故障树分析法在城市燃气管道安全评价的应用

第29卷2期..煤气与热力Vo129N(．第1．J122009年..12月GAS＆..HEATDee．2009刍..l各旦各叁曼叁旦各是暑曼。燃气经营管理与经济..0罄S《蕊t《故障树分析法在城市燃气管道安全评价的应用高文学，李建勋，王启，赵自军，严荣松(中国市政工程华北设计研究总院，天津..300074)摘要：介绍了燃气管道安全评价技术的发展现状，对我国的燃气管道安全评价体系进行了分析。阐述了用于燃气管道安全评价的一些方法，论述了故障树分析法的应用。根据燃气管道事故归纳了泄漏影响因素，对不同的故障树模型进行描述，提出了以故障树分析法为主的定性、定量安全评价_-，7作程序提出了改进的建议。关键词：城市燃气管道；安全评价；故障树分析；泄漏；案例中图分类号：TU996文献标识码：B文章编号：1000—4416(2009)12～0B29—07ApplicationofFaultTreeAnalysistoUrbanGasPipelineSafetyAssessmentGAOWen—XUe，..LIJian—xun，..WANGQi，..ZHAOZi—jun，..YANRong—songAbstract：..Thecurrrentdevelopmentsituationofgaspipelinesafetyassessmenttechnologyisintro—..dueed．ThegaspipelinesafetyassessmentsysteminChinaisanalyzed．Somemethodsusedforgaspipe—..liesftesssnrxone，nhplctoffureeeaayiTA)iice．Acnaeyasssmetaeepuddadteapiainoahtnlss(Fsdsusssd—..codnogsppeiciethelaaeifecatrrnuenfffrnalremo—rigtailneacdns，tekgnlunefcosaeidcd，addieetfuttedelsaredescribed．BasedontheFTA，thequalitativeandquantitativesafetyassessmentproceduresandsompoenugsinrutfwadmeirvmetsgetosaeporr．..Keywords：..urbangaspipeline；..safetyassesssment；..faulttreeanalysis；..leakage；..case1引言定性定量分析方法是故障树分析法。根据对相同燃近年来，我国的燃气事业发展迅速。到2006年气管道失效模式的不同把握和理解，故障树的建立末，人工煤气供应总量为396．5×10In，人工煤气有不同路径。可以选择不同的底事件和划分单元，供气管道总长度为50524km；天然气供应总量为..形成不同的中间事件和顶事件，得出的结论可能略244．8×10m，天然气供气管道总长度为121498有差异。因此，需要安全评价技术人员对燃气工程km；液化石油气供应总量为1264×10t，液化石油的准确理解和对安全评价知识的灵活运用。气供气管道总长度为17469km。用气人口约2．952燃气管道的安全评价技术..×10人，燃气普及率为79．1％。2．1技术沿革燃气管道的安全评价有不同方法，应用较多的①国外情况基金项目：“十一五”国家科技支撑计划课题：城市市政管线安全评价技术条件研究(20006BAJ16B03—06)·..B29·..第29卷第l2期煤气与热力..20世纪..70年代，美国首先开始借鉴经济学和其他工业领域的风险分析技术来评价油气管道的安全性。PRCPplneerhCmttteee|traI(ieieRsacominentiona1)针对美国和欧洲的输气管道事故数据进行了分析和分类，归纳出22种引起管道失效的失效因素，其中只有..1种失效因素的本质原因是未知的..