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基于模糊算法的老齡海底管道失效事故樹定量分析

文檔作者：陳威馬凱軍劉暢文檔來源： 1．勝利油田鉆井工藝研究院 2．中石化管道儲運公司滄I州輸油處 3．中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司北京分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月17日
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一
12一 一 論文廣場 2石0油和化工設(shè)備
13年第16卷
基于模糊算法的老齡海底管道失效事故樹定量分析
陳威 ，馬凱軍 ，劉暢
(1．勝利油田鉆井工藝研究院。山東東營257017)
(2．中石化管道儲運公司滄I州輸油處， 河北滄州061 000)
(3．中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司北京分公司， 北京100085)
[摘要]將海底管道失效的原因分為人為因素和自然因素兩類，建立海底管道失效事故樹。采用專家主觀判斷法結(jié)合模糊
算法計算基本事件的發(fā)生概率。通過對事故樹的定性分析，得到引起管道失效的26個最小割集。通過定量分析，計算頂事件
的發(fā)生概率和基本事件的關(guān)鍵重要度系數(shù)。計算結(jié)果表明，海底管道失效的概率為0．2197，通過關(guān)鍵重要度系數(shù)分析得到的
基本事件風險排序結(jié)果與定性分析結(jié)果一致
[關(guān)鍵詞]海底管道；事故樹分析；專家判斷；模糊算法
海底油氣管道被喻為海上油氣田的生命線，
在海洋油氣資源開發(fā)中扮演著越來越重要的角
色。自從1954年Brown&amp;amp;Root公司在美國墨西哥
灣鋪設(shè)第一條海底管道以來，世界各國累計鋪設(shè)
的海底管道總長度已達十幾萬公里。海底管道已
成為海洋油氣資源輸送的主要方式¨】。我國海底管
道建設(shè)從2O世紀8O年代起步，據(jù)不完全統(tǒng)計， 自
1985年至2005年，我國海域累計已鋪設(shè)海底管道
6O多條，總長度超過3000 km。隨著對海洋油氣資
源開發(fā)進程的加快，海底管道的建設(shè)規(guī)模將進一
步擴大。
海底管道在服役期間不可避免地受到來自內(nèi)
部介質(zhì)和外部海水的腐蝕、第三方的機械破壞、
臺風和海流等環(huán)境載荷以及火災、爆炸等偶然載
荷的影響，這些都會直接影響海底管道的服役壽
命。海底管道一旦失效，將造成重大經(jīng)濟損失和
海洋生態(tài)環(huán)境的破壞。為了有效控制失效事故，
對海底管道進行風險評估是十分重要的。本文在
對海底管道失效事故樹進行定性分析的基礎(chǔ)上，
采用專家主觀判斷法結(jié)合模糊算法計算基本事件
的發(fā)生概率，對事故樹進行定量分析，其研究成
果對海底管道的風險預防與控制具有一定指導意
義。
l老齡海底管道失效原因分析
海底管道失效率隨著時間的變化可用浴盆曲
線進行描述，如圖1。在管道投入使用初期，由于
設(shè)計、施工和材料等多方面的缺陷，管道失效率
較高，隨著服役時間的增加，失效率逐漸降低，
這一階段稱作早期失效期。渡過早期失效期后是
偶然失效期，在這一階段管道失效率穩(wěn)定保持在
一個較低的水平。這個時期過后， 進入耗損失效
期，管道失效率逐漸增大，直至超過設(shè)計壽命達
到完全報廢。由于設(shè)計水平、施工質(zhì)量、介質(zhì)腐
蝕性、維護條件以及安全管理水平的差異，每條
管線的浴盆曲線有所不同，但總規(guī)律是相同的。
我國自1985年鋪設(shè)第一條海底管道以來，許多管
道已進入中后期使用階段，失效率逐年增加。研
究海底管道失效的原因并制定合理的檢驗維修計
劃能夠有效降低失效率，延長海底管道的使用壽
命。
時聞
圖1 海底管道失效率的一般規(guī)律曲線
● ● ● ● ● ● ● ● ● _ ● ● ? ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ? ● ● ● ● ● ● ● _ ● - ● ? ● ● ● ● - ● ● ● ● ● ● ? ● ● ● ● ● ● ● ● ? ? ● ? ● ● ● ● ● -? ? ● - ●● ● ● ● ● ? ● ● ● ● ? ● ● ● ? ● ● ●
作者簡介：陳威(198O一)，男，安徽固鎮(zhèn)人，博士生，工程
師。在勝利油田鉆井工藝研究院從事井下測控系統(tǒng)研發(fā)工作。
