（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）定量风险分析qra及其在海底管道完整性管理方面的应用.pdf

，- ， c l a s s i f i e di n d e x ：u 6 6 1 4 3 u d c ： 1 u l i i ili iii l li i l l i l lli i i 18 0 8 719 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s u b m a r i n e p i p e l i n eq u a n t i t a t i v er i s k a s s e s s m e n t ( q r a ) a n d i t sa p p l i c a t i o ni n i n t e g r i t ym a n a g e m e n t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： z h a n gf a n g y u a n p r o f b a iy o n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h i t e c t u r e a n do c e a ns t r u c t u r e s a p r i l ，2 0 1 0 j u n e ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y r ； j l 、 l l 1 ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：髫尺南毛 日期：汐，年多月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：多灸荀列导师( 签字) ：多碧 ，1 ， 日期：r 年月，i 日年月日 l 一 ， l量气雾 。 - j 哈尔滨1 ：程人学硕十：学位论文 手两要 我国具有丰富的海洋石油资源，在海洋油气的开发中，海底管道的运行 状况直接关系到海上油气田的安全。因此，分析管道风险，建立合理的海底 管道完整性管理系统以保证管道的正常工作对我国海洋石油开发有着重要的 意义。 本文第1 章阐述国内外管道基于风险分析的完整性管理技术的研究和进 展，指出了其由半定性半定量分析向定量分析方向发展的趋势，而且风险分 析和管理的重点在于失效概率的计算和控制。 第2 章利用故障树分析法，建立了较为完整的海底管道失效故障树，求 出了故障树的最小割集，总结了海底管道失效的主要影响因素，给出了根据 基本事件概率和最小割集概率求解管道失效概率的计算方法，同时给出并简 化了基本事件概率重要度系数的计算公式，指出了求解基本事件概率重要度 系数在风险分析和管道完整性管理方面的重要意义。 第3 章研究了根据著名的英国p a r l o c 海底管道数据库进行故障树基本 事件概率计算的方法，并分析了该方法的优缺点。 第4 章基于a s m eb 3 1 g 新规范中的腐蚀管道极限强度公式，修正了腐 蚀面积的计算方式；建立了海底管道腐蚀失效概率计算的结构可靠性模型； 并对各个随机变量进行了归一化处理，简化了极限状态方程；研究给出了归 一化随机变量的分布类型和参考特征值；最后进行参数讨论，分析了该数学 模型的可靠性。 第5 章参考规范d n v r p f 1 0 7 的起重机上坠物冲击海底管道的概率计 算方法，建立了船舶抛锚冲击管道的概率频率计算模型。然后研究了在一次 抛锚冲击事故中，管道失效的条件概率，总结了不同重量的锚冲击海底管道 导致其失效的条件概率。最后，根据我国的实际船舶统计数据，在典型重量 的锚的冲击下进行了参数讨论，分析证明了该数学模型的可靠性。 本文的研究为我国海底管道基于风险分析的完整性管理方法的理论研究 和工程应用打下了基础。 关键词：海底管道；故障树；定量风险分析；数据库；结构可靠性；抛锚冲 击。 - 3 i，lllf 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t c h i n ah a sr i c ho f f s h o r eo i lr e s o u r c e s d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s o f f s h o r eo i la n dg a s ，t h eo p e r a t i o n a ls t a t u so f s u b s e ap i p e l i n ei sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h es a f e t yo fo f f s h o r eo i la n dg a sf i e l d s