常 攀，張 毅

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

天然氣是一種清潔、高效、環(huán)保、方便的能源，現(xiàn)已經被廣泛應用在工業(yè)、農業(yè)、民用等多個領域，對于提升經濟發(fā)展和提高環(huán)境質量具有日趨重要的作用。液化天然氣長輸管道目前多用于城市調峰裝置和油輪裝卸設施上[1]，采用低溫管線長距離輸送LNG的實例較少。液化天然氣管道在運行過程中易受LNG氣化、腐蝕、材料缺陷等因素影響導致失效，直接影響管道的使用壽命。因此通過對液化天然氣管道進行分析，查找失效的主要形式和機理，可以采取針對性的措施提高管道的可靠性。

1 故障樹分析方法介紹

故障樹分析(Failure Tree Analysis簡稱FTA)是一種推理演繹方法[2]，采用專門的邏輯關系符號來表示事件之間的邏輯和因果關系，根據(jù)基本事件來顯示系統(tǒng)的整體狀態(tài)。該方法首先要求把可能發(fā)生的故障事件設置為故障樹頂事件，然后通過對導致故障可能發(fā)生的各因素(包括周邊環(huán)境、條件、人為因素等)進行調查研究；采用規(guī)定的邏輯符號，依據(jù)樹狀結構自上而下逐層劃分，分析造成頂事件發(fā)生的所有原因和邏輯關系。從而確定故障原因和發(fā)生概率，提出對應的改進措施，確保系統(tǒng)的可靠性。

圖1 故障樹示意圖

故障樹分析法一般按以下步驟進行：

1.1 分析系統(tǒng)的確定

采用安全分析的方法，處理該系統(tǒng)的外界環(huán)境和邊界條件，明確系統(tǒng)分析的范圍及影響其安全的主要因素。

1.2 系統(tǒng)分析

深入調查將要分析的系統(tǒng)并搜集有關內容，包括性能參數(shù)、結構形式、流程、運行條件、故障類別、環(huán)境及周邊因素等。

1.3 查閱已發(fā)生的故障類型

調查并分析該系統(tǒng)、國內外同類型之前發(fā)生過的所有故障和以后可能會發(fā)生的所有故障。

1.4 確定故障樹頂事件

根據(jù)系統(tǒng)調查情況確定頂事件，即分析由該故障造成的損失情況、故障發(fā)生的概率，把發(fā)生頻率高且后果較嚴重的故障類型設定為頂事件。

1.5 分析與頂事件關聯(lián)的所有原因事件

從人、機、料、法、環(huán)境等方面深入調查導致頂事件發(fā)生的所有原因，確定造成故障發(fā)生的主要原因并對損失情況進行分析。

1.6 編制故障樹

根據(jù)事件之間的邏輯關系，采用規(guī)定邏輯符號，把故障樹頂事件與導致故障發(fā)生的基本原因事件，層層分解，繪制樹狀結構圖。

1.7 定性分析

對已繪制完成的故障樹，求取最小割集或最小徑集、及基本事件結構重要度。通過對最小割集、最小徑集和基本事件結構重要度的分析，確定預防故障發(fā)生的控制措施。

1.8 定量分析

依據(jù)計算出的基本事件概率，計算頂事件發(fā)生概率、基本事件關聯(lián)重要度和概率重要度。根據(jù)計算和分析結果，確定故障可能造成的危害程度，提出控制措施，為安全措施的投入提供依據(jù)。

1.9 分析結果的應用

對故障樹定性分析和定量分析的結果進行總結評估，提出具體的改進和預防措施，整理分析的全部過程資料，對分析結果進行綜合利用，為安全設施設計和安全評價工作提供系統(tǒng)性的參考依據(jù)[2]。

2 輸氣管道故障樹的建立

表1 導致液化天然氣管道失效的基本事件

圖2 管道失效故障樹示意圖

依據(jù)選取的故障樹頂事件確定原則，選取“長距離輸氣管道失效”作為故障樹頂事件[3]，造成該頂事件發(fā)生的直接原因是管道破壞和泄漏，因此選擇這兩個事件作為次頂事件。以此類推繼續(xù)分析至基本事件為止。圖2為液化天然氣管道失效故障樹示意圖，該故障樹由經過簡化的系統(tǒng)最小割集構成，共考慮54個基本事件，其中X1，X2…..Xn為基本事件符號。

3 輸氣管道失效故障樹分析

3.1 故障樹定性分析

為了確定故障樹的最小割集，要將故障樹轉化為等效的布爾方程，利用該方法求得管道失效故障樹的最小割集如表2所示。

由表2可得，該故障樹的最小割集數(shù)量為55個，其中一階割集28個，三階割集4個，四階割集22個，一階割集數(shù)量占最小割集總數(shù)的52.7%；故障樹或門有20個，與門有5個，或門占邏輯門總數(shù)的80%，可以看出該管道失效的路徑較多，危險性較大。其中一階最小割集的主要危險有第三方破壞、材料缺陷和管線溫度升高。

表2 管道失效故障樹的最小割集

表2(續(xù))

3.2 定量分析

故障樹定量分析包括頂事件發(fā)生概率和基本事件結構重要度的計算。

3.2.1 計算頂事件發(fā)生概率

選擇最小割集的方法計算頂事件發(fā)生概率，采用最小割集等效故障樹來表示。本文分析的故障樹含55個最小割集，分別用E1、E2、E3……、E55來表示，則頂事件 可用公式(1)表示:

