输气管道的危险性分析及对策措施研究-安全工程课程设计.doc

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吉林化工学院

安全系统工程课程设计

题目：

输气管道的危险性分析及对策措施研究

教学院环境与生物工程学院

课程名称安全系统工程

专业班级安全工程1002

学生姓名赵亚威

学生学号10360227

指导教师陶冉冉

起止日期：

2013年5月13日-5月30日

前言

我国天然气工业从60年代起步，天然气开发和输送主要集中在川渝地区。

经过几十年的的建设和发展，盆地内相继建成了威成线、泸威线、卧渝线、合两线等输气管道以及渠县至成都的北半环输气干线，已形成了全川环形天然气管网，使川东、川南、川西南、川西北、川中矿区几十个气田连接起来，增加了供气的灵活性和可靠性。

进入90年代后，随着我国其它气田的勘探开发，在西部地区先后建成了几条有代表性的输气管道，如陕甘宁气田至北京（陕京线）、靖边至银川、靖边至西安的输气管道，鄯善到乌鲁木齐石化总厂的输气管道及正建的涩北-西宁-兰州输气管道。

1995年我国在海上建成了从崖13-1气田到香港的海底输气管道。

据不完全统计，到1997年，我国已建成了近1×104km的输气管道。

随着总长4000km的西气东输工程的建设，我国天然气管道建设已进入了一个高速发展时期。

I

摘要

从输气管道存在的一天起就伴随着各种或大或小的危险性事故，其中分析过后可知这些事故的致因大致可分为三大因素，分别为：

腐蚀、施工和材料缺陷、第三方破坏三大原因，而其中腐蚀还可分为内腐蚀与外腐蚀两小项，施工和材料缺陷可分为施工质量与制管质量两小项。

分别探讨三大危险性因素并通过事故树定量分析对管道安全运行的影响并从理论和工程角度提出了预防和控制燃气输管道事故的对策和建议。

关键字：

输气管道；腐蚀；施工和材料缺陷；第三方破坏；事故树分析

31

目录

1.绪论.....................................................1

1.1输气管道相关事故在国内外的状况............................................................1

1.2本文研究的内容和方法...............................................................................3

1.3分析研究的意义............................................................................................3

2.输气管道的危险性定性分析..................................................................4

2.1输气管道概况................................................................................................4

2.2管道危险事故原因分析.................................................................................................4

2.3.管道危险性PHA分析...........................................................................10

3.事故树建立及定量分析.........................................................................13

3.1事故树简介.......................................................................................................................13

3.2输气管道危险性事故树的建立...............................................................................14

3.3事故树的定量分析.........................................................................................................23

4.预防输气管道发生危险事故的对策措施..............................................27

5.结论.................................................................................................................................29

参考文献.....................................................................................................30

1.绪论

1.1输气管道相关事故在国内外的状况

1.1.1造成危险的本质--管道失效

在工业生产上输气管道一般都是输送易燃易爆或有毒害气体例如天然气等，然而危险的发生往往伴其左右，这些危险的发生总与输气管道本体受到的一系列侵害有关，而这些侵害总量达到一定限度的时候管道就会被破坏，从而失效，导致危险事故的发生，现在我们就来仔细的研究一下造成危险的本质--管道失效。

产品丧失规定的功能，称之为失效。

对可修复产品，通常也称为故障。

①失效，译自英文单词“failure”，意思是达不到预期或需要的功能，另有译义“故障”、“失灵”、“不足”等。

在国内还有俗称“事故”、“损坏”等。

为避免混用，我国学者在年月召开的中国机械工程学会机械产品失效分析会议上，正式确定为失效。

在失效的定义中，产品是指企业进行生产活动所创造的、符合原规定生产目的和用途的直接生产成果，包括构件、元件、器件、设备及系统等，在失效分析领域特指产品中的成品。

功能是指产品的功用和用途。

可修复产品，特指当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可以恢复规定功能的产品。

在工程上，常常把各类产品的零部件、电子元件、仪表仪器等以及各种应用材料所构成的部件统称为零件，这类零件的失效含义通常包括三类情况

1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。

2）零件在外部环境作用下，部分失去其原有的功能，虽然能够工作，但已经不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸偏差过大等。

3）零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织结构已经发生变化，当达到一定的运行时间后，继续使用就有可能开裂。