t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i so fp i p e l i n er i s k ， a n db a s e do nw h i c ht h ee s t a b l i s h m e n to far a t i o n a ls u b m a r i n ep i p e l i n ei n t e g r i t y m a n a g e m e n ts y s t e mt o e n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fp i p e l i n e sh a sav e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h eo f f s h o r ep e t r o l e u md e v e l o p m e n to fc h i n a c h a p t e rio ft h i sp a p e re x p o s e dt h er e s e a r c hp r o g r e s so ft h et e c h n i q u eo f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr i s k - b a s e da n a l y s i sa n dp i p e l i n ei n t e g r i t ym a n a g e m e n t ， p o i n t e do u ti t sd i r e c t i o no ft h et r e n df r o ms e m i - q u a n t i t a t i v ea n ds e m i q u a n l i t a t v e a n a l y s i s t o q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ， b u ta l s ot h ef o c u so fr i s ka n a l y s i sa n d m a n a g e m e n ti sp i p e l i n ef a i l u r ep r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o na n dc o n t r 0 1 c h a p t e ri i u s e dt h ef a u l tt r e ea n a l y s i sm e t h o d ，e s t a b l i s h e da r e l a t i v e l y c o m p l e t es u b s e ap i p e l i n ef a i l u r ef a u l tt r e e ；f o u n dt h ef a u l tt r e em i n i m a lc u ts e t s ； g i v e no u tas o l v i n gm e t h o do fp i p e l i n ef a i l u r ep r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o nb a s e do n b a s i ce v e n tp r o b a b i l i t ya n dt h em i n i m u m c u t s e tp r o b a b i l i t y ；a n ds i m p l i f i e dt h e c a l c u l a t i n go ft h ei m p o r t a n c ec o e f f i c i e n t o fb a s i ce v e n tp r o b a b i l i t yw i t hi t s s i g n i f i c a n c eo np i p e l i n er i s ka n a l y s i sa n di n t e g r i t ym a n a g e m e n tp o i n t e do u t c h a p t e ri i is t u d i e dt h ef a m o u sb r i t i s hp a r l o cs u b m a r i n ep i p e l i n ed a t a b a s e t oc a l c u l a t eb a s i ce v e n tp r o b a b i l i t i e so ff a u l tt r e e ，a n da n a l y z e dt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h em