基于屏障模型和故障树我国油气管道风险体系构建

王 霞,段庆全

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

2015年底，我国油气主干管道里程总计达11.2万km，预计2025年将达到24万km。随着油气管道事业的迅猛发展，管道运营安全问题日益突出，而油气管道风险分析是实现油气管道安全、高效输送的关键。挪威船级社作为安全管理的专业化公司，基于多年的经验总结建立了损失因果模型，开发了系统原因分析技术，但是其建立的事件原因分析清单并非依据石油石化行业制定。英国石油公司按照企业生产特点和HSE管理要素，建立了原因根源分析清单，但是该分析清单仅是建立了间接原因与HSE管理体系一级要素之间的对应关系，在问题定位方面不够细化[1-3]。针对上述问题，本文拟根据我国油气管道的特点，在国内外油气管道风险研究的基础上，基于屏障模型和故障树分析，建立了一套适合我国的油气管道风险体系，以为我国石油石化企业进行油气管道风险评价提供决策支持。

1 国内外油气管道事故原因分类

从引起油气管道失效原因的角度来看，各国或组织在油气管道事故原因的分类存在差别，具体详见表1[4-7]。

表1 油气管道失效原因分类对比

目前，我国油气管道事故原因分类中具有代表性的是《输气管道系统完整性管理》标准中将输气管道的风险因素划分为9类：外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀开裂、与制管有关的缺陷、与施工有关的缺陷、设备因素、第三方损伤、误操作和环境因素[8]。最新油气管道事故原因研究中，狄彦等[9]提出了将管道事故原因划分为外部干扰、腐蚀、材料/建造、自然及地质灾害、操作不当和未知原因;梁永宽等[10]指出外部干扰是引起油气管道事故的主要原因，主要包括第三方施工破坏、蓄意破坏和自然灾害；黄萍等[11]运用改进的人因分析与分类系统模型分析了油气管道泄漏爆炸事故的人因影响因素，认为主要有不良的组织管理、不安全的监督、不安全行为的前提条件、不安全行为和应急救援不当五个方面的风险因素。

综合上述国内外油气管道事故原因的分类，本文将从腐蚀、外部干扰、材料/建造、自然灾害和运行与操作五个方面建立油气管道屏障模型，并采用故障树分析了屏障中存在的漏洞，从而构建了我国油气管道风险体系。

2 基于屏障失效的事故致因机理分析

2. 1 屏障模型的原理

1990年曼彻斯特大学教授James Reason在心理学专著HumanError中提出了Reason事故致因模型，该模型对事故发生的解释是：事故发生不仅是一个事件本身的反应链，同时还存在一个被穿透的组织缺陷集[12]。事故诱发因素及组织各层次的缺陷是长期存在于系统中的，但这些事故诱因和组织缺陷并不一定会导致事故的发生，事故发生是由于多个层次的组织缺陷在一个事故的诱发因子链上同时或次第出现时，系统就会因为失去多层次屏障的保护而最终发生事故，因而也被称为屏障模型，见图1。

图1 屏障模型Fig.1 Barrier model

目前屏障模型已广泛应用于航空、煤矿和医疗等领域[13-16]，并取得了良好的应用效果。该模型表明：为防止事故的发生需要设置合理、有效的屏障，并要不断地为这些屏障提供合适、恰当的维护和检验。

2. 2 屏障模型的分析流程

本文通过对传统的屏障模型进行改进，使该模型不仅仅局限在对人为因素的分析，并将环境因素、技术因素等也纳入到油气管道事故的致因分析中，同时将屏障模型和故障树相结合，分析由于屏障失效导致油气管道事故发生的致因机理。屏障模型的分析流程分为三个阶段：第一阶段是从引起油气管道失效原因分类的角度构建油气管道作业过程的屏障集，有效的屏障是减少风险、预防事故的基本因素；第二阶段是根据油气管道屏障模型确定顶事件和中间事件，逐层分析建立油气管道事故故障树，并运用故障树分析屏障中存在的漏洞及风险因素；第三阶段是针对屏障模型和故障树分析结果，构建一套适合我国的油气管道风险体系。

