天然氣管道驗收安全評價

1、重慶科技學院畢業(yè)生畢業(yè)設計（論文）天然氣輸氣管線竣工驗收安全評價院（系） 安全工程學院 專業(yè)班級 安技專2006-01 學生姓名 指導教師 趙一姝 高級講師 2009年 6 月 8 日學生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明本人以信譽聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）是在導師的指導下進行的設計（研究）工作及取得的成果，設計（論文）中引用他（她）人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學院或其它教育機構的學位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設計（研究）所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。畢業(yè)設計（論文）作者（簽字）：

2、 年 月 日摘 要長輸管道輸送天然氣是最經(jīng)濟，最安全的運輸方式，但由于天然氣的易燃，易爆及毒性等特點，一旦發(fā)生事故，就會帶來極大的社會和政治影響?？v觀管道運輸行業(yè)多年的發(fā)展，壓力管道事故頻發(fā)，壓力管道安全形勢嚴峻，引起了社會的強烈反響。因此，無事故運行已成為當今管道運輸行業(yè)追求的目標。在現(xiàn)場調查，實驗分析的基礎上，合理的建立天然氣管線失效的故障樹，分析管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，失效概率，定性定量評價天然氣管線的失效危害及損失程度，從而有效的對天然氣管線進行安全評價以達到竣工驗收的目的。本文將針對新的天然氣管道的竣工驗收，可靠性分析及風險評價及后期管理采用一定的分析方法進行論述，保證建設工程項目安全設

3、施與主體工程同時設計、同時施工、同時投入生產和使用，保證天然氣管道工程安全平穩(wěn)運行。關鍵詞:天然氣管道 事故 故障樹 風險評價 目 錄摘 要I1 緒 論11.1國內外研究現(xiàn)狀11.2竣工驗收的目的和意義31.3研究內容及亮點31.4技術路線42 天然氣管道風險52.1壓力管道事故多發(fā)的原因52.2影響天然氣管道安全的危害因素分析52.3天然氣管線生產試運行期危險有害因素83 管道竣工驗收風險評價方法103.1風險評價主要方法103.2 天然氣管道風險評價的定性分析法103.3 天然氣管道故障樹的建立123.4 事故樹分析163.5事故樹基本事件結構重要度164 天然氣管道風險評價的定量分析19

4、4.1蒸氣云爆炸定量模擬計算194.2 最大泄漏量的計算194.3 蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑計算公式194.4 蒸氣云爆炸定量模擬計算結果分析205 減少天然氣管道安全危害因素的建議及對策215.1 建議215.2 對策措施226 結 論26參考文獻27致 謝281 緒 論天然氣管道運輸是一個國家國民經(jīng)濟的大動脈，管道安全與人民的生活息息相關。天然氣管道的自投產至使用壽命終結，其事故率一般遵循浴盆曲線，在投產初期，管道設計，施工，管材，設備等方面的不足就會慢慢的暴露出來，事故率較高，面臨的安全問題是十分嚴峻，因此要對這些新管道的進行竣工驗收風險評價。1.1國內外研究現(xiàn)狀管道風險評價又稱危險

5、評估，它是根據(jù)危險源評價方法確定影響系統(tǒng)發(fā)生事故的各種因素，并對這些因素進行定性和定量分析，評價系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性和程度，以尋求最小的事故率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益。首先了解一下天國內外對天然氣管道竣工驗收風險評價的研究現(xiàn)狀1。1.1.1天然氣管道竣工驗收風險評價國外研究現(xiàn)狀20世紀70年代，美國首先開始了管道風險評估分析技術的研究，即應用風險評估的基本原理對管道的各區(qū)段進行評價，以風險值的大小來評定各區(qū)段的安全性。美國的pRCI針對美國和歐洲的輸氣管道事故數(shù)據(jù)進行了分析，歸納總結出22種引起壓力管道失效的基本因素。其中，只有一種因素的本質原因是“未知的”，即不能確定它的本質特性。其

6、余的21種失效因素按照與時間的關系分為3類，如表1.1所示2。從二十世紀70年代到90年代，美國一邊研究一邊實踐應用，逐步確定了管道風險評價的基本模型，提出了壓力管道風險評估的評分系統(tǒng)。最近10多年，許多工業(yè)發(fā)達國家相繼開發(fā)這一先進技術來管理本國的長輸管道和燃氣管道，開始了建立適合本國國情的管道風險管理系統(tǒng)的研究工作。目前國外的管道風險評價技術正在向成熟應用階段過渡?？傊l(fā)達國家在管道風險識別和風險評價研究的基礎上，已經(jīng)實施了對新建壓力管道進行開工前風險論證，對在用壓力管道進行風險管理，并定期向社會公告風險管理措施的執(zhí)行情況。通過風險評價，在提高在役管道管理水平、減少管道事故、延長管道使用壽

7、命和提高管道公司的經(jīng)濟效益等方面取得了顯著效果。表1.1 PRCI針對輸氣管道總結出的21種失效“基本因素”發(fā)生變化且變化規(guī)律與時間關系密切的因素外腐蝕內腐蝕應力腐蝕穩(wěn)定存在的失效因素與制造有關的因素管道焊縫缺陷管體缺陷與焊接，安裝有關部門的缺陷管道環(huán)焊縫缺陷管道安裝缺陷彎頭起皺管道焊縫(縱焊縫或螺旋焊縫)缺陷與設備有關的失效密封圈失效控制/安全泄放設施故障密封泵體包裝失效雜項發(fā)生變化但變化規(guī)律與時間無關的失效因素機械破壞由第一第二或者第三方引起的破壞誤操作管道先前遭受破壞蓄意破壞與自然和外力有關失效因素嚴寒雷電暴雨洪水，地層運動1.1.2 我國天然氣管道風險評價現(xiàn)狀 在我國，最早由潘家華在1

