)見表2。

表2 輸油管道第三方破壞失效因素結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

由計算結(jié)果可知，事件無警示標(biāo)志符號結(jié)構(gòu)重要度所占比例最大，即對第三方破壞影響最大。

3 故障樹的定量分析

3.1層次分析法確定專家權(quán)重

在輸油管線第三方破壞各個底事件打分中，不同的專家有不同的看法，利用層次分析法可以更科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶＜业臋?quán)重進(jìn)行估算，從而使失效概率的計算更加準(zhǔn)確[7,8]。層次分析法大體分為以下5個步驟：

a. 立層次結(jié)構(gòu)模型；

b. 構(gòu)造判斷矩陣；

c. 次單排序及其一致性檢驗；

d. 層次總排序；

e. 層次總排序的一致性檢驗。

在對現(xiàn)河采油廠六隊外輸線風(fēng)險評估時聘請了來自設(shè)計、施工、管理、檢測和維護(hù)方面的5位專家，對專家的能力進(jìn)行評估，設(shè)總目標(biāo)為“專家個人能力”(BE，Best Evaluation)，此為模型第1層；影響專家能力的指標(biāo)分為“專家個人的知識”(PK，Personal Knowledge)、“信息來源”(IS，Information Source)、“估計的公正性”(UB，Unbiased)及“個人經(jīng)驗”(PE，Personal Experience)等，此為模型的第2層；最底層是5位專家。以各個專家的信息對總目標(biāo)的重要度為例構(gòu)造評估矩陣進(jìn)行優(yōu)先排序：

計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

M1=24,M2=3,M3=1/3,M4=1/24

則：W=[W1,W2,…,Wn]T=[0.467 0.278 0.160 0.095]T

CW=[1.883 1.117 0.645 0.384]T

計算判最大特征根λmax：

=4.03

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)

同理可得，各個專家信息之間的比較：

λ=5.014,CI=0.0035,RI=1.12,CR=0.004<0.1，

λ=5.005,CI=0.00125,RI=1.12,CR=0.001<0.1

λ=5.0072,CI=0.0018,RI=1.12,CR=0.0016<0.1，

λ=5.01,CI=0.025,RI=1.12,CR=0.0223<0.1

則層次總排序為：

通過計算得各個專家的能力權(quán)值排序：

W=[0.251 0.133 0.141 0.252 0.223]T

為了確保專家能力權(quán)值賦分的合理性、科學(xué)性和精確性，結(jié)合油田管道的現(xiàn)狀，經(jīng)過對評估結(jié)果的反復(fù)論證，認(rèn)為在對勝利油田輸油管道風(fēng)險評估時，專家個人經(jīng)驗(PE)、信息來源(IS)、估計的公正性(UB)和個人的知識(PK)這4個方面的關(guān)系為：PE=IS>UB>PK，具體為：PE=IS=2UB=3PK的關(guān)系。

3.2應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)計算基本事件的模糊概率

故障樹中的各個底事件由于國內(nèi)缺少歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)而沒法準(zhǔn)確計算，所以利用模糊集理論來處理專家判斷基本事件發(fā)生的概率，專家在判斷失效概率時，會使用一些表示大小的模糊語言，在輸油管道故障樹基本事件概率的判斷過程中，專家采用的自然語言設(shè)為：很小、小、較小、中等、較大、大、很大。研究采用模糊集理論處理這些不確定信息，用三角形模糊數(shù)或梯形模糊數(shù)代替這些自然語言[9]。設(shè)f1～f7分別代表自然語言很小、小、較小、中等、較大、大、很大的隸屬函數(shù)，則隸屬函數(shù)如下：

對專家的評判意見需進(jìn)行綜合處理，常用的方法是選用模糊截集，各式的α截集為：Wα=[z1,z2],z1和z2分別代表各α截集的上、下限。上述各式截集的上、下限和α值分別為：

f1α=[z1,z2],z1=0,z2=0.2-0.1α1

f2α=[z1,z2],z1=0.1α2+0.1,z2=0.3-0.1α2

f3α=[z1,z2],z1=0.1α3+0.2,z2=0.5-0.1α3

f4α=[z1,z2],z1=0.1α4+0.4,z2=0.6-0.1α4

f5α=[z1,z2],z1=0.1α5+0.5,z2=0.8-0.1α5

f6α=[z1,z2],z1=0.1α6+0.7,z2=0.9-0.1α6

f7α=[z1,z2],z1=0.1α7+0.8,z2=1

由此可推導(dǎo)出模糊語言對應(yīng)的模糊數(shù)W的關(guān)系函數(shù)為：

其中，a、b分別代表自然語言模糊數(shù)的上下限。注意在計算專家意見總的模糊數(shù)的時候，要引進(jìn)專家權(quán)重對其進(jìn)行修正[10～12]。

