王 霞,段慶全

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

2015年底，我國(guó)油氣主干管道里程總計(jì)達(dá)11.2萬(wàn)km，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到24萬(wàn)km。隨著油氣管道事業(yè)的迅猛發(fā)展，管道運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題日益突出，而油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析是實(shí)現(xiàn)油氣管道安全、高效輸送的關(guān)鍵。挪威船級(jí)社作為安全管理的專(zhuān)業(yè)化公司，基于多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)建立了損失因果模型，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)原因分析技術(shù)，但是其建立的事件原因分析清單并非依據(jù)石油石化行業(yè)制定。英國(guó)石油公司按照企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和HSE管理要素，建立了原因根源分析清單，但是該分析清單僅是建立了間接原因與HSE管理體系一級(jí)要素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在問(wèn)題定位方面不夠細(xì)化[1-3]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬根據(jù)我國(guó)油氣管道的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外油氣管道風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)上，基于屏障模型和故障樹(shù)分析，建立了一套適合我國(guó)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系，以為我國(guó)石油石化企業(yè)進(jìn)行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供決策支持。

1 國(guó)內(nèi)外油氣管道事故原因分類(lèi)

從引起油氣管道失效原因的角度來(lái)看，各國(guó)或組織在油氣管道事故原因的分類(lèi)存在差別，具體詳見(jiàn)表1[4-7]。

表1 油氣管道失效原因分類(lèi)對(duì)比

目前，我國(guó)油氣管道事故原因分類(lèi)中具有代表性的是《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》標(biāo)準(zhǔn)中將輸氣管道的風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為9類(lèi)：外腐蝕、內(nèi)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、與制管有關(guān)的缺陷、與施工有關(guān)的缺陷、設(shè)備因素、第三方損傷、誤操作和環(huán)境因素[8]。最新油氣管道事故原因研究中，狄彥等[9]提出了將管道事故原因劃分為外部干擾、腐蝕、材料/建造、自然及地質(zhì)災(zāi)害、操作不當(dāng)和未知原因;梁永寬等[10]指出外部干擾是引起油氣管道事故的主要原因，主要包括第三方施工破壞、蓄意破壞和自然災(zāi)害；黃萍等[11]運(yùn)用改進(jìn)的人因分析與分類(lèi)系統(tǒng)模型分析了油氣管道泄漏爆炸事故的人因影響因素，認(rèn)為主要有不良的組織管理、不安全的監(jiān)督、不安全行為的前提條件、不安全行為和應(yīng)急救援不當(dāng)五個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素。

綜合上述國(guó)內(nèi)外油氣管道事故原因的分類(lèi)，本文將從腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災(zāi)害和運(yùn)行與操作五個(gè)方面建立油氣管道屏障模型，并采用故障樹(shù)分析了屏障中存在的漏洞，從而構(gòu)建了我國(guó)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系。

2 基于屏障失效的事故致因機(jī)理分析

2. 1 屏障模型的原理

1990年曼徹斯特大學(xué)教授James Reason在心理學(xué)專(zhuān)著HumanError中提出了Reason事故致因模型，該模型對(duì)事故發(fā)生的解釋是：事故發(fā)生不僅是一個(gè)事件本身的反應(yīng)鏈，同時(shí)還存在一個(gè)被穿透的組織缺陷集[12]。事故誘發(fā)因素及組織各層次的缺陷是長(zhǎng)期存在于系統(tǒng)中的，但這些事故誘因和組織缺陷并不一定會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，事故發(fā)生是由于多個(gè)層次的組織缺陷在一個(gè)事故的誘發(fā)因子鏈上同時(shí)或次第出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)槭ザ鄬哟纹琳系谋Ｗo(hù)而最終發(fā)生事故，因而也被稱(chēng)為屏障模型，見(jiàn)圖1。

圖1 屏障模型Fig.1 Barrier model

目前屏障模型已廣泛應(yīng)用于航空、煤礦和醫(yī)療等領(lǐng)域[13-16]，并取得了良好的應(yīng)用效果。該模型表明：為防止事故的發(fā)生需要設(shè)置合理、有效的屏障，并要不斷地為這些屏障提供合適、恰當(dāng)?shù)木S護(hù)和檢驗(yàn)。

2. 2 屏障模型的分析流程

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的屏障模型進(jìn)行改進(jìn)，使該模型不僅僅局限在對(duì)人為因素的分析，并將環(huán)境因素、技術(shù)因素等也納入到油氣管道事故的致因分析中，同時(shí)將屏障模型和故障樹(shù)相結(jié)合，分析由于屏障失效導(dǎo)致油氣管道事故發(fā)生的致因機(jī)理。屏障模型的分析流程分為三個(gè)階段：第一階段是從引起油氣管道失效原因分類(lèi)的角度構(gòu)建油氣管道作業(yè)過(guò)程的屏障集，有效的屏障是減少風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防事故的基本因素；第二階段是根據(jù)油氣管道屏障模型確定頂事件和中間事件，逐層分析建立油氣管道事故故障樹(shù)，并運(yùn)用故障樹(shù)分析屏障中存在的漏洞及風(fēng)險(xiǎn)因素；第三階段是針對(duì)屏障模型和故障樹(shù)分析結(jié)果，構(gòu)建一套適合我國(guó)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系。

