基于屏障模型和故障樹我國油氣管道風(fēng)險體系構(gòu)建

王 霞,段慶全

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

2015年底，我國油氣主干管道里程總計(jì)達(dá)11.2萬km，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到24萬km。隨著油氣管道事業(yè)的迅猛發(fā)展，管道運(yùn)營安全問題日益突出，而油氣管道風(fēng)險分析是實(shí)現(xiàn)油氣管道安全、高效輸送的關(guān)鍵。挪威船級社作為安全管理的專業(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管理體系一級要素之間的對應(yīng)關(guān)系，在問題定位方面不夠細(xì)化[1-3]。針對上述問題，本文擬根據(jù)我國油氣管道的特點(diǎn)，在國內(nèi)外油氣管道風(fēng)險研究的基礎(chǔ)上，基于屏障模型和故障樹分析，建立了一套適合我國的油氣管道風(fēng)險體系，以為我國石油石化企業(yè)進(jìn)行油氣管道風(fēng)險評價提供決策支持。

1 國內(nèi)外油氣管道事故原因分類

從引起油氣管道失效原因的角度來看，各國或組織在油氣管道事故原因的分類存在差別，具體詳見表1[4-7]。

表1 油氣管道失效原因分類對比

目前，我國油氣管道事故原因分類中具有代表性的是《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)險因素劃分為9類：外腐蝕、內(nèi)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、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)五個方面的風(fēng)險因素。

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

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)專著HumanError中提出了Reason事故致因模型，該模型對事故發(fā)生的解釋是：事故發(fā)生不僅是一個事件本身的反應(yīng)鏈，同時還存在一個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導(dǎo)致事故的發(fā)生，事故發(fā)生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發(fā)因子鏈上同時或次第出現(xiàn)時，系統(tǒng)就會因?yàn)槭ザ鄬哟纹琳系谋Ｗo(hù)而最終發(fā)生事故，因而也被稱為屏障模型，見圖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

本文通過對傳統(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，同時將屏障模型和故障樹相結(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階段：第一階段是從引起油氣管道失效原因分類的角度構(gòu)建油氣管道作業(yè)過程的屏障集，有效的屏障是減少風(fēng)險、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，并運(yùn)用故障樹分析屏障中存在的漏洞及風(fēng)險因素；第三階段是針對屏障模型和故障樹分析結(jié)果，構(gòu)建一套適合我國的油氣管道風(fēng)險體系。

3 基于屏障模型和故障樹相結(jié)合建立我國油氣管道風(fēng)險體系

3. 1 基于屏障的油氣管道失效模型建立

依據(jù)各國或組織對油氣管道失效原因的分類以及我國最新油氣管道事故原因分析的現(xiàn)狀，針對我國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，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)行與操作五個方面的風(fēng)險因素，并且長期存在于油氣管道系統(tǒng)中。但是這些油氣管道風(fēng)險因素并不一定會導(dǎo)致油氣管道事故的發(fā)生，管道事故的發(fā)生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發(fā)因子鏈上同時或次第出現(xiàn)時而引發(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)險因素，從而識別油氣管道事故是否發(fā)生。

3. 2 油氣管道事故故障樹分析

鑒于本研究的需要，在對油氣管道事故進(jìn)行故障樹分析時以油氣管線作為研究對象，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，并運(yùn)用故障樹分析屏障中存在的漏洞及風(fēng)險因素。本文通過對油氣管道事故進(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，其基本事件見表2，故障樹圖見圖3。

表2 油氣管道事故故障樹的基本事件

圖3 油氣管道事故的故障樹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的最小割集，得到的最小割集見表3。通過對油氣管道事故故障樹及最小割集的分析，計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，然后對各風(fēng)險因素進(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)險因素。

表3 油氣管道事故故障樹的最小割集

3. 3 我國油氣管道風(fēng)險體系的建立

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)，對保障我國油氣管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要?；诖?，本文在屏障模型和故障樹分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了適合我國的油氣管道風(fēng)險體系，詳見圖4。

圖4 我國油氣管道風(fēng)險體系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相結(jié)合的方法對油氣管道系統(tǒng)中存在的風(fēng)險因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)我國油氣管道的特點(diǎn)，提出了一套適合我國油氣管道風(fēng)險體系，主要得到如下結(jié)論：

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

(2) 通過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)行與操作五個方面的風(fēng)險因素，但是這些風(fēng)險因素并不一定會導(dǎo)致油氣管道事故的發(fā)生，管道事故發(fā)生是由于多個層次的組織缺陷在一個事故的誘發(fā)因子鏈上同時或次第出現(xiàn)而引發(fā)的。

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

總之，油氣管道風(fēng)險因素分析的準(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)險因素時能確保分析的全面性，從而可在油氣管道運(yùn)行過程中有針對性地實(shí)施維護(hù)、維修、檢驗(yàn)等措施。