e t h o d c h a p t e ri v ，b a s e do nt h eu l t i m a t es t r e n g t hf o r m u l ai na s m eg 3 1gn e w c r i t e r i o n ，c o r r e c t e dt h ec o r r o s i o na r e ac a l c u l a t i o nm e t h o d ；e s t a b l i s h e das t r u c t u r e r e l i a b i l i t ym o d e lf o rs u b s e ap i p e l i n ec o r r o s i o nf a i l u r ep r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o n ；a n d s i m p l i f i e dt h eu l t i m a t el i m i ts t a t ee q u a t i o nb yn o r m a l i z i n gr a n d o mv a r i a b l e s ； r e s e a r c h e da n dg i v e no u tt h ed i s t r i b u t i o nt y p e so ft h en o r m a l i z e dr a n d o m v a r i a b l e sa n ds u g g e s t e dt h e i rc h a r a c t e r i s t i cv a l u e ；a n da tl a s t ，t h ep a r a m e t e r s d i s c u s s i n gw a sp e r f o r m e dt od e m o n s t r a t et h em o d e lr e l i a b i l i t y a l s oi t se n g i n e e r i n ga p p l i a n c e k e yw o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ；f a u l tt r e e ；q u a n t i t a t i v er i s ka n a l y s i s ；d a t a b a s e ； s t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y ；a n c h o ri m p a c t ， f i 一 i。，l-， 哈尔滨下程人学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 风险分析和完整性管理的基本内容3 1 2 2 国外的研究现状。5 1 2 3 国内的研究现状6 1 3 问题的提出7 1 4 本文工作要点8 第2 章海底管道风险的故障树分析10 2 1 故障树简介1 0船 2 2 故障树分析标准符号1 0 2 3 海底管道故障树的建立1 1 2 4 海底管道故障树定性分析1 5 2 4 1 基本认识1 5 2 4 2 求最小割集1 5 2 4 3 主要失效因素1 7 2 5 海底管道故障树定量分析方法。2 0 2 5 1 管道失效概率计算。2 0 2 5 2 基本事件概率重要度系数的数学模型2 0 2 6 本章小结。2 1 第3 章海底管道失效概率的数据库分析2 3 3 1 英国p a r l o c 数据库的数据来源2 3 3 2 英国p a r l o c 数据库的统计数据分析2 4 3 3 基于p a r l o c 数据库确定基本事件概率3 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 4 本章小结3 5 第4 章海底管道腐蚀失效概率的数学计算模型3 6 4 1 结构可靠性基本原理3 6 4 2 腐蚀管道的极限状态方程3 7 4 3 失效概率的求解。4 1 4 3 1 不确定性。4 1 4 3 2 失效概率的求解方法和过程4 4 4 4 腐蚀管道失效概率计算公式有效性讨论4 8 4 5 本章小结5 5 第5 章管道抛锚冲击失效概率的数学计算模型5 6 5 1 抛锚冲击管道的概率计算公式5 6 5 2 抛锚冲击计算6 0 5 3 管道抛锚冲击失效概率及其相关参数讨论6 3 5 3 1 锚的类型和尺寸6 3 5 3 2 其它参数的讨论。6 5 5 4 本章小结。：6 8 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 3 致谢7 4 附录a ：海底管道立管区泄露基本事件概率查询表7 5 附录b ：海底管道安全区泄露基本事件概率查询表8 0 附录c ：海底管道井区泄露基本事件概率查询表8 3 附录d ：海底管道中段泄露基本事件概率查询表8 6 哈尔滨1 j 程大学硕十学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的3 4 ，据统计，全球海洋石 油蕴藏量约1 0 0 0 多亿吨，其中已探明储量的为3 8 0 亿吨。 