美国《金属手册》中也指出，产品的零件处于下列三种状态之一时，即可定义为失效：

1）当它完全不能工作时

2）仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能时

3）受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。

传统意义上，零件失效一般指各向同性材料制成的零件的失效，以金属零件的失效为主。

而随着世纪复合材料的广泛应用，它已逐渐超过金属材料，在材料应用中占据了主导地位。

因此，复合材料的失效研究在近些年来得到了加强和发展。

复合材料的失效，又称复合材料破坏，指复合材料在经过某些物理、化学过程如材料老化、载荷作用及温度湿度变化等后发生了形状尺寸和性能的变化从而丧失了预定的功能。

由于复合材料属于各向异性的多相复合体，失效过程要比传统的各向同性材料复杂，并涉及各组分材料的性能、复合方式、工艺条件、界面性能、载荷性质与环境等综合因素，大多数情况下，复合材料的失效是凡种失效模式同时存在的。

1.1.2国内外管道事故危险情况

管道运输作为国民经济的五大运输方式之一，具有高效率和低费用的特点。

我国长输油气管道总长度累计已达数万公里，在建和拟建的也有数千公里，在役的管道经过几十年的运行，多数已进人事故多发期，若有损坏，不仅影响国家的能源供应，而且可能造成严重事故，导致火灾及爆炸、中毒、环境污染等恶性后果，特别在人口稠密地区，此类事故往往会造成严重伤亡及重大经济损失，同时带来恶劣的社会及政治影响。

统计资料表明，油气管道第三方破坏是油气管道失效的主要因素之一。

据统计，迄今为止管道破裂裂缝最长的事故是1960年美国Trans-Western公司的一起输气管道脆性破裂事故。

这条管道管径30in（762mm），钢级X56，裂缝长度达13km；损失最惨重的一起事故是1989年前苏联乌拉尔山隧道附近的输气管道爆炸事故，烧毁两列列车，伤亡1024人（其中死亡约800人）。

根据美国OPSO（Office　of　Pipeline　Safety　by　theOperators）的统计结果[3~6]，自1985年至2003年，美国共发生天然气管道失效事故6300起，其中2300起有人身伤害，400起有人员伤亡。

近20年来，加拿大平均每年发生油气管道失效事故30～40起，欧洲每年发生13.8起。

在我国，油气输送管线失效事故也屡有发生。

1971年至1976年间，东北曾发生过3次输油管道破裂事故；1992年，轮库输油管道在试压时发生爆裂事故14次；1999年，采石输油管道在试压时发生爆裂事故12次；1971年至1990年的20年间，四川输气管网南干线发生失效事故108起，每次事故停输处理时间超过24h；1971年，威成线先后发生2次爆管事故（局部减薄）；1979年8月至1987年3月，佛纳线共发生12次爆管事故；1979年1月至1989年1月，佛两线共发生18次爆管事故；1970年12月至1995年1月，泸威线共发生14次爆管事故；1986年10月至1996年12月，达卧线共发生30次爆管事故（其中27次发生于环焊缝）。

我国现有长输油气管道线路复杂，投运时间长，管道及沿途不安全因素较多，为了能够发挥油气管道的综合效益，预防第三方破坏的发生，应采取切实可行的分析评价措施，以确保输气管道安全可靠的运行。

1.1.3管道危险性分析的发展现状

因为在现实工业生产中输气管道的危险性事故发生较多，所以针对其危险性或者更加细化的失效原因的分析也会有许多，于是对于本文也有较大启发。

《基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究》本文运用了事故树分析法来分析管道的危险性情况，找出了事故原因。