在輸油管道中，以占壓為例計算其概率大小。選擇了設(shè)計、施工、管理，檢測和維護(hù)5個不同領(lǐng)域的專家對其進(jìn)行評判，專家的意見分別為較小、較小、中等、較小、較小，在α截集下，5位專家意見的總模糊數(shù)W為：

f(z)=max[ω1f3∧ω2f3∧ω3f4∧ω4f3∧ω5f3]

=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]

wa=[z1,z2]=[0.1α+0.2282,0.5141-0.1α]

則關(guān)系函數(shù)為：

此關(guān)系函數(shù)可以用最大模糊集和最小模糊集轉(zhuǎn)化成模糊可能性值FPS。

最大模糊集為：

最小模糊集：

則模糊數(shù)的左、右模糊可能性值分別為：

FPSR(w)=sup(fw(x)∧fmax(x))=0.4674

FPSL(w)=sup(fw(x)∧fmin(x))=0.7016

FPST(w)=(FPSR(w)+1-FPSL(w))/2=0.3829

為了保證確定的失效概率和模糊失效概率之間的一致性，必須把FPS轉(zhuǎn)化為模糊失效概率：

計算得到k=2.698，從而得到占壓的模糊失效率FFR=0.002004，按照此方法可以得到所有底事件的概率。

4 改善措施

對故障樹進(jìn)行分析可得引起輸油管道第三方破壞的主要因素有：管道埋深、巡線質(zhì)量和施工作業(yè)和地面活動度[13]。針對以上幾方面提出改善措施如下：

a. 建立管道檔案(技術(shù)資料)。包括管道設(shè)計資料、施工資料、運(yùn)行資料、維修資料和檢驗資料5個方面。根據(jù)現(xiàn)有的檢測經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)油田油氣集輸管道大部分存在資料缺失形象，為此使用單位應(yīng)在以后的工作中補(bǔ)齊這些資料。

b. 建立巡線管理制度，建立獎懲機(jī)制，采用先進(jìn)的巡線技術(shù)，對油田企業(yè)相應(yīng)職工進(jìn)行法律教育。

c. 完善刑法外加強(qiáng)對團(tuán)伙作案的法律懲罰力度；增加涉油犯罪正當(dāng)防衛(wèi)和自救行為條款，明確油田企業(yè)的權(quán)利；增加造成經(jīng)濟(jì)損失的追償承擔(dān)條款。

d. 做好巡線等運(yùn)行管理工作。

e. 管道標(biāo)識齊全且設(shè)置醒目。

f. 明確責(zé)任，強(qiáng)化管理。立法構(gòu)建科學(xué)管理制，通過立法明確管道沿線地方政府的責(zé)任，采用問責(zé)制，落實定期安全檢查和群眾舉報。通過油地聯(lián)建，相互幫助，達(dá)到提高當(dāng)?shù)鼐用裆钏降哪康模哟髮χ車用竦墓藏敭a(chǎn)意識，做好定期全面的宣傳工作。

5 結(jié)束語

針對輸油管道第三方破壞的各種因素進(jìn)行歸納和分析，采用具有直觀、簡明的故障樹分析方法，對輸油管線可靠性進(jìn)行定性、定量分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，為減少和防范輸油管道第三方破壞的發(fā)生提供了指導(dǎo)為管道運(yùn)行單位、檢測單位、維護(hù)單位提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

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SafetyAssessmentofThird-partyDamagestoPipelineBasedonFaultTreeAnalysis

WANG Meng1, LI Zi-li1, CHEN Jian-fei2

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.TechnicalTestCenter,ShengliOilfield,Dongying257000,China)

With view to qualitatively and quantitatively analyzing every third-party damage’s impact on the pipeline failure probability, the fault tree analysis (FTA) was adopted and the seeking minimal cut sets as well as the structural importance were applied to identify basic events which affecting the third-party damages; and through combining with hierarchical analysis and fuzzy comprehensive evaluation method, the failure probability of the third-party damages was solved. Studies show that, both depth and quality of patrol line of the third-party damages is the key factor which affecting the pipeline failure; and through establishing a model, a way to quantitatively solve the failure probability can be reached.

oil pipeline, fault tree, hierarchy analysis method, fuzzy mathematics

(Continued from Page 654)

formation wear was derived and the effect of both incidence angel and temperature on the erosion rate was analyzed to show that, when the incidence angle stays around 50°, the GH864 alloy has maximal erosion rate; when the incidence angle ranges from 30° to 50°, the erosion rate of GH864 alloy rises with increase of temperature and then it rises slowly when the temperature exceeds 550℃; and at an incidence angle of 90° and the temperature ranges from room temperature to 400℃, the erosion rate of GH864 alloy keeps stably and at the temperature over 400℃, the erosion rate decreases substantially; the rise in temperature can raise cutting wear but decrease the deformation wear. The variation of flow stress, dynamic hardness and critical strain at different temperatures has great influence on the erosion characteristics.

Keywordsplastic metal, erosion, incidence angel, high temperature, micro-cutting, deformation

*王 孟，女，1990年8月生，碩士研究生。山東省青島市，266580。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)05-0616-07

2016-02-22，

2016-09-05)