中国是海洋大国，拥有约1 8 万千米的海岸线和6 5 0 0 多个5 0 0 平方米以 上的大小岛屿。根据联合国海洋法公约的规定和我国的主张，我国还拥 有面积约3 0 0 万平方千米的管辖海域，约占中国陆地面积的1 3 。随着对海 洋开发的进程，海洋资源在我国国民经济中所占居的位置越来越重要，传统 意义上的海洋资源，包括“航行、捕鱼、制盐”；现在则包括旅游、可再生能 源、油气、渔业、港口和海水六大类。其中，海洋油气业异军突起，年均增 长达到3 2 3 ，迅速成长为中国海洋经济的支柱产业。在人类对石油等不可 再生资源的需求越来越大的情况下，海洋石油成了开采的重点。 我国海洋石油资源丰富。根据国务院2 0 0 3 年5 月9 日颁布的全国海洋 经济发展规划纲要，我国近海石油资源量约2 4 0 亿吨。首先，东海大陆架 可能是世界上最丰富的油田之一，钓鱼岛附近水域可能成为“第二个中东”。 据我国科学家1 9 8 2 年估计，钓鱼岛周围海域的石油储量约3 0 亿 7 0 亿吨。 还有资料反映，该海域海底石油储量约为8 0 0 亿桶，超过1 0 0 亿吨。而南海 海域更是石油宝库。据有关报道，中国对南海勘探的海域面积仅有1 6 万平方 千米，发现的石油储量达5 5 2 亿吨，南海油气资源可开发价值超过2 0 万亿 元人民币，在未来2 0 年内只要开发3 0 ，每年可为中国g d p 增长贡献1 2 个百分点。经初步估计，整个南海的石油地质储量大致在2 3 0 亿至3 0 0 亿吨 之间，约占中国总资源量的三分之一，属于世界四大海洋油气聚集中心之一， 有“第二个波斯湾”之称。另外，到目前为止，渤海湾地区已发现7 个亿吨级 哈尔滨工程大学硕士学位论文 油田，其中渤海中部的蓬莱1 9 3 油田是迄今为止中国最大的海上油田，又 是中国目前第二大整装油田，探明储量达6 亿吨，仅次于大庆油田。至2 0 1 0 年，渤海海上油田的产量将达到5 5 5 0 万吨油当量，成为中国油气增长的主体。 我国的海洋石油开发不容缓。从1 9 9 3 年开始，中国已成为石油净进口 国。今年，我国石油进口量将突破1 亿吨。随着经济的发展，中国石油进口 的缺口将进一步加大，专家预测至2 0 1 0 年，中国进口石油预计将达到2 亿吨。 但是近1 0 年来，中国探明的石油储量已出现逐年下降趋势，石油产量增长缓 慢，每年新增探明可采储量无法弥补同期产量，尤其是东北的原油产量下降 非常迅速，如大庆油田的产量在未来7 年内将以每年2 0 0 万吨的数量锐减， 能源短缺已在很大程度上成为阻碍我国经济发展的重要因素。另一方面，我 国海外油气开发也是举步维艰：里海折戟、安大线胎死腹中以及在全球各个 油气项目中美、日等国的“搅局9 9o oo 所以，最大限度地解决我国油气资源接 替基地成为当前极为迫切的问题。不过，开采海洋石油的意义还不仅仅于此， 周边各国对我国海洋石油资源的掠夺，也使开发沿海油气资源变得日趋迫切。 随着中国海洋石油开发的迅速升温，海底管道作为最经济安全的海上油 气运输方式，其需求量也会不断增加。中国海域辽阔，拥有面积约3 0 0 万平 方千米的管辖海域，约占中国陆地面积的1 3 。将来对海底长输油气管道的 需求量将会非常惊人。 海底管道是海上油气田的生命线，其运行状况直接关系到海上油气田的 安全。与陆地管道相比，海底管道的服役条件苛刻，对其检测、维修的难度 大，一旦发生事故，不但会造成生命财产的严重损失，还会污染环境造成难 以预料的恶劣社会影响。因此，分析管道风险，建立合理的海底管道完整性 管理系统以保证管道的正常工作对我国海洋石油开发有着非常重要的意义。 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 风险分析和完整性管理的基本内容 海底油气管道的完整性管理涉及其设计、制造、运输、安装、服役到退 役的整个生命周期，与材料、使用环境、外部作用、使用功能、检测和维护 方式等密切相关，同时包含风险评价、损伤预测、事故后果评估以及检测维 修等技术。管道完整性管理p i m ( p i p e l i n ei n t e g r i t ym a n a g e m e n t ) 是指对所有 影响管道完整性的因素进行综合的、一体化的管理，是一项复杂的系统工程。 它大体上包括以下内容：拟定工作计划、工作流程和工作程序文件；进行风 险分析，了解事故发生的可能性和将导致的后果，制定预防和应急措施；定 期进行管道完整性检测和评估，了解管道可能发生事故的原因和部位；采取 修复或减轻失效威胁的措施；培训人员，不断提高人员素质。 管道完整性管理是一个与时俱进的连续的过程。这是因为管道的失效模 式是一种时间依赖的模式。