事故树分析法直观性强，灵活性好，不仅可反映系统内的事故因素关系，而且能反映出系统外部因素环境因素和人为差错等的影响。

不仅可以分析某些事故对系统的影响，还可以对导致这些事故的特殊原因进行分析。

《输气管道失效HCA模型的确定》文章中就用到了事件数分析法来分析输气管道失效的原因。

事件树分析室从一个起始事件开始，按事件的发展顺序考虑各个环节事件成功或是失败，预测各种肯可能结果的归纳分析方法。

适合于一些简单的事故分析，不适合过于复杂的是分析，特别是环节事件有交叉的。

《输气管道风险评价方法的应用及改进》文章中运用了层次分析法来分析管道出现的故障原因。

《天然气管道事故分析》本文直接的对管道事故进行分析，找出了引起管道事故的原因，没有运用其他的方法进行分析。

这种方法直接简单，运用于简单的事故分析，不适合深入的分析研究。

《基于数据分段相关和识别的管道泄漏检测与定位技术研究》本文运用了小波分析的方法去分析管道的事故原因。

小波分析是近年来迅速发展起来的一门适用于时变信号分析的数学工具。

小波分析由于可以在时间一频率域对信号进行多层分解，因此在信号处理上具有明显的优越性，利用小波分析去噪能明显地提高信噪比，容易识别出噪声信号，大大提高信号的可靠性。

小波分析是建立在泛函分析、调和分析、数值分析、逼近论和傅立叶分析等的基础上发展起来的新的时频分析方法，有着许多显著的优点。

《油气长输管道风险评价研究》本文就采用了故障树分析法即事故树分析法来分析管道事故风险的原因。

综上所述，本文是研究分析输气管道的危险性情况，事故树分析法直观性强，灵活性好，不仅可反映系统内的事故因素关系，而且能反映出系统外部因素环境因素和人为差错等的影响；不仅可以分析某些事故对系统的影响，还可以对导致这些事故的特殊原因进行分析。

所以本文选用事故树分析法来分析研究管道危险性。

1.2本文研究的内容和方法

1.2.1本文所研究的内容

①管道发生危险事故在国内外的情况，以及对管道危险性的分析研究情况；

②对输气管道危险进行分析，找出发生危险的主要原因；

③结合主要原因和实际情况构建事故树，对该管道进行定性的分析评价，识别和找出引起管道发生危险的主要影响因素，计算出事故树的结构重要度；

④根据计算出来的结果进行分析，根据结构重要度找出其主要原因的对策措施，对管道实施保护。

1.2.2分析研究的方法

本文采用的分析研究方法是事故树分析法。

事故树分析作为工程系统可靠性分析与评价的有效方法，为输气管道失效分析提供了一种有效手段，该方法具有简明、直观、灵活的特点，适于工程中管道的失效分析。

应用事故树分析输气管道失效，识别引起管道失效的主要影响因素，并采取相应的处理措施，提高输气管道的可靠性，延长管线的使用寿命。

1.3分析研究的意义

危险性分析着眼于整个存在危险的系统工程分析，是转失败为成功的科学。

作为科学技术进步的强有力杠杆，其意义和作用主要有如下几个方面：

①危险性分析可以避免和预防相关事故可能造成的巨大经济损失和灾难性事故，提高设备零件的安全性。

通过危险性分析，能够明确相关事故的模式，找出发生危险的原因，采取改正或预防措施，避免了同类情况的事故再次发生，或者把产品的失效限制在可接受的规定范围内。

②通过危险性分析找出事故原因，将其反馈到管道生产企业，可促使生产企业采取针对性的生产改进措施，有助于管道质量和可靠性的不断提高。

③对于重大事故，以危险性分析的科学结论作为评判依据对重大事故进行分析处理，有助于分清具体事故责任，有效地防止了误判。

④通过危险性分析可正确有效地了解管道在使用条件下的情况，为旧管道原有技术规范及标准的修订，以及新管道的试制和新材料、新工艺、新技术的引入所需要的规范和标准的制订提供了科学依据。

在科学技术不断提高，生产不断发展的今天，为管道质量的不断提高提供了巨大的技术支持。

⑤危险性分析促进了材料科学与工程的发展，在其近代发展史上占据着重要地位。

可以说，材料科学的发展史实际上就是一部失效分析史。

2输气管道的危险性定性分析

2.1输气管道概况

管道输送是天然气主要输送方式之一，由油气田井口到最终用户，历经矿场集气、净化、管道、压气站、配气站以及调压计量等，形成了一个统一密闭的输气系统。

输气管道一般按其输送距离和经营方式及输送目的分为三类：

一是属于油气田内部管理的矿场输气管道，通常称为矿场集气管线；二是隶属某管道输送公司的干线输气管道，通常称为长距离输气管道；三是由原城市煤气公司投资建设并经营管理的城市输气管道，通常称为城市输配管网。