8、995年全面介紹了美國的管道風險管理手冊，引起國內學術界和有關部門的廣泛關注4。在工程應用上，一方面，國內的研究人員對管道的風險評估開展了試驗性的應用，另一方面，在一些重點工程中，聘請國外的公司對部分管道進行了開工設計前的風險評估。這些工作的開展，對推動我國管道風險評估水平起到了非常重要的作用?？傮w來看，我國的壓力管道的風險評價技術仍處于起步階段，沒有制定出針對我國壓力管道實際情況的風險評價技術標準，夜沒有相應的管道信息數(shù)據(jù)庫作為支持，需要在今后的研究和實際應用中，緊密跟蹤國外的最新研究成果，并不斷進行基礎數(shù)據(jù)的積累，結合我國管道的具體情況，組織多學科的技術力量協(xié)同解決。由于我國正處在全面建設

9、小康社會的關鍵時期，以壓力管道作為基礎設施的建設項目呈大量增長態(tài)勢，壓力管道事故頻發(fā)，而新時期構建和諧社會的客觀需要要求我們要努力杜絕特大事故，降低重大事故，減少一般事故，創(chuàng)造一個人與自然安全協(xié)調相處的和諧社會。 近年來，我國除加大對壓力管道的安全監(jiān)察力度外，國家相關部門如國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家科委以及其他相關部門也加大了對壓力管道安全科學技術的科研經(jīng)費投入和人才培養(yǎng)力度。國家已經(jīng)并將繼續(xù)重點依靠壓力管道安全科學技術加強對天然氣管道的風險評價，來保障壓力管道的安全運行。1.2竣工驗收的目的和意義天然氣管線的施工質量直接關系到人民的生命和財產的安全，為了加強對天然氣管線的監(jiān)督管理，認真貫

10、徹落實天然氣管線設計規(guī)范和施工，驗收規(guī)范，就需要依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范標準對天然氣管線進行驗收評價5。天然氣管線的竣工驗收應該是對工程的綜合，整體的驗收，竣工驗收有利于弄清天然氣管線的實際承載能力，失效規(guī)律，危險有害因素，從而預測管線事故和隱患區(qū)段，這對于管線的可靠性，安全運行具有重要的意義?？⒐を炇找彩秦瀼亍鞍踩谝?，預防為主”方針，有利于提高新建天然氣管線的本質安全程度。1.3研究內容及亮點研究內容根據(jù)天然氣管道的特點,對天然氣管道風險及危險有害因素進行了系統(tǒng)闡釋,并對天然氣管道風險評價的關鍵技術的突破和現(xiàn)狀作了介紹；通過安全檢查表，事故樹定性分析天然氣管道的主要危險有害因素，通過蒸汽云爆炸模型定

11、量計算天然氣管道泄漏爆炸的危害程度，并在定性定量分析的基礎上針對主要的風險提出相應的對策措施； 故障樹分析是適用于大型復雜系統(tǒng)的可靠性和安全分析的一種技術，本文應用故障樹分析的原理嘗試建立基于破裂和泄漏兩種失效形式的天然氣管道故障樹，在故障樹定性模型的基礎上進行管道定量風險分析，達到竣工驗收評價的目的7；1.3.2主要亮點選用安全檢查表法，事故樹分析法(FTA)對管道工程進行定性評價，采用蒸氣云爆炸定量模擬進一步分析氣源管道工程的危險性；引入故障樹分析法,應用故障樹分析的原理建立了基于破裂和泄漏兩種失效形式的天然氣管道故障樹,對故障樹進行定性分析,求出最小割集,識別了引起管道失效的主要影響因素

12、；引入事故樹基本事件結構重要度，通過重要度分析來確定基本事件的發(fā)生對頂上事件發(fā)生所產生的影響，認為結構重要度能為人們改進系統(tǒng)的安全性提供重要信息。1.4技術路線在現(xiàn)場調查，實驗分析的基礎上，深入分析新建天然氣管線發(fā)生失效的眾多因素，合理的建立天然氣管線失效的故障樹分析管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，失效概率，定性定量評價天然氣管線的失效危害及損失程度，從而有效的對天然氣管線進行安全評價以達到竣工驗收的目的8。主要的技術路線如下：安全對 策故障樹建立失效因素分析調查分析定性，定量評價圖1.1 天然氣管線竣工驗收安全評價技術路線2 天然氣管道風險2.1壓力管道事故多發(fā)的原因對壓力管道構成威脅的因素越來越多，但

13、歸納總結一下，在役壓力管道事故多發(fā)的原因主要表現(xiàn)為以下幾個方面9:壓力管道周邊安全生態(tài)環(huán)境遭到破壞，如道路改造、河流箱涵改造、管線改造等，使得原來符合安全要求的管道出現(xiàn)安全隱患，特別是違章建筑屢禁基于故障樹分析的長輸管道定量風險評價方法研究不止;建筑施工等人為因素造成管道斷裂;壓力管道腐蝕嚴重，未及時更新和修補;缺乏科學合理有效的壓力管道管理規(guī)章和制度;缺乏科學嚴密的風險辨識預測方法和能力;壓力管道檢驗手段和方法老化，國家有關壓力管道的強制性標準落后;監(jiān)控、決策、調度、信息共享等監(jiān)控管理水平和層次不高;壓力管道風險預警響應能力差。2.2影響天然氣管道安全的危害因素分析2.2.1 設計長輸管道建

14、設規(guī)模大，投資高，勘察設計是確保工程本質安全的第一步，設計質量對工程質量有著直接的影響。精心設計，深入研究，做好多種方案的比選，并遵照有關的工程設計規(guī)范，才能使設計方案技術經(jīng)濟合理而且安全可靠性好。設計合理性及其危害主要表現(xiàn)在：管道選線、站場選址管道的路由是設計中非常重要的一項工作。線路的走向、長短和通過的難易程度將對整條管線的投資、施工、運行安全都有很大影響。設計時要注意站場選址及站內的建筑物布局、分區(qū)、防火間距、防火防爆等級、消防設施配套、與周圍及他建筑物的安全距離等問題，以防相互影響，產生安全事故，并危及相鄰設施。工藝流程、設備選型長輸管道運行安全與系統(tǒng)總流程、各站場工藝流程及系統(tǒng)設備布