腐蚀、老化、疲劳、自然灾害、机械损伤等能够 引起管道失效，随着岁月的流逝在不断地侵蚀管道。因此，必须持续不断地 对管道进行风险分析、检测、完整性评估、维修、人员培训等完整性管理工 作。概括的说，管道完整性管理就是为了降低事故发生的可能性以及事故产 生的后果而进行的不断评估和降低管道风险的过程。 2 0 0 2 年管道安全法案的颁布，使管道安全性管理的概念变得尤为重 要。管道定量风险分析( q r a - q u a n t i t a t i v er i s ka s s e s s m e n t ) 作为进行管道完整 性管理的基础，近二三十年来，一直是研究热点。 风险的一般定义通常包括事故可能性及其造成的损失大小，其数学表达 式为：风险= 事故概率事故后果。风险程度随着事故发生率的提高或事故后 果严重程度的增加而增加。风险完整的定义需要明确以下三个问题【l 】= 1 ) 什么会失效? 2 ) 失效概率是多大? 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i 3 1 失效后果是什么? 风险分析是利用管道设计、监测、运行记录等历史数据，采用合理的分 析方法，建立相应的风险模型，并结合经验知识来来解决上面三个问题的方 法。其目的是为管道的完整性管理决策提供科学的参考。风险分析的主要步 骤如下： 1 ) 收集可靠的数据。这是风险分析的首要一步，其重要性并不亚于风险 分析本身。风险分析本身非常复杂，定量计算存在很多的不确定性，我们能 做的就是尽量收集更完整有效的数据。 风险辨识。风险辨识的目的是鉴别各种导致管道产生不良后果的主要 原因以便把风险分析的重点放有关键利益危害的问题上。这可以帮助简化分 析模型，缩短分析时间。 3 ) 管道分段。长输管道风险水平沿长度方向是变化的，有必要按其工作 环境的不同对其进行分段计算，并根据计算结果按风险高低进行排序，以便 经济有效地利用管道维护资源。 4 ) 失效概率的计算。建立合理的模型，运用科学的方法计算各种风险因 素造成的管道失效概率。 5 ) 失效后果的计算。根据管道失效事故的不同类型( 火灾，爆炸，污染) ， 建立模型，量化事故后果，包括计算油气泄漏扩散量，人员伤亡数，财产损 失和环境污染程度和范围等。 6 ) 风险计算。风险就是失效概率和失效后果的乘积，常用于计算以下三 方面的风险：人身伤亡、经济损失和环境污染； 刀风险评估。详细分析风险后果，判断其是否满足各种风险指标的要求， 是否需采取适当措施进行风险的控制和管理； 8 ) 结论和建议。针对当前的风险状况能不能被接受，当前的管道监测和 检测水平符不符合要求，当前的紧急反应机制够不够完善以及现有的资源情 况，提出降低风险的建议和措施。 4 哈尔滨1 ：稃入学硕十学何论文 定量风险分析的目的是通过全面评估管道各个部位的风险水平，识别高 风险区，确定可能导致管道失效的主要因素，制定管道维护的策略，保证管 道维护活动的经济性，使得管道的完整性管理更加科学化。定量风险分析基 于严谨的数学和统计学方法，对可能发生的灾难性事故给出明确的发生概率 值和后果值，具有明确的物理意义，这给面临风险的管道的管理者以最敏锐 的洞察力。虽然对管道的风险分析已经引起了各方面越来越多的关注，也提 出了各种评价方法。但总的来说，定量风险评价在长输油气管道上的应用还 是一个新领域，在国内尤其如此。 1 2 2 国外的研究现状 风险分析管理技术始于2 0 世纪7 0 年代美国核动力工业，9 0 年代逐渐形 成，在航空、航天、石油化工、压力容器和油气管道行业得到了广泛的应用。 风险分析在其研究发展历史上经历了定性分析、半定性半定量分析和定量分 析三个阶段。其具体分析方法从简单到复杂分为三种：风险矩阵法( r i s k m a t r i x ) 、概率分析法( p r o b a b i l i s t i cr i s ka s s e s s m e n t ) 及风险指数法( r i s k i n d e x i n g ) 或专家评分法【。 关于管道的风险分析，国外进行了近4 0 年的研究，取得一定的成绩，已经 实现了由安全管理向风险管理的过渡，由定性风险分析向定量风险分析的转 化，风险分析已逐步规范化 2 1 。如1 9 8 5 年美国b a t e l l ec o l u m b u s 研究院发表了 风险调查指南，在管道风险分析方面运用了评分法；1 9 9 2 年，美国w k e n t m u h l b a u e r 撰写了管道风险管理手册( p i p e l i n er i s km a n a g e m e n tm a n u a l ) ) ) ， 目前该书已更新到第三版。在该书中，k e n t 根据自己多年的经验，系统地阐 明了管道风险分析的相关重要概念，总结了各种分析方法的优缺点，并重点 描述并采用了半定性半定量分析方法风险指数法( r i s ki n d e x i n g ) 或专家 评分法。