基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究.pdf

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1、 （申请工学硕士学位论文） 基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究 培 养 单 位 ：资源与环境工程学院培 养 单 位 ：资源与环境工程学院 学 科 专 业 ：安全技术及工程学 科 专 业 ：安全技术及工程 研研 究究 生：王楷生：王楷 指 导 教 师 ：梁开水指 导 教 师 ：梁开水 教教 授授 2009 年年 06 月月基于事故树分析的压力管道定量风险评价方法研究王楷武汉理工大学分类号 密 级 U D C 学校代码 10497 学 位 论 文 题题 目目 基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究 英文题目英文题目 Study on Risk Assessment Method Based

2、 on Fault Tree Analysis in Long Pipelines 研究生姓名研究生姓名 王楷 姓名姓名 梁开水 职称职称 教 授 单位名称单位名称资源与环境工程学院 邮编邮编 430070 申请学位级别申请学位级别 硕 士 学科专业名称学科专业名称 安全工程 论文提交日期论文提交日期 2009 年 4 月 论文答辩日期论文答辩日期 2009 年 5 月 学位授予单位学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期学位授予日期 答辩委员会主席答辩委员会主席 评阅人评阅人 2009 年 5 月 2009 年 5 月 指导教师指导教师 标准分享网 w w w .b z f x w .c o

3、 m 免费下载独 创 性 声 明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生(签名)： 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进

4、行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生(签名)： 导师(签名)： 日期 w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 I摘 要 纵观管道运输行业多年的发展，压力管道事故频发，压力管道安全形势严峻，引起了社会的强烈反响，因此，管道系统的后期管理，可靠性分析及风险评价为各方面所重视，完善和发展该方面的技术刻不容缓。 根据在役压力管道的特点，对压力管道风险管理理论进行了系统阐释，并对压力管道风险管理的系列

5、关键技术的突破和进展作了介绍。通过对国外大量管道失效事件类型和后果的分析，寻找压力管道风险事件的基本规律，从而为研究在役压力管道风险管理提供经验和规律性的依据。 事故树分析是适用于大型复杂系统的可靠性和安全性分析的一种技术，应用事故树分析的原理建立基于破裂和穿透两种失效形式的长输油气管道事故树，对事故树进行定性分析，求出最小割集，识别引起管道失效的主要影响因素。事故树分析法从本质上是一个容易计算的定性模型，因此还可以用事故树模型进行管道定量风险分析。 长输管道系统中由于缺乏足够的现场数据及实验数据，因此运用模糊事故树分析法对长输压力管道系统进行分析。以长输管道主要风险因素事故树为模型，运用三角

6、模糊数表示事件发生的概率，计算管道失效概率，并将模糊重要度分析的中值法引入长输管道系统的事故树分析中，给出计算方法及步骤，并用模糊重要度法对事故树基本事件进行排序，为处理长输管道事故树中的模糊问题提供了一种研究思路。 运行中的油气管道是一个复杂的系统，这个系统部分信息已知，部分信息未知，因而可以看做一个灰色系统。同样以长输管道主要风险事故树为模型，运用灰色系统中的灰关联分析进行事故树诊断的综合分析。通过进行关联度计算及排序，对各种事故模式发生的可能性大小做出了判断。这种方法为控制事故的发生，处理事故的轻重缓急，改进系统的可靠性和安全性提供了理论依据。 本文首先借鉴国内外已有数据和经验，将管道分

7、类分段细化，建立每个管段独立简化的事故树；然后进行定性定量分析找出薄弱管段和风险因素，并进行风险因素大小排序，从而为管道的风险管理提供具体的理论数据基础。 关键词：关键词：压力管道，事故树，风险评价，模糊，灰色 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 IIAbstract Accidents in pipelines have occurred frequently in the past period of pipelines transporting development. Press

8、ure Pipelines safety situation is stern.Public tolerance is now decreasing. Therefore, Risk reduction in hazardous pipelines is more and more important,such as：improvement of management system, reliability and risk analysis. The analysis of major accidents in hazardous pipelines underlines how the s

9、ystematic control of the hazards involved is essential for prevention purposes. Identification of pipeline hazards associated with the different pipeline system functions is essential for risk analysis and historical data are of great importance. In the light of pipeline accidents occurred in Russia

10、,Europe and the US,during 70s-nearly 90s,an analysis has been carried out,with the aim of full understanding the accidents and accidental causes as to provide a referential experience for the daily operation in the type elementary division of pipeline. Distinction should be made between several cate