15、置有著非常密切的關系。工藝流程設置合理、設備選型恰當，系統(tǒng)運行就平穩(wěn)，安全可靠性就高。否則，將給系統(tǒng)安全運行造成十分嚴重的威脅。在進行水力、熱力等工藝計算時，設計參數(shù)或工藝條件確定不合理，將造成站場的位置設置或壓縮機等設備的選型不當，從而給系統(tǒng)造成各種安全隱患10。管道強度計算管道強度設計計算時，對管道的受力載荷分析不當，或強度設計系數(shù)取值有誤，將使強度計算產生偏差，造成管材、壁厚的選用不恰當。例如，輸氣管道是根據(jù)管道所經(jīng)地區(qū)的分級或管道穿跨越鐵路、公路等級。河流大小等情況，確定強度設計系數(shù)。如果管道沿線勘察不清楚，有可能出現(xiàn)地區(qū)分級不準確，造成強度設計系數(shù)選取不恰當。若這種失誤導致管道壁厚計

16、算值偏低，將不能滿足現(xiàn)場實際工況的安全；若偏高，將會造成管材不必要的浪費。因此，管道應力分析、強度、剛度及穩(wěn)定性校核產生偏差，將會造成管道變形、彎曲甚至斷裂等嚴重后果。2.2.2 施工缺陷施工質量的好壞不僅關系到管道的使用壽命，更直接關系到管道的安全可靠性。管道施工缺陷主要有以下幾方面：焊接缺陷焊接是管道施工中最重要的一道工序。管道焊縫處產生的缺陷常見有裂紋、夾渣、未熔透、未熔合、焊瘤、氣孔和咬邊等，管道一旦建成、投產，一般情況下都是連續(xù)運行。因此，管道中若存在焊接缺陷，不僅難以發(fā)現(xiàn)，而且不易修復，會給管道安全運行構成威脅11。影響焊接質量或產生焊接缺陷的主要因素有：1）焊接方法的影響。手工向

17、下焊工藝采用多機組流水作業(yè)，勞動強度較低，效率較高，焊接質量也較好，但焊接質量還取決于焊接環(huán)境和焊工素質。2）管口質量差。在鋼管運輸過程中沒有保護好管口，造成如橢圓度超差、局部變形等，若采用強力裝配方式進行焊接對口，會在焊縫內產生較高的安裝殘余應力，造成較大的應力集中。防腐層補口、補傷的質量問題 主要表現(xiàn)：表面粗糙度達不到標準要求；補口時未按規(guī)定要求與鋼管已有的防腐層進行搭接，或搭接長度不夠；補傷時面積不能滿足標準、規(guī)要求；補口、補傷的粘接力或厚度不符合要求，造成再次損壞或防腐能力不足等。補口、補傷質量較差將會直接影響管道抗腐蝕性能，從而引起管道的腐蝕。管溝開挖及回填的質量問題如果管溝開挖深度

18、或管溝基礎不實，特別是采用機械壓實時，將造成管道向下彎曲變形；地下水位較高而管溝內未及時排水就敷設管道，會使管道底部懸空，如果夯實不嚴，極易造成管道拱起變形?；靥钔恋耐临|達不到規(guī)范要求時，其中的石塊等可能硌傷防腐層?；靥罡叨取⒑粚嵆潭炔粔?，會造成管道埋深不夠、管溝基礎不實等問題12。穿跨越質量問題對于需要穿越公路、鐵路及江河等特殊地段的管道， 由于敷設完成以后難以實施再檢修等工作，因此，施工質量的優(yōu)劣對充分保證穿越管道質量顯得尤為重要。穿越河流段的管道，當河床受水流沖刷而使其深度逐漸減小，將可能造成管道懸空。對于通航河道，如果進行疏?；虼皰佸^時，將對管道構成危害。河流堤岸防護工程的施工或公路

19、和鐵路養(yǎng)護工程的施工也有可能對管道造成損壞。2.2.3 第三方損傷人為外力損傷已成為天然氣長輸管道泄漏、火災、爆炸的主要原因之一。由于長輸管道管廊土地所有權屬不屬于企業(yè)，而長輸管道線長、面廣、點多，所經(jīng)行政區(qū)域范圍大，因此造成對管道的管理難度較大，其危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：建筑、施工損傷管道當管道經(jīng)過經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)或人口稠密的城鎮(zhèn)范圍內時，該區(qū)域內的建筑物的施工、道路和橋梁等基礎設施較多。由于各種施工管理涉及的管理部門眾多，在缺乏有效機制和觀念淡漠情況下，難以協(xié)調，所以在施工時，經(jīng)常會出現(xiàn)損壞長輸管道的現(xiàn)象。在河床上作業(yè)損傷管道在河床上進行挖沙、取土、航道清淤等作業(yè)時，如果未充分考慮管線的安全

20、，可能造成管道裸露、懸空或破壞。違章建筑占壓管道有一些單位和個人受經(jīng)濟利益的驅使，常常忽視安全生產和管理，在管道附近空地甚至管道上修建公路、房屋、建構筑物等，或進行開挖溝渠、挖沙、生產、打井等作業(yè)，造成占壓埋地管道的現(xiàn)象。這種占壓現(xiàn)象，既構成了對管道基礎的破壞，引起下沉，又增加了管道的負荷，造成管道彎曲變形甚至損壞。 有意破壞一些不法人員為了獲取經(jīng)濟利益，盜、扒管道防腐層，偷盜儀器儀表、閥門或附屬設施，并人為蓄意破壞管線其他設施。特別是無人值守的閥室尤為嚴重。2.2.4 地質災害對管線造成損壞的地質災害有：山體滑坡、崩塌以及地面沉降。山體滑坡、崩塌山體滑坡、崩塌除直接成災外，還常常造成一些次生

21、災害，如在滑、崩過程中雨水或流水的參與下直接形成泥石流。滑坡、崩塌的發(fā)生所形成的巖石或泥石流擠壓管道，造成管道出現(xiàn)拉伸、彎曲、扭曲等變形甚至斷裂。地面沉降作為自然災害，地面沉降的發(fā)生有著一定的地質原因，也有人為因素，隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展、人口的膨脹，地面沉降現(xiàn)象越來越頻繁，沉降面積也越來越大，人為因素已大大超過了自然因素。地面沉降會導致管道下部懸空或產生相應變形，嚴重時發(fā)生斷裂；造成設備與管道連接處變形或斷裂。2.2.5 管道腐蝕的危害腐蝕是造成天然氣長輸管道事故的主要原因之一。腐蝕既有可能大面積減薄管道的壁厚，從而導致過度變形或破裂，也有可能造成管道穿孔，或應力腐蝕開裂，引發(fā)漏氣事故。站場