这本书可以说是是美国在前2 0 年开展油气管道风险评价技术研究工 作的成果总结，为世界各国普通接受且作为开发风险评价软件的唯一依据。 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i - 加拿大从2 0 世纪9 0 年代初开始油气管道风险评价和风险管理技术方面 的研究工作。1 9 9 3 年，在加召开的管道寿命专题研讨会上，与会人员就“开 发管道风险评价准则、开发管道数据库、建立可接受的风险水平、开发风险 评价工具包和开展风险评价教育”等研究课题达成共识。1 9 9 4 年，加成立了 能源管道风险评价指导委员会，并明确该指导委员会的工作目标是促进风险 评价和风险管理技术应用于加拿大管道运输工业的阶段的实现【3 】。 英国健康与安全委员会在管线风险管理项目研究中，研制出m i s h a p 软 件包，用于计算管线的失效风险，并取得了实际应用。另外，英国煤气公司 为其管道系统风险评估开发出t r a n s p i p e 软件包，在输入运行数据后研估 出该地区的个体风险和公共风险等，并以f n 曲线表示输出。1 9 8 4 年，公 司将运用此软件包作出的评价报告提交给国家“健康与安全部”，有效地解决 了英国工程学会制定的t d 1 标准与“健康与安全部”所定标准之间的条款冲 突。该软件包代表了风险评估的当时水平，目前已在更新数据模式和扩大计 算范围方法得到进一步完剖引。 挪威于1 8 6 4 年成立了挪威船级社，它是一家专业风险管理服务机构。目 前，该机构针对管道风险分析和完整性管理的各个方面已经研发出了多款软 件，并早已商业化，服务对象遍布全球。在使用过程中为其客户带来巨大的 利润。比如d n v 研发的“o r b i t + p i p e l i n e ”软件，这是一款功能强大的管道 完整性管理软件，已经在多年的使用过程中不断地被更新完善。 1 2 3 国内的研究现状 在国外将风险分析应用到管线维修和管理过程中取得巨大经济效益和社 会效益的同时，1 9 9 5 年，我国的一些管道工程技术专家也开始注意到国外关 于管线风险技术的发展，并逐步介绍到国内【4 l 。此后，风险分析在管线安 全性评价中的应用研究才开始得到部分油田企业重视。 目前看来，油气管道风险分析的主要对象是陆上管道，而海底管道与立 6 。1 。_ 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 管风险分析则刚起步。国内，在管道的风险分析方面的研究也是近几年 始，在海底管道与立管风险分析及完整性管理实际工程应用方面还未见 开报道。 1 3 问题的提出 海底管道风险分析和完整性管理是一项非常复杂的系统工程，涉及多个 学科的交叉，对理论知识的要求比较高，因此，本文不可能面面具到地深入 研究。下面从风险定义的三个方面来谈其重要性和目前的研究方法及其局限 性，然后确定本文的研究重点。 ( 1 ) 海底管道什么会失效? 就是要进行风险辨识，找出管道失效的影响 因素和失效事故的发生过程。这是风险分析最重要的步骤，是进行后续失效 。 概率计算，失效后果计算，风险评估和风险控制管理的基础。只有明确了管 道失效事故发生的具体原因和过程才能简化问题，有针对性地建立模型进行 分析；才能找到降低风险的着手点，实现保证管道完整性的总目标。进行风 险辨识最常用的方法是故障树分析法，该方法灵活、直观逻辑性强，通过计 算基本事件的概率及其重要度系数，易于实现管道风险的定量分析和帮助进 扛 行完整性管理决策。 ( 2 ) 海底管道的失效概率是多大? 就是在风险辨识的基础上，采用适当 的方法计算各种因素造成管道不同分段失效的概率，并进行分析比较，找出 管道主要的失效原因和失效位置。目前，计算管道最有效，最可靠的方法是 利用数据库的统计结果进行分析；再就是在有充分的数据情况下，简化问题， 建立数学模型进行计算：在数据不足或没有任何数据的情况下用专家评分法 对管道失效概率问题进行半定性半定量分析。目前，在国外专家评分法是比 较成熟的办法，但该方法需要征求具有丰富海底管道工程经验的专家，而我 国尚缺乏这样的条件，因此建议引进国外的数据库进行分析，然后根据具体 管道的相关数据建立数学模型对数据库结果进行修正，以达到工程应用的目 7 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 的。 ( 3 ) 海底管道的失效后果怎么样? 就是建立模型或利用已有的软件对管 道事故进行模拟，就算管道失效造成的财产损失，人员伤亡和环境污染情况 等。管道失效后果的模拟和计算存在很多对不确定性，现有的一些计算方法 和模拟软件【5 h 9 l 都只能对一些特定的场景进行计算，如爆炸模拟，火灾模拟， 泄漏量和泄漏速度的模拟等等。不但因为具体环境的不同而存在很大的误差， 而且都不能对事故后果的全过程，即从泄漏，扩散，点燃到最后爆炸或燃烧， 进行全面的分析。 基于风险的管道完整性管理的任务就是要在风险分析的基础上，采取适 当的手段控制风险水平，保证管道的安全性。