(即不能确定它的本质特性)，其余..21种失效因素按照它们的本质特性又分为9项，并按照与时问的关系分为..3类。..1985年，美国的..BatttellleColumbus研究院发表了《风险调查指南》，首先在管道风险分析方面运用了评分法。192年w．KMhbur管道9，．..ulae编著了《风险管理手册》，详细论述了管道安全风险评价的模型和相关评价方法，是美国在前..20年开展油气管道安全评价技术研究工作的成果总结，为世界各国普遍接受并作为开发安全评价软件的重要依据。..1996年再版时作者补充了不同条件下的管道安全评价修正模型，并在风险管理部分补充了成本与风险关系的内容，使该书更具实际指导意义。2004年，该书的第..3版丰富了原有风险管理方面内容，以更清晰更具体的例子说明了建立风险评价基本模型的程序，增加了穿越段油气输送管道的风险评价模型的建立方法。英国..Advnia公司通过统计分析大量管道资atc料及进行灾害模拟试验，在对天然气管道的危害因素进行概率分析和事故后果量化的基础上，建立了输气管道定量JXl险评价技术，其专家分析软件..PIPESAFE已经应用于英国及世界多个国家的高压天然气管道。加拿大..C—FFR公司也成功开发了管道维护和检测的风险分析软件包，用于管道的失效概率分析、失效后果和总风险计算。..②国内情况..20世纪..90年代中期，我国已开展了油气管道安全评价的研究及应用试验工作。最早由潘家华教授在19995年全面介绍了美国的《管道风险管理手册》。“九五”期问，中国石油天然气总公司和国家质检总局联合组织了“油气管道检测与安全评价技术研究”国家重点科技攻关项目。“十五”国家科技攻关课题“城市埋地燃气管道及工业特殊承压设备安全保障关键技术研究”(2001BA803B03)，将城市燃气管道的风险评价作为重点研究内容。“十一五”国家科技支撑计划课题“城市市政管网规划建设与运营管理关键技术研究与示范”项目..(2006BAJ16B03)，包含了城市燃气管道安全评价的研究内容。有些研究人员采用故障树分析方法对管道液化石油气的火灾爆炸原因和后果进行分析，建立了燃气泄漏及火灾爆炸事故安全评价模型，提出了安全评价中的不确定性问题和解决方法。还有研究人员利用模糊风险评价方法建立了天然气管网失效因素和后果体系，对管网的风险可接受程度进行了探讨，较全面地研究了天然气管网的失效可能性和失效后果严重度的影响因素，克服了仅依靠失效概率进行安全评价而带来的片面性和局限性。在安全评价的工程应用上，2000年西南石油学院和中国石油西南分公司联合研制开发了输气管道风险评价软件，对达卧线天然气输气管道进行了风险分析与评价。201年，ulae评分体0研究人员应用Mhbur系法对乌鲁木齐市燃气管道工程进行了安全评价。..2．2我国的燃气管道安全评价体系..①安全评价方法体系我国在20世纪..80年代后期开始推行安全评价，与发达国家相比虽然起步较晚，但在安全评价理论与方法的研究及应用上发展较快。许多行业都制定了自己的评价方法和标准，广泛开展了企业的安全评价。按照安全评价结果的量化程度，安全评价可以分为定性安全评价和定量安全评价。定性安全评价方法主要有安全检查表法、专家现场询问观察法、因素图分析法、事故引发和发展分析法、作业条件危险性评价法、故障类型和影响性分析法、危险可操作性研究法等...。定性安全评价是根据经验和直观判断，对生产系统的工艺、设备、设施、环境、人员和管理等方面的状况进行定性的分析，评价的结果是一些定性的指标，如是否达到某项安全指标、事故类别和导致事故发生的因素等。定量安全评价方法分为概率风险评价法、伤害..(或破坏)范围评价法和危险指数评价法等¨。J。定量安全评价是运用基于大量的试验结果和事故资料统计分析以获得指标或数学模型，对生产工艺、设备、设施、环境、人员和管理等方面的状况进行定量计算。安全评价的结果是一些定量的指标，如事故发生的概率、事故的伤害(或破坏)范围、定量的危..