22、的地面管道、設備，由于受到大氣中水、氧氣、酸性污染物等物質的作用而引起管道腐蝕。長輸管道主要采用埋地方式敷設，埋地管道受所處環(huán)境的土壤、雜散電流等因素的影響，容易造成管道電化學腐蝕、細菌腐蝕、應力腐蝕和雜散電流腐蝕等。2.2.6 誤操作操作失誤的主要原因有：管理、操作人員自身技術水平、業(yè)務素質不操作人員沒有認識到嚴格執(zhí)行操作規(guī)程、遵守安全生產規(guī)定的重要性，有章不循或違章操作。2.3天然氣管線生產試運行期危險有害因素輸氣管線試運行期間存在的主要危險有害因素有管道腐蝕穿孔、管材質量、第三方破壞、自然災害和穿越因素等。天然氣管道在正常運行期間，由于腐蝕穿孔等原因可能引發(fā)的天然氣泄漏，如果泄漏的天然氣

23、遇著火源，將產生噴射火焰，甚至發(fā)生火災、爆炸事故，從而引起熱輻射和爆炸沖擊波傷害；若泄漏天然氣為含硫化氫超標，可能發(fā)生硫化氫中毒事故14。表2.1在管道生產試運行過程中的主要危險有害因素危險有害因素原 因后 果腐蝕穿孔防腐措施不當或輸送天然氣氣質超標，腐蝕穿孔引發(fā)天然氣泄漏；可能導致火災、爆炸事故；防腐措施不當或輸送天然氣氣質超標，管道腐蝕穿孔引發(fā)含硫天然氣泄漏；可能發(fā)生高濃度H2S致人中毒、死亡；長期接觸低濃度的硫化氫，會引起神經(jīng)衰弱和神經(jīng)紊亂等癥狀；管材質量不達標管材質量不合格；管材型號規(guī)格與設計不符；可能引發(fā)管道裂縫、裂紋、砂眼、爆管等事故；自然災害山體滑坡、洪水沖刷、泥石流、風雹等自然

24、災害；可能使管道裸露，嚴重時使管道拉裂，引發(fā)事故；第三方破壞在管道投入正式運行后，違反管道保護條例，在管道附近或上層地面亂搭亂建在修建房屋或進行其它施工時，可能造成管道的損傷，嚴重時可能發(fā)生爆管事故；管道腐蝕穿孔或人為破壞造成天然氣外泄處理不及時；對附近居住人員會產生很大的危險，可能造成硫化氫中毒事故發(fā)生。管道受壓穿越公路的管道因車輛通過而受壓，使管道受到影響；嚴重時可能致使管道疲勞破裂而引發(fā)天然氣泄漏。3 管道竣工驗收風險評價方法3.1風險評價主要方法 安全評價方法是對系統(tǒng)的危險性、危害性進行分析評價的工具。按照是否運用數(shù)學方法評價危險性(量化危險程度)，可分為定性評價方法和定量評價方法。定

25、性的評價方法是通過科學方法，找出系統(tǒng)中存在的危害因素，然后根據(jù)這些危險危害因素(發(fā)生的可能性及產生的后果嚴重程度，定性得出危險的等級),從技術和管理上提出對策，加以控制，達到系統(tǒng)安全的目的。在天然氣管道風險評價中，根據(jù)規(guī)劃資料、現(xiàn)場踏勘，選用安全檢查表法，事故樹分析法(FTA) 對管道工程進行定性評價，采用蒸氣云爆炸定量模擬進一步分析氣源管道工程的危險性16。3.1.1事故樹分析(FTA)事故樹分析是一種演繹的系統(tǒng)安全分析方法。它從要分析的特定事故或故障開始，層層分析其發(fā)生原因，一直分析到基本原因；將特定的事故和層層原因(危險因素)之間用邏輯門符號連接起來，得到形象、簡潔的表達其邏輯關系的邏輯

26、樹圖形，即事故樹。本評價方法通過對事故樹結構進行簡化，得到最小割集，確定各基本事件的結構重要度來進行定性分析。3.1.2蒸氣云爆炸定量模擬易燃氣體泄漏到空氣當中，其蒸氣與空氣混合形成可燃性云霧，當這種云霧的濃度處于爆炸范圍內時，遇到火源將發(fā)生爆炸，產生沖擊波，對周圍的人員和設施造成一定的損傷和破壞。 因此，為了進一步說明管道因各種原因發(fā)生泄漏后的危害程度，應該對天然氣管道泄漏蒸氣云爆炸定量計算。并以此計算結果作為定量分析依據(jù)。3.2 天然氣管道風險評價的定性分析法3.2.1故障樹分析法簡介故障樹分析(FTA)是適合用于大型復雜系統(tǒng)的可靠性和安全分析的一種技術 。它是一種圖形演繹法， 它把系統(tǒng)不

27、希望出現(xiàn)的事件作為故障樹圖的頂事件，通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素)進行分析，用規(guī)定的邏輯符號自上而下的由總體至部分，按樹枝狀結構逐層細化，分析導致各事件發(fā)生的所有可能的直接因素，及其相互間的邏輯關系，并由此逐步深人分析，直到找出事故的基本原因，即故障樹圖的底事件為止。從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式和發(fā)生概率，并采取相應的改進措施，提高系統(tǒng)的可靠性。故障樹圖是一種邏輯因果關系圖，它根據(jù)元部件狀態(tài)(基本事件)來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)(頂事件)。一個故障樹圖是從上到下逐級建立并且根據(jù)事件而聯(lián)系，它用圖形化”模型”路徑的方法，使一個系統(tǒng)能導致一個可預知的，不可預知的故障