3 基于屏障模型和故障树相结合建立我国油气管道风险体系

3. 1 基于屏障的油气管道失效模型建立

依据各国或组织对油气管道失效原因的分类以及我国最新油气管道事故原因分析的现状，针对我国油气管道事故的多样性、复杂性和不确定性等特点，将油气管道风险因素分为腐蚀、外部干扰、材料/建造、自然灾害和运行与操作五大类，并依据屏障理论构建了基于屏障的油气管道失效模型，见图2。

图2 基于屏障的油气管道失效模型Fig.2 Barrier-based failure model of oil and gas pipelines

通过分析图2可知，导致油气管道事故发生的诱发因素主要包括腐蚀、外部干扰、材料/建造、自然灾害和运行与操作五个方面的风险因素，并且长期存在于油气管道系统中。但是这些油气管道风险因素并不一定会导致油气管道事故的发生，管道事故的发生是由于多个层次的组织缺陷在一个事故的诱发因子链上同时或次第出现时而引发的。因此，有必要采用一种有效方法分析屏障中存在的漏洞及风险因素，从而识别油气管道事故是否发生。

3. 2 油气管道事故故障树分析

鉴于本研究的需要，在对油气管道事故进行故障树分析时以油气管线作为研究对象，根据油气管道屏障模型确定顶事件和中间事件，逐层分析建立油气管道事故故障树，并运用故障树分析屏障中存在的漏洞及风险因素。本文通过对油气管道事故进行广泛的调查和研究[17-21]，编制了油气管道事故的故障树，其基本事件见表2，故障树图见图3。

表2 油气管道事故故障树的基本事件

图3 油气管道事故的故障树Fig.3 Fault tree of oil and gas pipeline accidents

本文运用下行法求解油气管道事故故障树的最小割集，得到的最小割集见表3。通过对油气管道事故故障树及最小割集的分析，计算各基本事件的结构重要度，然后对各风险因素进行排序，从而可得到油气管道屏障中存在的主要漏洞及风险因素。

表3 油气管道事故故障树的最小割集

3. 3 我国油气管道风险体系的建立

系统梳理油气管道生产安全事件致因的逻辑关系和管理特点，对保障我国油气管道的安全运行至关重要。基于此，本文在屏障模型和故障树分析结果的基础上，建立了适合我国的油气管道风险体系，详见图4。

图4 我国油气管道风险体系Fig.4 Risk system of oil and gas pipelines in China

4 结 论

本文采用屏障模型和故障树相结合的方法对油气管道系统中存在的风险因素进行了分析，并根据我国油气管道的特点，提出了一套适合我国油气管道风险体系，主要得到如下结论：

(1) 依据各国或组织对油气管道失效原因的分类以及我国最新油气管道事故原因分析的现状，对油气管道失效进行了系统性分析，并针对我国油气管道事故的特点，确定了油气管道的主要风险因素，构建了基于屏障的油气管道失效模型。

(2) 通过分析基于屏障的油气管道失效模型可知，导致油气管道事故发生的诱发因素是长期存在的，主要包括腐蚀、外部干扰、材料/建造、自然灾害和运行与操作五个方面的风险因素，但是这些风险因素并不一定会导致油气管道事故的发生，管道事故发生是由于多个层次的组织缺陷在一个事故的诱发因子链上同时或次第出现而引发的。

(3) 运用故障树分析了油气管道屏障中存在的漏洞及风险因素，并在屏障模型和故障树分析结果的基础上，构建了适合我国的油气管道风险体系。

总之，油气管道风险因素分析的准确性直接决定了管道运输的安全状况，而利用基于屏障的油气管道失效模型在分析油气管道风险因素时能确保分析的全面性，从而可在油气管道运行过程中有针对性地实施维护、维修、检验等措施。