11、gories of pipelines e.g. gas and hazardous liquids pipelines, sincethe associated risks are of different nature and level. It is also important to distinguish between risks associated with different functions of pipeline systems. FTA (Fault Tree Analysis) is an effective method to evaluate the relia

12、bility and security of large complex system. Using this way, the failure of oil and gas pipeline sis discussed. The fault tree of oil and gas Pipelines is established by considering two major failure modes of pipelines: leaking and rupture. All the minimal cut-sets are got through qualitative analys

13、is.The basic risk factors are investigated that cause failure of pipelines. Fault Tree is also a model that quantitative analysis is based upon. In the fault tree quantitative analysis of oil and gas pipelines,due to lacking of the enough test-data and field-data, the fuzzy mathematics analysis meth

14、od is introduced. Triangular fuzzy-numberdesignated probability of the basic events in fault tree. A method-Median method for analyzing fuzzy significance was provided to order the basic events in fault tree.The process of calculation and steps were presented in detail. The fuzzy probability order a

15、nd classification are also found.The method given in this article is a new way to treat fuzzy failure probability of events in w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 IIIoil and gas pipelines. Oil and gas pipelines can be regarded as a grey system for its characteristic and grey theory, Grey correlati

16、on analysis is applied in the model identification of the fault diagnosis and fault tree analysis. The possibility of fault model could be judged correctly in the fault tree analysis, which provides a scientific basis for fault handling in order to improve the reliability and security of the system.

17、 The paper is concluded with the point of view. Detailed distinction should be made between pipelines; the different fault tree should be established according to different pipelines and different part of pipeline;appropriate quantitative analysis based upon fault tree should be applied; a scientifi

18、c and dada bases should be set up for manager. Key words: Pressure pipeline，Fault Tree Analysis， Risk assessment，Fuzzy，Grey 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 IV目 录 AbstractAbstract .II 第 1 章 绪 论 .1 1.1 概述 . 1 1.2 现役油气压力管道运行现状. 2 1.3 压力管道安全形势 . 3 1.3.1 典型压力管道的失效事

19、件. 3 1.3.2 压力管道事故多发的原因. 3 1.4 国内外研究现状 . 4 1.4.1 压力管道风险评价相关技术研究现状. 4 1.4.2 压力管道风险评价方法. 5 1.4.3 压力管道风险评价技术的应用. 6 1.4.4 压力管道风险评价技术的发展趋势. 7 1.5 本课题主要研究内容 . 8 第 2 章 压力管道风险管理理论及风险因素统计分析 .10 2.1 压力管道风险管理理论的系统提出. 10 2.1.1 风险概述 . 10 2.1.2 风险管理概述 . 12 2.1.3 我国压力管道风险管理研究状况. 13 2.1.4 压力管道风险管理理论的系统阐述. 14 2.2 压力管

20、道风险识别与分析 . 15 2.2.1 压力管道风险识别 . 15 2.2.2 压力管道失效分析 . 16 2.3 长输压力管道事故风险因素. 17 2.3.1 长输压力管道事故原因. 18 2.3.2 事故数据来源 . 20 2.3.3 事故频率数据 . 20 2.3.4 全失效频率数据 . 22 2.3.5 讨论 . 23 第 3 章 事故树分析研究 .25 3.1 事故树分析法 . 25 3.1.1 简介 . 25 3.2 长输压力管道事故树的建立. 26 3.3 长输管道事故树定性分析 . 30 3.3.1 基本认识 . 30 3.3.2 最小割集 . 30 w w w . b z f

21、 x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 V3.3.3 管道失效的主要影响因素. 32 3.4 本章小结. 33 第 4 章 基于模糊理论的长输管道事故树定量分析 .34 4.1 模糊事故树定量分析 . 34 4.1.1 随机性与模糊性 . 34 4.1.2 整体思路 . 34 4.2 三角模糊数 . 35 4.3 长输管道主要风险因素事故树 . 37 4.4 求顶事件模糊概率可能性分布 . 38 4.5 模糊重要度分析 . 39 4.6 本章小结 . 41 第 5 章 长输管道灰色理论定量分析研究 .43 5.1 灰色系统理论的产生与发展 . 43 5.2 灰色系统的定义 . 43

22、5.3 灰色系统的特点 . 44 5.4 灰色系统的灰关联分析 . 45 5.4.1 灰关联分析的意图 . 45 5.4.2 灰关联分析的功能 . 45 5.4.3 灰关联分析的技术内涵. 46 5.4.4 灰关联分析的数学模型. 46 5.5 长输管道事故因素的灰关联分析. 47 5.5.1 灰关联分析应用于长输管道的优点. 47 5.5.2 灰关联分析的方法步骤. 47 5.5.3 灰关联分析在事故树分析中的引进. 48 5.6 长输管道主要风险因素事故树灰关联度分析 . 49 5.6.1 长输管道风险因素重要度分析. 49 5.7 本章小结 . 53 第六章 结论与展望 .55 6.1