28、事件(失效)，路徑的交叉處的事件和狀態(tài)，用標準的邏輯符號(與，或等等)表示。 在建立故障樹時要用到許多符號，在建樹之前簡要介紹一下有關術語和本文所用的符號17。主要符號如表3.1：頂事件:所謂頂事件就是系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件，也就是要研究的事件。通常選擇系統(tǒng)最不希望出現(xiàn)的故障為頂事件，它位于故障樹的頂端把它形象地理解為“樹根”。中間事件:又稱故障事件，它位于頂事件和底事件之間 并緊跟一個輯門表示，可形象地理解為“樹枝”。底事件:位于樹的底部。底事件可理解為“樹葉”。表3.1 事故樹分析所用的主要符號名稱邏輯符號描述名稱邏輯符號描述與門表示僅當所有輸入事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生或門表示至少有一個輸

29、入事件發(fā)生，輸出事件才能發(fā)生頂端事件故障樹的頂事件組合事件故障樹的中間事件基本事件故障樹的底事件基本事件如果需要，還可以進一步分析的底事件輸入事件轉移事件，來自另一個事故樹輸出事件轉移事件， 轉移到另一個事故樹3.2.2 FTA應用及其研究現(xiàn)狀1961年美國貝爾實驗室的Watson博士首創(chuàng)了FTA技術，并成功的運用于民兵式導彈發(fā)射控制系統(tǒng)的設計之中，60年代初，F(xiàn)TA在航空業(yè)中得到應用，推動了它的發(fā)展。從60年代初期到70年代，利用FIA定量分析有了迅速的發(fā)展，并且成為原子反應堆，化學工廠等一些單位對可靠性、安全性有特別要求的系統(tǒng)不可缺少的分析方法之一18。目前，F(xiàn)TA己從宇航、核能，進入一般

30、電子、電力、化工、機械、交通乃至土木建筑等領域，科學工作者和工程技術人員愈來愈傾向于采用FTA作為評價系統(tǒng)可靠性和安全性的手段，用FTA來預測和診斷故障，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，指導運行和維修，實現(xiàn)系統(tǒng)設計的最優(yōu)化。我國的FTA技術引進較晚。 1980年首次介紹了FTA技術，F(xiàn)TA作為系統(tǒng)可靠性分析的有力工具，在航天、航空、核能、電子、化工等領域被相繼引用，大批學者和研究人員對其的開發(fā)，應用作了廣泛的研究。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，F(xiàn)TA技術己經(jīng)有相對成熟的理論，并在許多領域內得到廣泛應用。利用FTA，可以對系統(tǒng)的可靠性進行定性分析和定量計算，求出系統(tǒng)的所有失效模式組合，確定系統(tǒng)中的關鍵部件和重要度，反過

31、來又可以幫助設計人員進行系統(tǒng)的可靠度分配等設計工作。本文將故障樹分析法應用于天然氣長輸管線系統(tǒng)進行竣工驗收的可靠性分析，首先需要建立長輸管線故障樹。3.3 天然氣管道故障樹的建立3.3.1故障樹的建立的步驟根據(jù)故障樹頂端事件的確定原則:根據(jù)可能發(fā)生事故的危險程度，把對系統(tǒng)影響大的災害或事故作為分析對象，即頂事件。頂事件是故障樹分析的起點和主體。確定頂事件應針對分析對象的特點，抓住主要的危險(事故狀態(tài))，按照一種事故編制一個樹的原則進行具體分析。FTA分析的過程，是對系統(tǒng)深入認識的過程，它要求分析人員要把握系統(tǒng)的內在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對故障發(fā)生影響的途徑和程度，以便在分析過程中發(fā)現(xiàn)并及時解決

32、問題，從而提高系統(tǒng)可靠性19。其分析步驟如下圖3.1:故障樹的定性分析（故障樹簡化或者模塊化，求最小割集，最小徑集）選擇合理頂事件，確定邊界定義和故障規(guī)則建造故障樹故障樹定量分析（求頂事件發(fā)生概率，重要度分析）確定薄弱環(huán)節(jié)采取措施提高系統(tǒng)可靠性圖3.1 故障樹建立步驟FTA技術實用于:系統(tǒng)的可靠性分析，可靠性特征量的定量計算;系統(tǒng)的安全分析和事故分析，尋找薄弱環(huán)節(jié)、制定預防措施;系統(tǒng)的風險評價;系統(tǒng)部件的重要度分析;故障診斷和檢修表的制定。3.3.2 建立事故樹 根據(jù)頂上事件的確定原則，天然氣管道的事故樹的頂上事件為“天然氣管道泄漏”。根據(jù)相關分析，逐層確定各種原因，建立了天然氣管道泄漏事故樹

33、，見下圖3.2所示，20 天然氣管道斷裂屬于泄漏的一種特殊情況，專門建立的事故樹見圖3.3。 圖3.2 天然氣管道泄漏事故樹圖3.3 天然氣管道斷裂事故樹表3.2 事故樹中各符號含義符號事件符號事件符號事件F1抗腐蝕性能差F16管材加工質量差F31人員狀況F2輸送天然氣含水F17金相組織不均勻F32通信、控制F3含H2SF18管材含雜質F33設備F4含CO2F19晶粒粗大F34儀器F5含O2F20安裝質量差F35材料機械性能差F6清管效果差F21焊接質量差F36管道處違章施工F7陰極保護失效F22管溝質量差F37地質、自然災害F8防腐絕緣層質量差F23機械損傷F38管道附近滑坡、塌方等F9材料

34、抗腐蝕性能差F24管線構造力學模型建立F39人為破壞F10土壤氧化還原電位高F25管線設計安全系數(shù)選取F40沿線壓管嚴重F11土壤含水率高F26管線地基土壤參數(shù)確定F41存在應力集中F12土壤含硫化物F27管線疲勞強度分析F42存在殘余應力F13土壤PH值低F28管線表面缺陷F43內應力較大F14土壤含細菌F29管線橢圓度不達標F15土壤含鹽高F30管線壁厚不均勻3.4 事故樹分析事故樹定性分析的任務是求出事故樹的全部最小割集。所謂最小割集，是指導致頂上事件發(fā)生的所有可能的基本事件的最小限度集合。當集合中的全部基本事件都已發(fā)生時，頂上事件必然發(fā)生。其基本原理是從頂上事件開始，由頂上向下部進行，