那么主要从两方面着手，一是 降低风险概率，一是降低风险后果。而控制风险概率要比等事故发生后采取 措施要积极有效得多。因此，考虑到上面的因素和局限性，本文主要分析和 研究海底管道风险鉴别和失效概率的定量计算方法，以及基于失效概率分析 的完整性管理方法。 1 4 本文工作要点 考虑到定量风险分析和管道完整性管理工作的复杂性以及各方面的局限 性，本文的主要工作将集中在海底管道风险鉴别和失效概率计算方面。首先， 研究建立了海底管道失效故障树，并分析了其在管道定性和定量风险分析上 的应用方法。然后基于数据库和数学模型计算海底失效故障树基本事件概率 的方法，分析研究不同管道分段的主要失效因素及其造成管道失效的概率值 的参考范围。最后研究建立两种最主要的因素腐蚀和抛锚冲击- 造成 管道失效的概率的数学计算模型，并对模型的可靠性进行了论证。 具体的研究内容可以分为以下几点： 1 ) 介绍和应用故障树分析方法，建立较全面的海底管道失效故障树； 2 ) 分析基于故障树进行风险鉴别和定量风险计算的方法，并分析进行风 r 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 险管理决策的依据； 3 1 引进英国的p a r l o c 海底管道数据库，并进行分析，找出海底管道 主要的失效因素和高风险区域，对数据库的统计结果进行处理得出各 种因素导致不同管道失效概率的参考值； 钔基于结构可靠性方法建立海底管道腐蚀失效概率的数学计算模型，并 进行参数讨论和可靠性论证； 5 ) 基于管道的坠物冲击模型建立管道抛锚冲击失效概率的数学计算模 型，并进行参数讨论和可靠性论证。 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第2 章海底管道风险的故障树分析 2 1 故障树简介 故障树分析法简称f f - r a f a u l tt r e ea n a l y s i s ) ，是一种图形演绎法。它以 系统事故为故障树的顶事件，用规定的逻辑符号自上而下分析导致顶部事件 发生的所有可能因素直至找出事故的基本原因，即故障树的基本事件为止。 一方面，通过对故障树的定性分析，可以找出系统的薄弱环节，从而为制定 预防措施提供依据。另一方面，如果知道基本事件的产生概率，按照概率统 计的计算方法就可以实现对顶事件失效概率的定量计算。 该方法是1 9 6 1 年由美国贝尔电话实验室h a w a t s o n 提出的1 1 0 l ，己在 很多方面得到应用，如1 9 6 1 年贝尔实验室首先将f t a 应用在民兵导弹发射 控制系统的可靠性研究中，并获得成功；1 9 6 5 年波音公司在系统安全年会上 正式发表了故障树分析的应用成果，引起科技人员的重视。到1 9 7 4 年美国原 子能委员会发表的核电站安全评价报告中，主要的分析技术就是可靠性工程 中的事件树分析和故障树分析，并且在以后的核电站概率风险评价技术的发 展中起到了里程碑的作用。 由于该方法具有简明、灵活、直观等优点，已被应用到管道的可靠性分 析中来。用该方法对油气管道进行危害识别，能够找出可能导致事故发生的 初始因素，通过对各因素间的逻辑关系的描述，发现和查明系统内各种固有 的或潜在的危险因素，找出系统的薄弱环节，从而为事故原因的分析和制定 预防措施提供依据。 2 2 故障树分析标准符号 故障树分析法是一种图形演绎法，因此需要用到一些表示逻辑关系的专 门符号、时间符号以及基本术语。一般采用布尔代数符号表示逻辑门的类型。 1 0 哈尔滨- t ：稗大学硕十学位论文 下面介绍一下有关的符号和术语。 顶事件：通常为系统最不希望出现的事故( 如破裂和穿孔) ，位于故障 树的顶端，可形象理解为“树根”。 中间事件：又称故障事件，它位于顶事件和底事件之间，并紧跟一个逻 辑门，可形象理解为“树枝”。 底事件：位于树的底部，可以形象理解为“树叶”。 故障树分析图中的标准符号详见表2 1 。 表2 1 故障树分析标准符号 名称逻辑符号描述名称逻辑符号描述 与门表示仅当或门表示至少一 l 与门 套 所有输入事件 或门 佘 个输入事件发生 发生时，输出事时，输出事件就 件才发生发生 顶端事件 li 故障树的顶事故障树的中间事 i 件 组合事件 l 一件 基本事件 6 故障树的底事 如果需要，还可 件 基本事件 进一步分析底事 件 输入事件 转移事件，来自 卅 转移事件，转移 另一个故障树 输出事件 至另一个故障树 2 3 海底管道故障树的建立 根据故障树顶端事件的概念，即系统最不愿出现的灾害性事故，可选择 “管道泄露”为海底管道故障树的顶端事件。顶端事件是故障树分析的起点和 主体。确定顶端事件应针对分析对象的特点，抓住主要的危险( 事故状态) ， 按照一种事故编制一个树的原则进行具体分析。 根据此原则，以“管道泄露”作为顶端事件进行分析，可以找到引起管道 泄露最直接的原因就是管道破裂和穿孔。这两个原因中任何一个出现均会导 致管线失效。