燃气管道热收缩带补口失效的故障树分析

宋祎昕，赵廷荣，姚安林

（1.西南石油大学，四川成都610500；2.中国航空油料有限责任公司云南分公司，云南昆明650200）

燃气管道热收缩带补口失效的故障树分析

宋祎昕1，赵廷荣2，姚安林1

（1.西南石油大学，四川成都610500；2.中国航空油料有限责任公司云南分公司，云南昆明650200）

热收缩带广泛应用于燃气管道3PE防腐层补口，良好的补口是燃气管道防腐层质量的保障。通过建立燃气管道热收缩带补口失效的故障树，运用布尔代数求出补口失效故障树的最小割集，计算出各个基本事件的结构重要度系数，并按照结构重要度系数的大小对各个基本事件进行了排序。文章通过故障树分析，得出了热收缩带补口失效的原因，得到了热收缩带补口失效的主要危险源，并从三个方面提出预防和控制热收缩带补口失效的建议。

埋地钢质管道；燃气管道；防腐补口；热收缩带；失效；故障树；分析

0 引言

目前，对燃气埋地钢质管道的外防腐大多采用3PE防腐层，辐射交联聚乙烯热收缩带广泛应用于3PE防腐层补口，热收缩带补口对于整条燃气管道的防腐效果起着至关重要的作用。良好的防腐效果要求热收缩带与管道本体防腐涂层结构具有良好的相融性和连续性，补口涂层结构与管道本体涂层结构之间不应该出现明显的分离现象，两涂层间应形成结合紧密、平滑过渡、均匀连续的防护结构。但事实上，目前在现场补口施工过程中，由于受环境条件、施工设备、施工人员技术水平等各种因素的影响，补口工艺质量控制的难度很大，现场施工的涂层与管道本体3PE防腐涂层间的结合不能完全达到理想状态[1]。本文运用故障树分析技术分析、辨识燃气管道热收缩带补口失效的原因和主要危险源，并提出相应的建议。

1 故障树分析技术的原理

故障树分析（FaultTreeAnalysis，FTA）方法[2-6]又称事故树分析或者失效树分析，它是一种图形演绎分析方法。确切地说，故障树是演绎地表示故障事件发生原因及其逻辑关系的逻辑树图，用于分析引发事故的原因并评价其风险。故障树分析把系统的失效事件作为顶事件，把引起失效事件的各种直接因素作为基本事件，按照逻辑关系用逻辑门将它们联系起来，依次逐级找出所有直接原因，直到不能再分解的基本事件为止。这种图就像一棵树根在上的倒置的树，最上面的树根称为顶事件，最下层的树叶称为基本事件，处于顶事件与基本事件之间的事件，称为中间事件，中间事件既是造成顶事件的原因，又是基本事件产生的结果。故障树不仅能分析出事故的直接原因，还能深入揭示事故的潜在原因；更能简明、形象地表示出各种因素之间的相互关系。

故障树定性分析不考虑故障树中各事件发生概率为多少，只考虑发生和不发生两种情况，通过计算、比较基本事件的结构重要系数，可以知道哪一个或哪几个基本事件发生时顶事件就一定发生，哪一个事件发生对顶事件影响大，哪一个影响小，从而可以采取经济有效的措施，防止事故的发生。

2 热收缩带补口失效故障树的建立

通过总结多年现场3PE防腐层补口的施工经验，发现目前燃气钢质埋地管道热收缩带补口失效主要表现为：热收缩带密封失效、热收缩带与管道本体粘结不牢、热收缩带遭到第三方破坏三种形式。

根据系统分析理论，用安全系统分析中的故障树分析法，将热收缩带补口失效事件作为顶事件，按照演绎法，从顶事件开始，运用逻辑推理，分析造成起因的中间事件与基本事件的关系，进而判断热收缩带补口失效的各种影响因素。

根据热收缩带补口失效的特点，建立热收缩带补口失效故障树，见图1。图中“+”表示逻辑或门，“·”表示逻辑与门。不同符号代表的事件见表1。

表1 热收缩带补口失效故障树各符号代表的事件

3 热收缩带补口失效的故障树分析

3.1 热收缩带补口失效的故障树最小割集

在故障树中，能导致顶事件发生的基本事件的集合叫割集。引起顶事件发生的最起码的基本事件的组合叫最小割集。它能指出发生何种基本事件及组合就会发生事故，从而发现系统最薄弱的环节。最小割集的求法[2-6]很多，有行列法、结构法、布尔代数化简法、质数代入法和矩阵法。其中以布尔代数化简法把顶事件用布尔代数表现，并自上而下展开，就可得布尔表达式，再用布尔代数化简法对表达式归并化简，就可得到最小割集。最小割集表示了系统的危险性，求出最小割集可以掌握事故发生的各种可能。每个最小割集都是顶事件发生的一种可能，有几个最小割集，顶事件的发生就有几种可能，最小割集越多，系统越危险。

本文采用布尔代数求解：

该故障树的最小割集为：

3.2 热收缩带补口失效的故障树结构重要度分析

基于故障树分析各基本事件的重要度，即分析各基本事件的发生对顶事件发生的影响程度，这种分析方法叫结构重要度分析。通常使用最小割集分析判断故障树底事件的结构重要度系数。