23、结论. 55 6.2 研究展望 . 56 参考文献 .57 攻读硕士学位期间发表论文 .60 致 谢 .61 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 1第 1 章 绪 论 1.1 概述 压力管道是在生产,生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备。压力管道按其用途划分为工业管道，公用管道和长输管道。 具体的讲，压力管道是指： （1）输送 GB5044职业性接触毒物危害程度分级中规定的毒性程度为极度危害介质的管道； （2）输送 GB50160石油化工企业防火设计规范及 GBJ16建筑

24、设计防火规范中规定的火灾危险性为甲，乙类介质的管道； （3）最高工作压力大于等于 0.1Mpa（表压，下同） ，输送介质为气（汽）体，液化气体的管道； （4）最高工作压力大于等于 0.1Mpa，输送介质为可燃，易爆，有毒，有腐蚀性的或最高温度大于等于其沸点的液体的管道； （5）前四项规定的管道的附属设施及安全保护装置等； 作为现代五大运输系统(公路，铁路，水运，航空，管道)之一的管道运输系统在现代工业生产和城市建设中的应用已经遍及各个领域，几乎一切流体在其生产，加工，运输及使用过程中都使用压力管道。压力管道工程日益复杂，正朝着大型化，整体化和自动化方向发展。随着石油，化工，冶金，电力，机械等行

25、业的迅速发展，压力管道在这些行业中占据着越来越重要的地位。 我国的管道运输起步晚，且管道运行管理目前情况也是如此，甚至还相对落后。截止目前为止，世界上长输管道的总长度己经超过 2000000km。我国的原油产量在世界上排第 5 位，天然气产量在世界上也排第 5 位，因此管道的建设与我国经济发展相比，相对滞后，还有很大的发展空间。因此，在以后的发展阶段，管道系统的可靠性分析要应该引起足够的重视。我们要在修建新管道的同时，切实保证在役压力管道的安全可靠经济运行。这就对我国输送危险介质的油气管道运输的技术可靠性，安全性，风险性和经济性提出了更大的挑战。 油气泛指原油，成品油，液化烃，可燃液体化工品及

26、可燃气体等，它们普遍具有易燃易爆及有毒等特性。但它们却是人类社会不可缺少的能源和原材料。为了将这些重要的能源和原材料运送到最需要的地方去，管道输送是最重要的手段。所谓油(气)长输管道是指长距离输送原油(成品油或油产品)或天然气的w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 2管道，一般其长度在 25km 以上。 输送危险介质的油气管道失效可能造成严重的危害，可燃或有毒物质泄漏是引起许多悲惨意外事故的开始事件。公众和社会对环境污染和意外事件的宽容度现在正在减弱，同时，意外事件发生之后，管理者所要承担的责任则越来越大。管道运输的危险性主要表现于：一方面，压力管道输送的

27、介质具有易燃，易爆，有毒，强腐蚀性及高温高压的性质，压力管道中存在的缺陷极易发生泄漏、爆炸、燃烧及中毒事故，造成国民经济和人民生命财产的重大损失，因此，要尽量排除压力管道缺陷；另一方面，由于制造，运输和安装等原因，压力管道中存在缺陷是不可避免的，如果一有超标缺陷就予返修或更换，不但会带来很大的经济损失，而且还可能引入新的缺陷，甚至可能造成更大的危害。基于以上两点，如何依据我国的国情，借鉴国内外的先进技术，根据“合于使用”原则从技术角度，根据失效后所造成的危害程度从管理角度，对在役压力管道进行风险识别，风险评价和风险管理，是急需解决的重大问题。 1.2 现役油气压力管道运行现状 近几年，美国，俄

28、罗斯，加拿大，英国，阿根廷，委内瑞拉等欧美国家发生过多起油气管道爆裂，泄漏事故，损失惨重，给社会造成极大影响。当今，在全球范围内，有超过一半的管道己经进入老龄阶段(我国长输管道有 82%的管龄已经超过 24 年，66%的超过 25 年)，同样存在不少事故隐患。在 20 世纪 80年代前后，国外(欧美及前苏联)油气管道的事故率约在 4610-4/km年。据美国管道安全办公室统计，从 1986 年 1 月到 2001 年 12 月的 16 年间，全美输气干线共发生事故 1286 起，死亡达 58 人，受伤 217 人，财产损失 2.84 亿美元1。 我国石油天然气管道的生产和使用是随着石油工业的兴