3 基于屏障模型和故障樹(shù)相結(jié)合建立我國(guó)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系

3. 1 基于屏障的油氣管道失效模型建立

依據(jù)各國(guó)或組織對(duì)油氣管道失效原因的分類(lèi)以及我國(guó)最新油氣管道事故原因分析的現(xiàn)狀，針對(duì)我國(guó)油氣管道事故的多樣性、復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，將油氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素分為腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災(zāi)害和運(yùn)行與操作五大類(lèi)，并依據(jù)屏障理論構(gòu)建了基于屏障的油氣管道失效模型，見(jiàn)圖2。

圖2 基于屏障的油氣管道失效模型Fig.2 Barrier-based failure model of oil and gas pipelines

通過(guò)分析圖2可知，導(dǎo)致油氣管道事故發(fā)生的誘發(fā)因素主要包括腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災(zāi)害和運(yùn)行與操作五個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素，并且長(zhǎng)期存在于油氣管道系統(tǒng)中。但是這些油氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素并不一定會(huì)導(dǎo)致油氣管道事故的發(fā)生，管道事故的發(fā)生是由于多個(gè)層次的組織缺陷在一個(gè)事故的誘發(fā)因子鏈上同時(shí)或次第出現(xiàn)時(shí)而引發(fā)的。因此，有必要采用一種有效方法分析屏障中存在的漏洞及風(fēng)險(xiǎn)因素，從而識(shí)別油氣管道事故是否發(fā)生。

3. 2 油氣管道事故故障樹(shù)分析

鑒于本研究的需要，在對(duì)油氣管道事故進(jìn)行故障樹(shù)分析時(shí)以油氣管線作為研究對(duì)象，根據(jù)油氣管道屏障模型確定頂事件和中間事件，逐層分析建立油氣管道事故故障樹(shù)，并運(yùn)用故障樹(shù)分析屏障中存在的漏洞及風(fēng)險(xiǎn)因素。本文通過(guò)對(duì)油氣管道事故進(jìn)行廣泛的調(diào)查和研究[17-21]，編制了油氣管道事故的故障樹(shù)，其基本事件見(jiàn)表2，故障樹(shù)圖見(jiàn)圖3。

表2 油氣管道事故故障樹(shù)的基本事件

圖3 油氣管道事故的故障樹(shù)Fig.3 Fault tree of oil and gas pipeline accidents

本文運(yùn)用下行法求解油氣管道事故故障樹(shù)的最小割集，得到的最小割集見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)油氣管道事故故障樹(shù)及最小割集的分析，計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，然后對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，從而可得到油氣管道屏障中存在的主要漏洞及風(fēng)險(xiǎn)因素。

表3 油氣管道事故故障樹(shù)的最小割集

3. 3 我國(guó)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系的建立

系統(tǒng)梳理油氣管道生產(chǎn)安全事件致因的邏輯關(guān)系和管理特點(diǎn)，對(duì)保障我國(guó)油氣管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要?；诖耍疚脑谄琳夏Ｐ秃凸收蠘?shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了適合我國(guó)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系，詳見(jiàn)圖4。

圖4 我國(guó)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系Fig.4 Risk system of oil and gas pipelines in China

4 結(jié) 論

本文采用屏障模型和故障樹(shù)相結(jié)合的方法對(duì)油氣管道系統(tǒng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)我國(guó)油氣管道的特點(diǎn)，提出了一套適合我國(guó)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系，主要得到如下結(jié)論：

(1) 依據(jù)各國(guó)或組織對(duì)油氣管道失效原因的分類(lèi)以及我國(guó)最新油氣管道事故原因分析的現(xiàn)狀，對(duì)油氣管道失效進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，并針對(duì)我國(guó)油氣管道事故的特點(diǎn)，確定了油氣管道的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建了基于屏障的油氣管道失效模型。

(2) 通過(guò)分析基于屏障的油氣管道失效模型可知，導(dǎo)致油氣管道事故發(fā)生的誘發(fā)因素是長(zhǎng)期存在的，主要包括腐蝕、外部干擾、材料/建造、自然災(zāi)害和運(yùn)行與操作五個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素，但是這些風(fēng)險(xiǎn)因素并不一定會(huì)導(dǎo)致油氣管道事故的發(fā)生，管道事故發(fā)生是由于多個(gè)層次的組織缺陷在一個(gè)事故的誘發(fā)因子鏈上同時(shí)或次第出現(xiàn)而引發(fā)的。

(3) 運(yùn)用故障樹(shù)分析了油氣管道屏障中存在的漏洞及風(fēng)險(xiǎn)因素，并在屏障模型和故障樹(shù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適合我國(guó)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)體系。

總之，油氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素分析的準(zhǔn)確性直接決定了管道運(yùn)輸?shù)陌踩珷顩r，而利用基于屏障的油氣管道失效模型在分析油氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)能確保分析的全面性，從而可在油氣管道運(yùn)行過(guò)程中有針對(duì)性地實(shí)施維護(hù)、維修、檢驗(yàn)等措施。