35、與門增加割集的容量，或門增加割集的數(shù)量。每一步按上述原則自上而下排列，直到全部邏輯門都置換為基本事件，再利用布爾代數(shù)法則，進行簡化吸收，得到全部最小割集。圖中事故樹的全部最小割集為：T=T1+T2T1=F1F2F3F6+F1F2F4F6+F1F2F5F6+F7F8F9F10+F7F8F9F11+F7F8F9F12+F7F8F9F13+F7F8F9F14+F7F8F9F15+F8+T2= F9F41+ F9F42+ F9F43+F2F3F9+F2F4F9+F2F5F9+最小割集為：P1=F8 P2=F16 P3=F17 P4=F18 P5=F19 P6=F20P7=F21 P8=F22 P9=F

36、23 P10=F24 P11=F25 P12=F26P13=F27 P14=F28 P15=F29 P16=F30 P17=F31 P18=F32P19=F33 P20=F34 P21=F35 P22=F36 P23=F37 P24=F38P25=F39 P26=F40 P27=F1F，2F，3F6，P28=F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4F6P29=F1，F(xiàn)2，F(xiàn)5，F(xiàn)6 P30=F9，F(xiàn)41 P31= F 9，F(xiàn)42 P32= F9，F(xiàn)43 P33=F2，F(xiàn)3，F(xiàn)9 P34=F2，F(xiàn)4，F(xiàn)9P35=F2，F(xiàn)5，F(xiàn)9根據(jù)計算可知：事故樹的最小割集共有35個，35個最小割集表示了天然氣管道失效事故發(fā)生有35個

37、模式，從求事故樹的最小割集分析可知，最小割集越多，表示系統(tǒng)安全性越低，一個最小割集代表一種事故模式，因此，最小割集數(shù)目越少，發(fā)生事故的可能性相應降低。如P1表示若防腐絕緣層質量差就可能導致管道缺陷而發(fā)生泄漏，使管道失效；P27表示若管道抗腐蝕性能差，輸送的天然氣中又含有水、H2S，清管效果差，致使水、酸性氣體聚集在管道中，使管道腐蝕損壞從而導致管道失效。其它最小割集物理意義類推。3.5事故樹基本事件結構重要度結構重要度分析是分析是從事故樹結構上分析各基本事件的重要程度，即在不考慮基本事件發(fā)生概率，或者說假定各基本事件發(fā)生的概率都相的情況下，分析各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生所產生的影響程度，基本

38、事件結構重要度越大，它對頂事件的影響程度就越大。結構重要度分析方法有兩種：一種是求結構重要系數(shù)，另一種是利用最小割集或最小徑集判斷重要度。前者精確，但煩瑣，后者簡單，但不夠精確?？紤]事故影響模式有輕重緩急，通常在生產中用第二種已經(jīng)能夠滿足工程要求。只從事故樹樹形結構方面分析，各基本事件所處理位置和分布的割集(或徑集)的情況來判定各基本事件的重要程度稱結構重要度。其基本判斷原則有：一階最小割集中的基本事件結構重要度大于所有高階最小割集中基本事件的結構重要系數(shù)。僅在同一最小割集中出現(xiàn)的所有基本事件，結構重要系數(shù)相等幾個最小割集均不含共同元素，則最低最小割集中基本事件重要系數(shù)大于高階割集中基本事件系

39、數(shù)。階數(shù)相同，重要系數(shù)相同。比較兩基本事件，若與之相關的割集階數(shù)相同，則兩事件結構重要系數(shù)大小由他們出現(xiàn)的次數(shù)決定，出現(xiàn)次數(shù)大的系數(shù)大。相比較的兩事件僅出現(xiàn)在基本事件個數(shù)不等的若干最小割集中。若它們重復在各最小割集中出現(xiàn)次數(shù)相等，則在少事件最小割集中出現(xiàn)的基本事件機構系數(shù)大。因此是：在割集中事件數(shù)量相同時，出現(xiàn)次數(shù)多的事件其結構重要度大；在出現(xiàn)次數(shù)相等時，在事件割集中出現(xiàn)的事件其結構重要度大; 也可以根據(jù)簡易法則可判定：所有一階最小割集中的基本事件結構重要度最大；即：F8，F(xiàn)9，F(xiàn)10，F(xiàn)13，F(xiàn)40是管道失效模式事故樹中我們最應該必須注意，最重要的參數(shù)指標。因此，在設計施工中，要按照國家規(guī)范

40、，相應的法律法規(guī)，確保質量達標。這26個指標同樣重要，必須預留更多的安全儲備，確保管道經(jīng)久耐用，做到無腐蝕，無泄露，無爆炸，確保人民的生命財產。F2、F9基本事件結構重要度其次。這就表明天然氣水分含量過高，易引起管道腐蝕，管道的材質抗腐蝕性能重要，本氣源工程輸送的是凈化天然干氣，內部腐蝕情況輕微，建議本管道工程把防腐注意力集中在管道外防腐。外防腐全部采用三層PE普通級防腐層，特殊地段采用加強級防腐層，所有冷彎彎管采用三層PE防腐，熱煨彎頭采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套搭接防腐，環(huán)焊縫補口采用聚乙烯熱收縮套（片）防腐，陰極保護采用犧牲陽極陰極保護。結構重要度大的說明最重要，但是從基本事件可以看出，一

41、階割集中的基本事件，屬于設計、施工以及人員方面，若在施工、設計中把好關，針對實際采取可行的防腐、防應力突變、防第三方破壞的措施，在將來的運行管理中，加強線路巡查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，并依靠先進科技監(jiān)測運行參數(shù)，就可以使管道失效的概率大大降低。4 天然氣管道風險評價的定量分析4.1蒸氣云爆炸定量模擬計算當天然氣管線發(fā)生爆裂時，天然氣會大量泄漏，若在地面形成一個蒸氣云團，遇著火源可能發(fā)生爆炸事故，后果會十分嚴重，因此對其進行定量分析評價。由于管道所經(jīng)區(qū)域為高低起伏的類地區(qū)，全年靜小頻率風較高，若發(fā)生事故時發(fā)現(xiàn)或處理不及時，易形成蒸氣云產生較大危害。建議安裝防爆排風設備,一旦發(fā)生天然氣泄漏,強制擴散,