到目前，全国近2万千米输气管道中，三分之一左右集中在四川省。

此外，在个油气田也相继修建了一批输气管道。

分布在大庆、辽河、吉林、华北、胜利、大港、中原、长庆、新疆等油气田的天然气和油田气输气管道，总长度超过5000千米，这些管道的技术水平与四川省内管线水平相近。

其中，中沧线是中国第一次才用燃气轮机驱动离心机压缩机输送有天伴生气的输气管道，全长362千米，管径426毫米，输送压力2.5兆帕，横跨河南、山东、河北3省12个县市，全线设压气首站、末站和调压计量站各1座，中间清管3座。

濮阳-开封输气管道，在穿越黄河施工中，首次使用水平的定向钻，在黄河河底27米处实施一次成功，穿越长度1380米。

2.2管道危险事故原因分析

输气管道在运行过程中，受到内外腐蚀、工况条件变化、外界干扰以及第三方破坏的影响，致使部分管段受到一定的侵害从而管道部分失效.这直接影响着气体的输送和管道的使用寿命。

大量现场调查结果表明，管道发生发生事故的主要形式为开裂和穿孔。

导致管道产生危险事故的因素众多，应对长输管道系统进行可靠性分析，找出管道的主要危险形式、发生危险机理，进而在管道的生产、使用中采取相应的措施以提高长输管道的可靠性和使用寿命。

2.2.1严重腐蚀因素造成的分析

输气管线是一项耗资很大的永久性工程，一般要求在不加维修的情况下，可连续使用20-30年（海底管线的立管、上岸管的易损部分除外）。

因此，对于管内腐蚀介质严重侵蚀以及管外来至环境腐蚀严重的输气管道来说，腐蚀就成为影响管线使用质量的一个重要因素了。

腐蚀和防腐是一对矛盾，为了防止因腐蚀造成输气管道的失效，不仅要研究管线金属的腐蚀机理，还要研究腐蚀的措施，只有全面分析这对矛盾的两方面，才能是输气管线，不会因腐蚀而造成危险性事故，从而保证输气管线长期持久地安全可靠运行。

腐蚀是以电-化学作用造成的材料损失为表征，并导致管道各种形状的壁厚减薄，使管道具有某种缺陷。

腐蚀既可以发生在管道的内部也可以发生在管道的外部。

就外部环境而言，是管道（材料）与周围环境（介质）发生的化学、物理化学、电化学作用，导致管道的局部或整体的破坏。

管道内部的腐蚀是发生在管道材质与所运送的介质（气、水等）之间的化学、电化学作用，由于介质的不同，其腐蚀情况也有很大差别。

腐蚀的原因可能是：

①管线内腐蚀

输气管线的管内含有油、气、水等介质，因而形成管线内部的腐蚀，其主要原因如下。

1）氧和水引起的腐蚀

无论陆地还是海底管线，氧和水都是引起管线内部腐蚀的主要原因。

钢管金属中含有Fe，它和水作用，再加O2作为活化剂，通过化学反应，生成三氧化二铁，并放出H2，从而引起输气管线腐蚀。

2）硫和细菌引起的腐蚀

无论陆地还是海底管线，如是在输气管线中含有硫及硫化物时，则由于硫化铁的生成，并在管线内氧气的作用下，长生腐蚀物，如管线内还存在一种细菌，在此生存条件下，它可以利用硫酸盐类进行繁殖。

管内含有硫化铁与氧气反应生成硫酸盐类，又在还原菌和氢气的作用下，即可产生出腐蚀生成物四氧化三铁。

总之，在硫和细菌的作用下，使输气管线内部的腐蚀不断加剧。

②管线土壤腐蚀分析

土壤腐蚀是输气管线的管外腐蚀的主要来源。

管道外腐蚀主要由土壤腐蚀、防腐绝缘层失效和阴极保护失效引起。

土壤对管线的外部腐蚀，及化学腐蚀，又有电化学腐蚀。

化学腐蚀主要与土壤中所含机质，各类盐类对金属的腐蚀性有关。

电化学腐蚀是因为土壤是一种导电介质，因而含水的土壤有电解溶液的特性，从而在不均的土壤中，构成原生电池，而产生电化学腐蚀。

防腐绝缘层失效主要是管线在运输过程、储运过程、铺设过程和挖掘过程而引起的。

阴极防护失效主要在对管线的设计、使用和维修的过程造成的。

①防腐措施失效分析

通过上面的分析已知，输气管道无论是管内还是管外，其腐蚀都是管线产生危险的一个重要因素。

因此，为了解决输气管道的腐蚀问题，工程曾采取了不少的防腐措施，以减少或抑制腐蚀，如常用的一次保护系统（防腐绝缘层）和二次保护（阴极保护）等措施，均却得了良好的效果。