（1） 因为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27、X28、X29、X30、X31是一阶最小割集中的事件，所以根据文献[7]可知，这些基本事件的结构重要度系数IΦ（1）、IΦ（2）、IΦ（3）、IΦ（4）、IΦ（5）、IΦ（6）、IΦ（7）、IΦ（8）、IΦ（9）、IΦ（10）、IΦ（21）、IΦ（22）、IΦ（23）、IΦ（24）、IΦ（25）、IΦ（26）、IΦ（27）、IΦ（28）、IΦ（29）、IΦ（30）、IΦ（31）具有最大值。

（2） 其他基本事件的结构重要度系数可按下式计算：

式中I（i）——基本事件Xi的重要度系数近似判别值；

Ki——包含Xi的所有最小割集；

n——基本事件Xi所在最小割集中的个数。

经过计算，得I（11）=I（12）=I（13）=I（14）

于是可知各基本事件结构重要度顺序为：=IΦ（17）=IΦ（18）=IΦ（19）=IΦ（20）

由上述分析可以得知，热收缩带补口失效故障树由26个最小割集组成，含有21个一阶最小割集，占总数的80.8%；5个二阶最小割集，占总数的19.2%。其中21个一阶最小割集X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X21、X22、X23、X24、X25、X26、X27、X28、X29、X30、X31是系统的最薄弱环节，是引起热收缩带补口失效的主要危险源。预防和控制热收缩带补口失效应该控制好上述21个基本事件，也就是要解决好管材、施工和预防第三方破坏三个方面的问题。

4 建议

针对国内燃气管道热收缩带补口的现状，提出合理确定热收缩带母材的应力指标、推广应用管道补口专用加热烘烤机具、加强燃气管道运行监督管理三项建议：

（1） 合理确定热收缩带母材的应力指标。抗剪切强度和抗剥离强度是衡量热收缩带安装系统整体质量较为重要的两项性能指标，建议国内相关部门就管道热收缩带补口在土壤中受力状况进行深入研究，合理确定热收缩带相关性能指标的数值。同时也建议热收缩带生产厂家加强对产品深层次的研发，注重产品性能的提高和结构的完善，尽快提高国内热收缩带产品的质量。

（2） 推广应用管道补口专用加热烘烤机具。采用专用加热烘烤机具进行补口加热，不仅受人为因素的影响小，管体受热均匀，施工质量可得以大幅度提高；而且加热时间较短，受天气影响小，对降低补口作业成本、提高作业进度都比较有利。建议在条件允许时，燃气管道补口烘烤尽可能采取专用加热烘烤机具。若难以实施机具烘烤时，应采取多人同时烘烤、规定最少烘烤时间的方式，尽量使热熔胶完全熔融，以保证良好的粘接质量。

（3） 加强燃气管道运行监督管理。建议政府有关机构出台相关的管理制度，以避免占压管道、机械施工、管道上方进行其他作业等所造成的第三方破坏；燃气运营企业要实行严格的管道检测、监测和安全隐患处理制度，及早发现安全隐患并及时处理，对于个别遗留的安全隐患，应加大协调、执法力度，确保燃气管道安全运行。

[1] 陈守平，莫荣.开发喷涂补口新技术提高整体防腐新水平[J].石油科技论坛，2006，（6）:41-44.

[2] 何淑静，周伟国，严铭卿，等.燃气输配管网可靠性的故障树分析[J].煤气与热力，2003，23（8）:459-461.

[3] 尤秋菊，朱伟，白永强，等.北京市燃气管网危险因素的事故树分析[J].油气储运，2009，28（9）:27-30.

[4] 孙永庆，李又绿，张铮，等.城市埋地燃气管网失效树的研究[J].天然气工业，2004，24（11）:124-126.

[5] 廖柯熹，姚安林，张淮鑫.天然气管线失效树故障分析[J].天然气工业，2001，21（2）:94-96.

[6] 霍春勇，董玉华，高惠临，等.管道故障树基本事件分析的德尔斐法[J].油气储运，2005，24（1）:8-10.

[7] 刘铁民，张兴凯，刘功智.安全评价方法应用指南[M].北京：化学工业出版社，2005.

Abstract:Heat shrinkable tapes are widely used in the joints of 3PE anticorrosion fuel gas pipeline,and good joint quality ensures anticorrosion quality of pipeline.This paper constructs a fault tree model of joint failure with heat shrinkable tapes,finds the fault tree minimal cut sets using Boolean algebra,calculates the structural importance coefficients of all basic events,then sequences the basic events according to the importance coefficients.Through the fault tree analysis,the causes and the main hazardous sources of the joint failure are found.Finally，suggestions for preventing and controlling the joint failure with heat shrinkable tapes are given in three aspects.

Key words:buried steel pipeline;fuel gas pipeline;anticorrosion joint;heat shrinkable tape;failure;fault tree;analysis

（10）Fault Tree Analysis of Joint Failure with Heat Shrinkable Tapes for Fuel Gas Pipeline

SONG Yi-xin（South-west Petroleum University,Chengdu 610500,China）,ZHAO Ting-rong,YAO An-lin

TE988.2

A

1001－2206（2010）05－0010－04

国家科技支撑计划项目（2006BAK02B01）

宋祎昕（1978-），男，河南上蔡人，工程师，曾从事城市燃气输配工作8年，现为西南石油大学在读硕士研究生，主要从事油气管道风险评价与完整性管理研究。

2010-05-24；

2010-06-28