42、使其達不到爆炸濃度。4.2 最大泄漏量的計算根據(jù)初設提供數(shù)據(jù)：管道設計壓力.MPa，管徑為426mm，日輸氣量為155×104m3/d。氣體泄漏時，按照5分鐘內能夠有效截斷進行后果模擬計算，由初始條件可計算出最大泄漏量:V15×104/（24×60）×5=3472m3 (4.1)4.3 蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑計算公式R=C5(N×E)1/3 (4.2)式中：損害半徑，m；經(jīng)驗常數(shù)，取決于損害等級，其取值情況見表4.1；效率因子，此處取100%；爆炸能量，kJ，E=V·HC；其中V為參與反應的可燃氣體的體積（m3）, HC為可燃氣

43、體的高燃燒值（天然氣取為39860kJ/m3）。計算結果參見下表4.1。表 4.1 蒸氣云爆炸損害半徑及其結果對照表損害等級設備損壞人員傷害損害半徑/m1重創(chuàng)1%死亡于肺部傷害；大部分人耳膜破裂，被碎片擊傷74000.032損壞建筑外表，可修復1%耳膜損壞，1%被碎片擊傷148.000.063玻璃破碎被碎玻璃擊傷370.000.15410%玻璃破碎985.000.44.4 蒸氣云爆炸定量模擬計算結果分析以泄漏5分鐘為例，分析計算結果：當天然氣非正常泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸事故時，距離泄漏點中心位置1000m內的人員、設備將受到不同程度的損害，75m內半徑的人和物將受到重創(chuàng)。管線經(jīng)過的地區(qū)，屬天然氣工

44、程四類地區(qū)，當天然氣非正常泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸事故時，有可能造成比計算值更為嚴重的人員傷亡和財產損失，后果十分嚴重，泄漏時間越長，危害越大。5 減少天然氣管道安全危害因素的建議及對策5.1 建議5.1.1 嚴把設計關，確保設計質量設計工作是保障管道安全的第一個重要環(huán)節(jié)，站場的設計在符合規(guī)范和標準的情況下，要盡可能方便運行和維修。輸氣站場的位置選擇必須嚴格按設計規(guī)范的要求，考慮與周圍建筑、城市、村莊、公路的安全防火距離，應避免在低洼處進行選址。站場設備、設施的選擇要可靠并考慮合理的備用。要按有關規(guī)范設計必要的安全火防爆設施。通信、自動化系統(tǒng)的設計要可靠。管道干線設計要合理選擇路由、工作壓力、管材的

45、防腐形式，特別是在人口稠密區(qū)及滑坡、地面沉降、泥石流等地質災害多發(fā)區(qū)等特殊地段，必須充分考慮相關因素并采取針對性的保護措施。線路截斷閥選擇要可靠，確保需要時及時關閉。另外，建議要給予設計工作充分的時間保證，設計方案要反復論證取其最優(yōu)，特別是涉及到定向鉆、頂管穿越高速公路、鐵路、特大型河流時，一定要充分論證，避免由于比選倉促而造成的設計缺陷。5.1.2 嚴格施工管理，確保施工質量施工質量是關系到管道能否安全、平穩(wěn)投產和運行以及減少事故發(fā)生的關鍵。施工過程中除了要遵守國家、行業(yè)有關施工規(guī)范和符合設計要求外，還應注意以下幾個方面的問題：根據(jù)管材情況，在經(jīng)過嚴格的焊接工藝評定的基礎上，優(yōu)先出適用的焊接

46、材料并制定出嚴格的焊接工藝規(guī)程，物質采辦、工程施工、監(jiān)理等各方面要嚴格執(zhí)行以確保焊接質量。對地質災害多發(fā)地段的護坡、水工保護等工程的施工，應該嚴格管理，按照設計要求施工并確保施工質量。管道焊縫處的防腐補口問題需要引起高度重視，應該選用合格的高質量的補口材料，在補口作業(yè)時要嚴格按照工藝要求操作，保證補口質量，防止留下隱患。管道施工過程中，應該科學組織、文明施工，盡量避免管道防腐層的損壞和管體的損傷等，一旦發(fā)生損傷必須采取內部的清理，防止泥土、手套、焊條、焊接工具等雜物遺留在管道內。5.1.3 強化運行管理，杜絕操作失誤一條輸氣管道建成投產后，管理跟不上或操作失誤直接導致事故的發(fā)生或造成事故的擴大

47、和損失的增加。因此必須采取有限措施，根據(jù)輸氣管道的特點，建議重點在以下幾方面加強管理：應根據(jù)管道運行狀況，合理制定清管周期并及時組織管道的清管工作。特別是投產初期更應引起注意。加強運行管理。要有完善的安全管理規(guī)章制度、操作規(guī)程和事故預案。 要確保陰極保護系統(tǒng)的正常運行，對管道腐蝕狀況要進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施。 要有一支精干、高效的維搶修隊伍。配備完善的維搶修機具，確保事故狀態(tài)下及時到位，并在最短時間內完成搶修作業(yè)。5.1.4 加強沿線的巡查制定完善的管道巡線制度，要利用GPS定位儀等先進的設備進行沿線的巡查， 定期監(jiān)測管道埋深，特殊管段重點巡查，防止違章建筑占壓管道，最大限度地減少自然

48、災害和人為因素的破壞。5.1.5 加大天然氣管道安全保護工作的宣傳力度管道沿線各地、各有關部門要加強對沿線群眾的管道設施安全保護的宣傳教育，增強廣大人民群眾對天然氣管道安全重要性和違規(guī)行為危險性知識的認識和了解，強化天然氣管道安全保護意識，努力營造群眾參與監(jiān)督、全社會廣泛支持的保護天然氣管道安全的濃厚氛圍。5.2 對策措施5.2.1 防用電事故對策措施編制臨時用電方案，確定變壓器容量、導線截面和電器開關類型等;變壓器設在施工現(xiàn)場邊角處，并設圍欄；根據(jù)用電位置，在主干線電桿上裝設分線箱;在施工現(xiàn)場專用中性點直接接地的電力系統(tǒng)中，必須采用TN-S接零保護系統(tǒng)，電氣設備的外殼必須與專用保護零錢連接。

