常 攀，张 毅

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

天然气是一种清洁、高效、环保、方便的能源，现已经被广泛应用在工业、农业、民用等多个领域，对于提升经济发展和提高环境质量具有日趋重要的作用。液化天然气长输管道目前多用于城市调峰装置和油轮装卸设施上[1]，采用低温管线长距离输送LNG的实例较少。液化天然气管道在运行过程中易受LNG气化、腐蚀、材料缺陷等因素影响导致失效，直接影响管道的使用寿命。因此通过对液化天然气管道进行分析，查找失效的主要形式和机理，可以采取针对性的措施提高管道的可靠性。

1 故障树分析方法介绍

故障树分析(Failure Tree Analysis简称FTA)是一种推理演绎方法[2]，采用专门的逻辑关系符号来表示事件之间的逻辑和因果关系，根据基本事件来显示系统的整体状态。该方法首先要求把可能发生的故障事件设置为故障树顶事件，然后通过对导致故障可能发生的各因素(包括周边环境、条件、人为因素等)进行调查研究；采用规定的逻辑符号，依据树状结构自上而下逐层划分，分析造成顶事件发生的所有原因和逻辑关系。从而确定故障原因和发生概率，提出对应的改进措施，确保系统的可靠性。

图1 故障树示意图

故障树分析法一般按以下步骤进行：

1.1 分析系统的确定

采用安全分析的方法，处理该系统的外界环境和边界条件，明确系统分析的范围及影响其安全的主要因素。

1.2 系统分析

深入调查将要分析的系统并搜集有关内容，包括性能参数、结构形式、流程、运行条件、故障类别、环境及周边因素等。

1.3 查阅已发生的故障类型

调查并分析该系统、国内外同类型之前发生过的所有故障和以后可能会发生的所有故障。

1.4 确定故障树顶事件

根据系统调查情况确定顶事件，即分析由该故障造成的损失情况、故障发生的概率，把发生频率高且后果较严重的故障类型设定为顶事件。

1.5 分析与顶事件关联的所有原因事件

从人、机、料、法、环境等方面深入调查导致顶事件发生的所有原因，确定造成故障发生的主要原因并对损失情况进行分析。

1.6 编制故障树

根据事件之间的逻辑关系，采用规定逻辑符号，把故障树顶事件与导致故障发生的基本原因事件，层层分解，绘制树状结构图。

1.7 定性分析

对已绘制完成的故障树，求取最小割集或最小径集、及基本事件结构重要度。通过对最小割集、最小径集和基本事件结构重要度的分析，确定预防故障发生的控制措施。

1.8 定量分析

依据计算出的基本事件概率，计算顶事件发生概率、基本事件关联重要度和概率重要度。根据计算和分析结果，确定故障可能造成的危害程度，提出控制措施，为安全措施的投入提供依据。

1.9 分析结果的应用

对故障树定性分析和定量分析的结果进行总结评估，提出具体的改进和预防措施，整理分析的全部过程资料，对分析结果进行综合利用，为安全设施设计和安全评价工作提供系统性的参考依据[2]。

2 输气管道故障树的建立

表1 导致液化天然气管道失效的基本事件

图2 管道失效故障树示意图

依据选取的故障树顶事件确定原则，选取“长距离输气管道失效”作为故障树顶事件[3]，造成该顶事件发生的直接原因是管道破坏和泄漏，因此选择这两个事件作为次顶事件。以此类推继续分析至基本事件为止。图2为液化天然气管道失效故障树示意图，该故障树由经过简化的系统最小割集构成，共考虑54个基本事件，其中X1，X2…..Xn为基本事件符号。

3 输气管道失效故障树分析

3.1 故障树定性分析

为了确定故障树的最小割集，要将故障树转化为等效的布尔方程，利用该方法求得管道失效故障树的最小割集如表2所示。

由表2可得，该故障树的最小割集数量为55个，其中一阶割集28个，三阶割集4个，四阶割集22个，一阶割集数量占最小割集总数的52.7%；故障树或门有20个，与门有5个，或门占逻辑门总数的80%，可以看出该管道失效的路径较多，危险性较大。其中一阶最小割集的主要危险有第三方破坏、材料缺陷和管线温度升高。

表2 管道失效故障树的最小割集

表2(续)

3.2 定量分析

故障树定量分析包括顶事件发生概率和基本事件结构重要度的计算。

3.2.1 计算顶事件发生概率

选择最小割集的方法计算顶事件发生概率，采用最小割集等效故障树来表示。本文分析的故障树含55个最小割集，分别用E1、E2、E3……、E55来表示，则顶事件 可用公式(1)表示:

(1)

顶事件发生概率表示为：

(2)

由容斥定理得顶事件概率计算公式：

(3)