29、起而逐步发展起来的。我国第一条长输管道是 1958 年建于克拉玛依独山子炼油厂的双线输油管道。随着石油天然气的开发，我国迎来了一个长输管道快速发展的时期，从上世纪 90 年代中期逐渐进入高潮，目前我国正处在长距离输送油气管道建设的高峰时期，在今后的几年将形成东南西北相互贯通的管道网络。近几年随着国家西部大开发战略的实施，我国已经建成的或正在兴建中的管道有：西气东输（新疆上海）天然气管道，涩北西宁兰州天然气管道，兰州成都重庆成品油管道，茂名昆明成品油管道，忠县武汉天然气管道，宁波上海南京进口原油管道，环珠江三角洲液化天然气管道，镇海萧山成品油管道以及平湖上海的海底天然气管道。正准备兴建的管道还有

30、中俄天然气管道，中俄原油管道，远景规划可能还有土库曼斯坦至中国的天然气管道，西西伯利亚至标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 3中国的天然气管道以及苏里格气田的外输管道等。2008 年，我国国内共有输油（气）管道 2.6104km，这些油气管道分布在全国 24 个省市自治区，形成了东北，华北，中原和西北的地下大动脉2。但是长期以来，由于管理分散，法规不健全，技术水平落后等原因，管道普遍缺陷严重，带“病”运行，每年因第三方破坏、腐蚀、误操作等原因造成泄漏与爆炸事故也时有发生。据不完全统计，仅

31、输油管道在近 30 年内共发生大小事故上千次， 天然气管道也发生事故几百起。 1.3 压力管道安全形势 1.3.1 典型压力管道的失效事件 随着管道的大量铺设和长期运行，管道事故不断地发生。例如：1989 年 6月在前苏联乌拉尔山脉隧道附近由于对天然气输送管线维护不当，造成天然气泄漏，随后引起大爆炸，烧毁了两列铁路列车，死亡 800 多人，成为 1989 年震撼世界的灾难性事故。美国从 19851992 年，共发生天然气管道失效事故 1906起，其中包括 146 起灾害事故和 721 起伤害事故。在此期间，发生液体管道失效事故 1591 起，其中包括 24 起灾害事故和 18 起伤害事故。直接

32、经济损失超过3500 万美元。 加拿大每年发生压力管道事故 3040 起。 欧洲输油管线在 19711994 年间，平均每年发生管道事故 13.8 起，到 1995 年底，清理泄漏石油费用超过 970 万美元。19811996 年，前苏联发生压力管道失效事故 752 起。 我国油气输送管道事故也曾多次发生。1974 年，大铁复线漱江穿越段用气体试压时发生爆炸， 爆炸长度达 2km。 四川石油管理局南干线在 19711990 年，共发生 108 起失效事故3。每次事故停输时间超过 24 小时，经济损失约达 1 亿元人民币。塔里木轮南库尔勒输油管线在建成后的试压过程中发生爆炸和泄漏事故。 1.3.

33、2 压力管道事故多发的原因 在役压力管道形成威胁的因素越来越多，但归纳总结一下，在役压力管道事故多发的原因主要表现为以下几个方面4： （1）压力管道周边安全生态环境遭到破坏，如道路改造，河流箱涵改造，管线改造等，使得原来符合要求的管道出现安全隐患，特别是违章建筑屡禁不止； （2）建筑施工等人为因素造成管道断裂； （3）压力管道腐蚀严重，未能及时更新和修补； （4）缺乏科学合理有效的压力管道管理规章和制度； w w w . b z f x w . c o m武汉理工大学硕士学位论文 4（5）缺乏科学严密的风险辨识预测方法和能力； （6） 压力管道检验手段和方法老化， 国家有关压力管道的强制性标准落后； （7）监控，决策，调度，信息共享等监控管理水平和层次不高； （8）压力管道风险预警响应能力差； 1.4 国内外研究现状 压力管道是一个十分复杂的系统，其输送的介质具有易燃，易爆，有毒的性质，容易发生泄漏，燃烧，爆炸及中毒事故，造成国民经济和人民生命财产的重大损失5。因此，发达国家对压力管道风险评价及其相关技术进行了大量的研究和应用，我国由于种种历史原因起步较晚，但也开展了一定的研究和应用。 1.4.1 压力管道风险评价相关技术研究现状 压力管道风险评价又称危险评估，它根据危险源评价方法确定影响系统发生事故的各