49、不得在同一供電系統(tǒng)中有的接地，有的接零;工地內架設的電力及照明線路，其懸吊高度及距工作地點的水平距離按當?shù)仉娏Σ块T的規(guī)定執(zhí)行;工地內的電線按標準架設。不得將電線捆在無瓷瓶的鋼筋、樹木、腳手架上；露天設置的閘刀開關裝在專用配電箱里，不得用鐵絲或其它金屬絲替代保險絲;生活區(qū)室內照明線路用瓷座固定，電線接頭牢固，并用絕緣膠布包扎；保險絲按實際用電負荷量裝設;使用高溫燈具，與易燃物的距離不得小于1m，一般電燈泡距易燃物品的距離不得小于0.5m。電工操作接近高壓線時，必須符合安全距離;移動式電動機具設備用橡膠電纜供電，經(jīng)常注意理順；跨越道路時，埋入地下或穿管保護；電器設備的傳動輪、轉輪、飛輪等外露部位必

50、須安設防護罩;在施工作業(yè)區(qū)、施工道路、臨時設施、辦公區(qū)和生活區(qū)設置足夠的照明。5.2.2 管道試壓過程的安全對策措施天然氣管道在安裝前，應嚴格質檢：試壓時的升壓速度不宜過快，壓力應緩慢上升，每小時升壓不超過1Upa。試壓合格后用空氣進行嚴密性試壓，其壓力等于設計壓力，24小時壓力降不大于1試驗壓力值。在天然氣管道投產前，充分消除管道內可能局部存在的積水。全線投入運行后，應認真檢查各種設備、儀器儀表工作是否正常，各運行參數(shù)是否符合要求，工藝流程、閥門開關是否正常，發(fā)現(xiàn)異常情況應及時分析處理。5.2.3 試運行期管理安全對策措施 嚴格執(zhí)行安全生產制度及操作規(guī)程，項目設備安裝后必須整體試壓，合格后才

51、能投使用。管道和儀表嚴禁超壓工作，若因生產需要提高壓力時，應經(jīng)鑒定，試驗合格后方能進行。定期檢查防雷、防靜電及保護接地電阻。對重大突發(fā)性事故，如地震、洪災、泄漏、爆管及用戶停產等緊急情況，必須及時采取應急措施，防止事態(tài)擴大，必須及時向領導、上級調度匯報，并經(jīng)批準，下臨時輸供氣計劃和輸供氣流向調整的調度指令，并組織有關部門（或單位）進行事故處理。制定特殊危險事件及突發(fā)事件的應急預案，并進行必要的實戰(zhàn)演練，保證突發(fā)情況下的應急處理能力。 5.2.4 檢修的安全對策措施一旦發(fā)現(xiàn)管道或閥門有漏器氣現(xiàn)象，立即向安全主管部門和生產調度部門匯報，現(xiàn)場人員用最快的方法立即關閉閥門，切斷氣源。用鼓風機或等一段時

52、間待漏出的氣體擴散開后，才允許工作人員進入現(xiàn)場進行搶險作業(yè)。在進行氣割與電焊時，要有確認后的安全措施才能動工，并嚴格執(zhí)行動火三級審批制度。在管線、設備置換空氣過程中，要嚴格控制氣體流速（不超過5m/s），并加隔離球，以防天然氣與空氣混合后達到爆炸極限，待確認末端取樣分析含氧量小于2時，才算置換合格。不合格不能進入下一道作業(yè)工序。5.2.5 職業(yè)健康保護防窒息措施：天然氣主要成分是甲烷，它是一種窒息性氣體，因此，在設備檢修中應特別注意甲烷窒息事故的發(fā)生。為了防止在部分裝置停產檢修或緊急搶修發(fā)生甲烷窒息事故，檢修前應充分做好防窒息準備工作，如：有害氣體的隔離、裝置清洗、惰性氣體（N2）置換、空氣吹

53、掃置換、有害氣體監(jiān)測、O2含量分析等。在完全確認安全后才能拆開設備和入內進行檢修。同時，在檢修中必須認真作好檢測和監(jiān)護，并采取有效防范措施。在有限空間內作業(yè)時應有兩人，其中一人在外監(jiān)護，并具備必要的現(xiàn)場應急救援工具（手段）。防爆措施：1)集氣站場防爆措施：a.集氣站場的設備、管道設計壓力均按規(guī)范規(guī)定確定，集氣站設計系數(shù)為0.5（相當于2.0安全系數(shù)）。b.為了防止泄漏引起爆炸、燃燒，對站場配備便攜式可燃氣體檢測儀，供操作工定時巡回檢查時使用，一旦天然氣泄漏會發(fā)出警報，以便防患于未然。c.集氣站場的總體布置按設計規(guī)范進行，保持各區(qū)的安全距離，設有萬一發(fā)生事故情況下的緊急逃生通道和疏散口。d.集氣

54、站內的電氣設計按防爆范圍等級采用防爆電器，發(fā)避免可能泄漏的天然氣遇電火花而產生爆炸。e.集氣站場設計上采用了防雷和防靜電火花與天然氣接觸發(fā)生爆炸危害的措施。f.在站場生產區(qū)內設置安全警示語等標志牌，嚴禁攜帶火種、吸煙和敲擊發(fā)生火花2）管道防爆措施：a.管道強度結構設計按設計規(guī)范執(zhí)行，根據(jù)管道所經(jīng)的不同地區(qū)分別采用不同的強度設計系數(shù)，提供不同的強度儲備來保證管道不發(fā)生強度爆炸和減小爆炸的危害性。b.按施工驗收規(guī)范對管道焊縫進行無損檢驗，保證焊接質量。天然氣管線的其他防護措施：1）防噪聲保護a.選用低噪聲的設備，控制分離器進出口氣體流速。b.減少或限制在噪聲區(qū)工作人員的數(shù)量，按要求配備人員防護設備，減輕噪聲危害。c.對經(jīng)常在噪聲區(qū)工作人員進行聽力檢查，進行醫(yī)療保護，當噪聲超過國家標準，員工應佩