(1)

頂事件發(fā)生概率表示為：

(2)

由容斥定理得頂事件概率計算公式：

(3)

設基本事件X1、X2、X3、……X55的發(fā)生概率分別為：χ1、χ2、χ3……χ55，則有：

(4)

(5)

(6)

式中r、s、m為最小割集序數(shù)，r

Xi?ErUEs表示第r個或第s個最小割集的第i個基本事件。

將基本事件發(fā)生概率帶入上式，可計算管道失效故障率，根據(jù)發(fā)生故障的管線實際情況與規(guī)范上允許的失效概率進行比較，對于失效概率大于允許值的管道，應采取必要的安全措施將失效概率低于允許值[4]。

3.2.2 結構重要度分析

采用基本事件最小割集或最小徑集結構重要度系數(shù)大小順序的方法，來判斷確定基本事件的結構重要度。

假設最小割集有k個，每個最小割集記為Er(r=1、2、3、……k)，則1/k表示單個最小割集的重要度系數(shù)；則第r個最小割集Er中含有mr(Xi?Er)個基本事件，1/mr代表基本事件Xi的單位割集重要度系數(shù)，該事件Xi的割集重要度系數(shù)設定為Ik(i)，則：

(7)

應采用式(8)近似計算后進行比較。

(8)

式中I(i)-表示基本事件Xi的結構重要系數(shù)近似判斷值；

ni-表示基本事件Xi所屬最小割集所含的基本事件數(shù)量。

通過式(8)計算可得到管道失效故障樹的各基本事件結構重要系數(shù)的近似判斷值，見表3。

表3 基本事件結構重要系數(shù)近似判斷值

表3(續(xù))

由表3可知，造成液化天然氣管道故障的各基本事件結構重要度關系為：I44=I39>I30>I32=I31>I1～I13=I18～I29>I14～I17，由此可知基本事件X39和X44的發(fā)生對該管道失效影響最大，然后是事件X31，故以在進行管道失效預防時，應著重考慮三個基本事件[5]。

4 結論

通過故障樹分析法對液化天然氣管道失效進行分析，得出導致液化天然氣輸送管道失效的主要因素有：

(1)溫度升高，LNG氣化。在設計時盡量減少閥門，操作時避免產生封閉管道，致使液體積聚后隨溫度升高而膨脹造成壓力升高；同時選擇好直接與LNG接觸不發(fā)生脆裂的低溫管道材料，在管道安裝過程中做好焊縫處理和保冷措施。

(2)第三方破壞。應在LNG輸送管道的沿線設立“危險”“禁止靠近”等明顯的標志，說明管線被破壞后的危險性；在新建輸氣管線選址時，盡可能的避開自然災害較為嚴重的地段。

(3)腐蝕，包括內腐蝕、外腐蝕和應力腐蝕。內腐蝕原因包括氣體管道內水份含量高、介質內含腐蝕性介質、緩蝕劑失效等；外腐蝕主要包括管線陰極保護失效、絕緣層老化、土質腐蝕性強；應力腐蝕主要考慮管線施工、安裝不當導致產生的拉應力腐蝕?？垢g上，要盡量減少輸氣管線內水分含量，強化管線陰極防護，保證涂層質量符合規(guī)范要求，在施工過程中采取相應措施盡可能避免產生拉向應力。

(4)設計和操作缺陷。管線材料設計時的選擇、參數(shù)設計、施工質量的管控、運行維護等環(huán)節(jié)的管理上，要按照標準規(guī)范、操作規(guī)程等嚴格執(zhí)行。

(5)材料缺陷，主要指管材的初始缺陷。一旦選用不符合設計要求的耐低溫管材，會導致管道整體強度降低，直接影響運行的可靠性。所以在材料的選擇、質量檢驗上要嚴格管理。

根據(jù)輸送LNG管道故障樹的分析結果，可以得出以下結論：

(1)采用故障樹法對LNG輸送管線失效進行分析，簡潔、直觀，行之有效。

(2)LNG管道失效故障樹設置的基本事件有54個，計算出了55個最小割集，指出了在管線設計、施工及維護等方面的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)通過對最小割集的計算，得出了液化天然氣輸送管道故障發(fā)生的概率，計算出了該管線失效的基本事件重要度。

(4)通過故障樹分析，確定了造成LNG輸氣管線失效的主要因素為：溫度升高導致大部分LNG氣化、腐蝕因素引起泄漏、設計和施工缺陷、誤操作、第三方破壞等，并對上述因素提出了控制措施。

[1]梁光川，鄭云萍，李又綠，等.液化天然氣(LNG)長距離管道輸送技術[J].天然氣與石油，2003,21(2):8-10.

[2]謝振華.安全系統(tǒng)工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3]張景林，崔國章.安全系統(tǒng)工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[4]潘家華.油氣管道的風險分析(續(xù)一)[J].油氣儲運，1995,14(5):3-10.

[5]董玉華，高惠臨，周敬恩，等.長輸管線失效狀況模糊故障樹分析方法[J].石油學報，2002，23(7)：85-89.

(本文文獻格式：常攀，張毅.液化天然氣(LNG)輸送管道故障樹分析[J].山東化工,2018,47(7):116-119.)