·..B30·..高文学，等：故障树分析法在城市燃气管道安全评价的应用第29卷第12期险性、失效因素与事故的关联度或重要度等。用失效因素的事故发生概率来计算整个评价系统的事故发生概率，称为概率风险评价法，包括：故障类型及影响度分析、故障树分析、逻辑树分析、概率理论分析、马尔科夫模型分析、模糊矩阵分析法、统计图表分析法等。伤害(或破坏)范围评价法包括：液体泄漏模型、气体泄漏模型、气体绝热扩散模型、池火火焰与辐射强度评价模型、火球爆炸伤害模型、爆炸冲击波超压伤害模型、蒸气爆炸超压破坏模型、毒物泄漏扩散模型和锅炉爆炸伤害..TNT当量法等。常用的危险指数评价法有道化学公司火灾爆炸危险指数评价法，蒙德火灾爆炸毒性指数评价法，易燃、易爆、有毒重大危险源评价法等。..②燃气管道安全评价体系的发展城市燃气管道安全影响因素众多，从设计、施工、运行、维护到第三方破坏、腐蚀破坏等方面多达几百个相关因素。我国城市燃气管道自建设初期并没有建立相应的历史数据和原始设计资料库，管道投入使用后的运行情况基本依靠人工记录，大量资料缺失，这些客观情况增加了建立城市埋地燃气管道安全评价方法和模型的难度，削弱了城市燃气管道原始数据的真实性和可靠性。目前在城市埋地燃气管道安全评价方面尚未形成系统、完整的安全评价技术体系。目前，对于燃气管道的半定量安全评价方法大部分是以杨嘉瑜等翻译的《管道风险管理手册》。。。为基础，核心是各风险因素的权重确定。确定各风险因素的权重方法有..2种：基于历史数据的统计法和专家估计法。在燃气管道的定量安全评价研究上，技术发展主要集中在管道的故障可能性研究，由最初的单一研究腐蚀引起的管道寿命预测，发展到考虑内压、温度、外部荷载、管道弯曲、管壁变薄、新缺陷的生成等多种因素共同作用下，管道的可靠性预测..“】。对故障后果的研究主要有对燃气管道爆炸的伤亡半径、爆炸冲击波超压计算及几种燃气的泄漏模式的定量计算等，但是由于受到各种客观条件的制约，定量研究进展相对较慢，理论模型和计算方法还有待进一步完善。总体而言，我国的燃气管道危险源评价和安全评价技术仍处于起步阶段，没有制定出针对我国燃气管道实际情况的安全评价技术标准，也没有相应的管道信息数据库的支持。需要在今后的研究和实际应用中，不断积累和总结。基于目前燃气管道系统的现状及各城市燃气管道技术运行数据的特殊性、独立性，在安全评价上应用较多、发展较快的是以故障树分析法为主的定性、半定量安全评价方法。若拟进行安全评价城市的相关基础资料、历史数据、运行维护文件较为完整、可靠，则可以进行该城市燃气管道的定量评价。3故障树分析法..3．1故障树分析法基本概念故障树分析法是美国贝尔电话实验室于..1962年为研究民兵式导弹发射控制系统的安全性问题而研究开发的，它为解决导弹系统偶然事件的预测问题做出了贡献...。故障树分析法是把要分析的目标函数作为故障树的顶事件，以方框符号表示；经分析找尽导致顶事件发生的所有直接原因，作为中间事件，以方框符号表示；作为逻辑门输人信号，将逻辑门输出信号与顶事件相连接形成因果关系；再跟踪找出导致每个中问事件发生的所有直接原因作为下一级中间事件，用逻辑门与上一级中间事件连接；以此程序直追溯到导致组成系统所有部件故障发生的全部直接原因，作为故障树的底事件，以圆形符号表示，用逻辑门与上一级中间事件相连接，最终形成倒置的树状逻辑图¨。然后定性或定量地分析事件发生的各种可能途径及发生的概率，找出避免事故发生的各种方案并选出最佳安全对策。顶事件通常是由故障假设、危险与可操作性研究法等危险分析方法识别出来的。故障树模型是原因事件(即故障)的组合(称为故障模式或失效模式)，这种组合导致顶事件。这些故障模式称为割集，最小的割集是原因事件的最小组合。要使顶事件发生，最小割集中的所有事件必须全部发生。根据底事件的组合个数，最小割集分为一阶最／j,~ij集、二阶最小割集等。故障树分析包括定性分析和定量分析。故障树的定性分析仅按照故障树的结构和事故的因果关系进行，分