设基本事件X1、X2、X3、……X55的发生概率分别为：χ1、χ2、χ3……χ55，则有：

(4)

(5)

(6)

式中r、s、m为最小割集序数，r

Xi⊆ErUEs表示第r个或第s个最小割集的第i个基本事件。

将基本事件发生概率带入上式，可计算管道失效故障率，根据发生故障的管线实际情况与规范上允许的失效概率进行比较，对于失效概率大于允许值的管道，应采取必要的安全措施将失效概率低于允许值[4]。

3.2.2 结构重要度分析

采用基本事件最小割集或最小径集结构重要度系数大小顺序的方法，来判断确定基本事件的结构重要度。

假设最小割集有k个，每个最小割集记为Er(r=1、2、3、……k)，则1/k表示单个最小割集的重要度系数；则第r个最小割集Er中含有mr(Xi⊆Er)个基本事件，1/mr代表基本事件Xi的单位割集重要度系数，该事件Xi的割集重要度系数设定为Ik(i)，则：

(7)

应采用式(8)近似计算后进行比较。

(8)

式中I(i)-表示基本事件Xi的结构重要系数近似判断值；

ni-表示基本事件Xi所属最小割集所含的基本事件数量。

通过式(8)计算可得到管道失效故障树的各基本事件结构重要系数的近似判断值，见表3。

表3 基本事件结构重要系数近似判断值

表3(续)

由表3可知，造成液化天然气管道故障的各基本事件结构重要度关系为：I44=I39>I30>I32=I31>I1～I13=I18～I29>I14～I17，由此可知基本事件X39和X44的发生对该管道失效影响最大，然后是事件X31，故以在进行管道失效预防时，应着重考虑三个基本事件[5]。

4 结论

通过故障树分析法对液化天然气管道失效进行分析，得出导致液化天然气输送管道失效的主要因素有：

(1)温度升高，LNG气化。在设计时尽量减少阀门，操作时避免产生封闭管道，致使液体积聚后随温度升高而膨胀造成压力升高；同时选择好直接与LNG接触不发生脆裂的低温管道材料，在管道安装过程中做好焊缝处理和保冷措施。

(2)第三方破坏。应在LNG输送管道的沿线设立“危险”“禁止靠近”等明显的标志，说明管线被破坏后的危险性；在新建输气管线选址时，尽可能的避开自然灾害较为严重的地段。

(3)腐蚀，包括内腐蚀、外腐蚀和应力腐蚀。内腐蚀原因包括气体管道内水份含量高、介质内含腐蚀性介质、缓蚀剂失效等；外腐蚀主要包括管线阴极保护失效、绝缘层老化、土质腐蚀性强；应力腐蚀主要考虑管线施工、安装不当导致产生的拉应力腐蚀。抗腐蚀上，要尽量减少输气管线内水分含量，强化管线阴极防护，保证涂层质量符合规范要求，在施工过程中采取相应措施尽可能避免产生拉向应力。

(4)设计和操作缺陷。管线材料设计时的选择、参数设计、施工质量的管控、运行维护等环节的管理上，要按照标准规范、操作规程等严格执行。

(5)材料缺陷，主要指管材的初始缺陷。一旦选用不符合设计要求的耐低温管材，会导致管道整体强度降低，直接影响运行的可靠性。所以在材料的选择、质量检验上要严格管理。

根据输送LNG管道故障树的分析结果，可以得出以下结论：

(1)采用故障树法对LNG输送管线失效进行分析，简洁、直观，行之有效。

(2)LNG管道失效故障树设置的基本事件有54个，计算出了55个最小割集，指出了在管线设计、施工及维护等方面的薄弱环节。

(3)通过对最小割集的计算，得出了液化天然气输送管道故障发生的概率，计算出了该管线失效的基本事件重要度。

(4)通过故障树分析，确定了造成LNG输气管线失效的主要因素为：温度升高导致大部分LNG气化、腐蚀因素引起泄漏、设计和施工缺陷、误操作、第三方破坏等，并对上述因素提出了控制措施。

[1]梁光川，郑云萍，李又绿，等.液化天然气(LNG)长距离管道输送技术[J].天然气与石油，2003,21(2):8-10.

[2]谢振华.安全系统工程[M].北京：冶金工业出版社，2010.

[3]张景林，崔国章.安全系统工程[M].北京：煤炭工业出版社，2002.

[4]潘家华.油气管道的风险分析(续一)[J].油气储运，1995,14(5):3-10.

[5]董玉华，高惠临，周敬恩，等.长输管线失效状况模糊故障树分析方法[J].石油学报，2002，23(7)：85-89.

(本文文献格式：常攀，张毅.液化天然气(LNG)输送管道故障树分析[J].山东化工,2018,47(7):116-119.)