但是，由于种种原因，防腐系统本身也会损坏，而且由于防腐系统的损坏，同样，也会造成管线的损坏，影响输气管道的失效，分为管内防腐措施和管外防腐措施两大类。

1）管内腐蚀措施

（1）内壁涂层。

内涂层由于时间久了自动脱落或是内涂层的质量差，有的为了减少成本甚至没有涂防护层，这样内部腐蚀就进一步加快了。

（2）使用阻蚀剂。

阻蚀剂是抑制腐蚀的化学药剂，他应该针对管线内输送流体的不同性质以及流体的所处的状态，而选用不同的用量少、效果好、廉价的药剂。

2）管外腐蚀措施

无论是陆上还是海底的输气管道，一般对于管线外防腐绝缘层（一次保护）与阴极保护（二次保护）两种方法并用的措施，而且很有效。

（1）防腐绝缘层

主要应选好防腐绝缘材料，一般均应沥青。

但是对热的管线，因沥青是热塑性材料，受热后强度降低，在水和土壤的压力作用下，易变形或流淌而堆积在管线下方，故常是在防腐绝缘层外面，再包上一层混疑土保护层，加以保护，以提高耐久性。

（2）防腐涂层的损伤

前面已经介绍过了，输气管道无论是管道内部还是外部，普遍均采用了防腐涂层的损伤势必使管线收到腐蚀，以致失效。

a.管线外部涂层损坏的类型

管线内部涂层损坏的类型有：

粘结、无孔，粘结、有孔，剥离、无孔，剥离、有孔。

b.管线外涂层损坏的原因

储运过程。

管线在安装的不适当储存与运输会造成涂层伤，但是若能实行可靠性管理于储运过程中，则可以避免损伤。

铺设过程。

这时，如管线移动或回填填料不慎，均有可能使涂层受损。

运行过程。

这段管线处于服役阶段，因动载荷造成管线的失稳以及连续性的破坏，使管线涂层遭受破坏。

挖掘过程。

在维修管线时挖掘作业不慎，也常会使管线防腐涂层受损。

c.管线内部图层损坏的原因

管线内部涂层的剥落，主要是由于管线内流体流动所引起的振动造成。

因为振动是持久的，故防腐涂层的剥落也是渐进的。

而且管内流体引起的管线振动，这不仅影响管线的内部涂层，而且也对管线外部涂层有影响。

（3）阴极保护

这个措施，采用的是牺牲阳极法或外加电流法均可，可根据陆上或海底管线的实际情况，加以选用。

2.2.2管材缺陷分析

管材缺陷将导致管道整体强度降低，这为管道腐蚀的发生创造了条件，直接影响管道运行的可靠性。

因此应加强管材质量检查，提高制造工艺水平，建立规范的施工质量检测制度，严格遵守施工操作规范及有关技术标准，避免在施工过程中由于外力造成管材缺陷。

主要包括管材初始缺陷和施工缺陷。

①管材初始缺陷

管材的初始缺陷主要有管材在加工的时候质量差而出现的问题、管材在搬运的时候不当出现的问题、管材的选择不当而出现的问题和管材的机械性能差。

机械损伤破坏：

主要是指由于机械原因造成的破坏。

包括在管道的搬运、装卸等过程中给管道造成的损伤。

尤其在反复交变载荷的作用下，管道将发生疲劳破坏。

主要是金属的低周疲劳，其特点是应力较大而交变频率较低。

在几何结构不连续的地方和焊缝附近存在应力集中，有可能达到和超过材料的屈服极限。

这些应力如果交变地加载和卸载，将使受力最大的晶粒产生塑性变形并逐渐发展为细微的裂纹。

随着应力周期变化，裂纹也会逐步扩展，最后导致破坏。

管道往往由于下列原因而产生交变载荷