然后再以这两个原因为次顶事件，采用类似方法继续深入分析， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直到找到代表各种故障事件的基本事件为止。图2 1 为油气管线的故障树示 意图，表2 2 为该故障树对应的基本事件列表，该故障树共考虑7 3 个基本事 件。 该故障树的设计参考了许多国内外资料【3 】【1 1 】【2 1 1 1 2 4 1 ，尽量考虑了所有海底 管道可能遇到的威胁。风险分析或管理者可以根据管段实际情况增加或删除 事件。 表2 2 海底管道故障树基本事件表 序号事件序号 事件序号事件 1 法律制定f i 健全 2 6存在应力集中5 1海底地震 2法律执行不严2 7存在残余应力5 2海底滑坡 3对法律的认识不够2 8工作压力过大5 3海啸 4社会关系处理4 i 当2 9弯矩过大5 4台风 5巡线频率过低3 0运营规程有误5 5 海浪 6巡线员责任心不强3 1通讯系统失效5 6海流 7搬警系统不好3 2安全设备故障5 7海底地貌不平 8恶意破坏3 3运营人员责任心不强5 8海流冲刷 9炸鱼 3 4运营监督检查不力5 9管道跨越设计 1 0拖网冲击3 5无最低要求文件 6 0泥沙含量 1 1抛锚冲击3 6基本知识掌握不够6 1管道流体速度 1 2坠物冲击3 7应急演习 6 2管道弯曲半径 1 3沉船3 8岗位操作规程有误6 3防腐层破坏 1 4管材选择和管子设计不合理3 9知识掌捉测试不严6 4阻腐剂失效 1 5管道埋深过浅 4 0无再培训计划6 5清管效果差 维护设备差 阴极保护失效1 6线路标志不明4 16 6 1 7管道安金教育4 2维护文件不全6 7海水腐蚀 1 8c 0 2 含量4 3维护人员责任心不强 6 8土壤腐蚀 施工监理不严 生物腐蚀1 9h 2 s 含量4 46 9 2 0管内积水4 5机械损伤7 0防腐绝缘层缺陷 2 1温度4 6管件缺陷未发现7 1水泥防护层缺陷 2 2盐度4 7管段问错口大7 2制造监理不严 2 3细菌含量4 8焊接缺陷7 3加工质量差 2 4腐蚀检涓 4 9防腐层破损 2 5管道材料抗腐蚀性差5 0管道储运过程中损坏 注：表中斜体加黑的部分表示需要进一步分析的因素，底事件的排列顺序并没有必然的题序 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 图2 1 ( a ) 海底油气管道故障树 1 3 哈尔滨+ 程大学硕十学位论文 图2 1 ( b ) 海底油气管道故障树 1 4 哈尔滨r j 警大学硕十学位论文 2 4 海底管道故障树定性分析 2 4 1 基本认识 编制故障树的根本目的就是找出造成管道失效的一切潜在因素和管道失 效过程，以便分析找出管道失效的主要原因，提高计算管道失效概率的效率 和准确性。通过编制故障树，可以得出如下基本认识【3 】。 ( 1 ) 从故障树结构上看，从顶端事件向下有许多层次，层次距离顶端事 件越近，则在那一层上的事件只要一发生，就可能导致事故的发生，其危险 性越大；而距离顶端事件越远的层次，其危险性相对较小。 ( 2 ) 由于“与门”下面所连接的事件必须同时发生才能有输出，因此能起到 控制的作用。而“或门”下面所连接的任何事件只要一发生，都能有输出，因 此，“或门”只是一个通道，下面所连接的事件只要一个发生，上一层的事件 就会发生，不能起到控制作用，危险性大。事故树中“或门”越多，危险性就 越大。 ( 3 ) 从故障树的结构还可以看出，中间事件虽然距顶端事件近，但其本 身并不是独立的因素，而是受到若干原因事件的影响，所以要控制和防止顶 端事件的发生，应从基本事件着手采取措施。 ( 4 ) 顶端事件以“或门”和几个中间事件相连时，任何一个中间事件发生， 顶端事迹都会发生，因此要特别注意频率高的中间事件。 2 4 2 求最, j , l l j 集 故障树定性分析的主要任务是求出故障树的全部最小割集。 所谓割集就是凡能导致故障树顶事件发生的基本事件的集合。最小割集 是割集组合中的一些特殊集合。指系统中没有其他割集发生的条件下，只有 割集中所有基本事件同时发生，顶端事件才发生：割集中任何基本事件不发 生，则顶端事件都不发生。 1 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ir 最小割集在一定程度上代表系统的危险性大小。一般来说，包含基本事 件个数少的最小割集比包含基本事件个数多的最d , f f u 集容易发生，这就使我 们抓住重点，控制包含事件少的最小割集中的基本事件发生。 本文采用下行法( f u s s c l i ) 法求解最小割集。其基本原理是从顶事件开始， 由顶向下进行，依次把“门”的输出事件用输入事件替换，经过“或门”时输入 事件竖向写出，经过“与门”输入事件横向列出，直到全部“门”事件均置换为 基本事件为止，所得到的全部竖向排列的项就是故障树的割集。再利用集合 运算规则( 布尔代数定型) 加以简化、吸收，则得到全部最小割集。表2 3 是根 据图2 1 分析得到的全部最小割集。 由表2