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第5期 陳威等基于模糊算法的老齡海底管道失效事故樹定量分析 一 3一
圖2 海底管道失效事故樹
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一
14一 ■ 論文廣場 9石0油和化工設(shè)備
13年第16卷
美國礦產(chǎn)管理局(MMS)~1歐洲環(huán)境衛(wèi)生安全
石油組織(CONCAWE)等相關(guān)部門的統(tǒng)計資料表
明， 腐蝕、波流沖刷、外力破壞、海床運動是造
成海底管道事故的主要原因， 除此之外，材料和
焊接缺陷、海底管道附件故障、操作失誤、設(shè)計
不合理也是較常見的原因[31。
本文將海底管道失效原因分為兩類，即人為
原因和自然原因。
人為原因是指由于施工單位、工作人員的疏
忽或?qū)κ┕ο蟮腻e誤認識造成的失效，例如管
道設(shè)計不合理、管道施工中造成的損壞未被及時
發(fā)現(xiàn)、管道材料不符合標準等； 另一種情況是發(fā)
生意外情況造成管道失效，例如船舶起錨作業(yè)、
拖網(wǎng)捕魚作業(yè)、落物撞擊等。
自然原因是指海水運動對海底管道的影響，
例如波浪和海流長期作用沖刷管道周圍的土壤，
造成管道裸露，或者使管線懸跨長度過大，產(chǎn)生
較大應力使管道失效等。
2老齡海底管道事故樹分析
2．1海底管道事故樹的建立
事故樹分析法(Accident Tree Analysis，簡稱
ATA)起源于故障樹分析法(Fault Tree Analysis，
簡稱FTA)，是從要分析的特定事故或故障(頂上
事件)開始，層層分析其發(fā)生原因， 直到找出事
故的基本原因(底事件)為止。這些底事件又稱
為基本事件，它們的數(shù)據(jù)已知或者已經(jīng)有統(tǒng)計或
實驗的結(jié)果。
事故樹分析的主要步驟一般包括頂事件的確
定、事故樹的建立、定性分析以及定量分析四個
過程。
(1)頂事件的確定
頂事件是分析對象不希望發(fā)生的事件，在海
底管道失效事故樹中以海底管道失效為頂事件，
探尋管道失效的原因和模式。
(2)失效樹的建立
以海底管道失效為分析的起始端，找出導致
頂事件發(fā)生所有可能的事件， 以“門”相連接，
依次類推、逐級發(fā)展，直至找出引起管道失效但
不需要再繼續(xù)探究的基本事件，就完成了事故樹
的建立，如圖2所示。
(3)定性分析
定性分析的主要任務是計算事故樹的最小割
集，最小割集指能夠引起頂事件發(fā)生的最低限度
的基本事件的集合，如果割集中任意一個基本事
件不發(fā)生，則頂事件也不發(fā)生， 因此全部最小割
集的完整集合代表了頂事件發(fā)生的全部可能性。
(4)定量分析
定量分析的主要任務是計算頂事件的概率和
重要度系數(shù)的求解，通過重要度系數(shù)的求解， 可
以根據(jù)各基本事件對頂事件發(fā)生的貢獻和敏感程
度進行排序，對于貢獻較大的事件采取預防和控
制措施。
2．2最小割集定性分析
為了確定事故樹的最小割集，將事故樹轉(zhuǎn)化
為等效的布爾方程，采用下行法，求得全部最小
割集如表1所示。
表1 海底管道損傷事故樹最小割集計算結(jié)果
序號 最d,N集 序號 最小割集
1 X0 l4 X19
2 X1 15 X20
3 X2 16 X2l
4 X3 l7 X22
5 X4 18 X23
6 X5 l9 X24
7 X6 20 X25
8 X7 2l X26
9 X8 22 X27
10 X9 23 X28
11 Xl6 24 Xl0， X11，Xl2，X13
12 X17 25 Xl0，X11，X12，X14
13 X18 26 X10，Xll， X12，X15
由表1可知，海底管道失效事故樹由23個一階
最小割集和3個四階最小割集組成。一般情況下，
階數(shù)越低，該割集發(fā)生的可能性越高。因此為了
提高海底管道系統(tǒng)的安全性，應對23個一階最小
割集優(yōu)先采取安全防范措施。
2-3結(jié)合模糊算法的定量分析
假設(shè)基本事件發(fā)生的概率為qi，i為基本事件
的序號，i=l，2，L，29，則頂事件T發(fā)生的概率計算公
式為：
， ，
尸(，)=Σn q一Σ FI q+．．．+(一1) 兀呸?
l E耳 ‘，蘭 e卑u =l 、
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式中，r、S、t為最小割集的序數(shù)，r

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