本科畢業(yè)論文長(zhǎng)輸管線設(shè)備安裝缺陷與故障處理

1、<p>　　肀薃蕿蚇膂莆蒅蚆芅薂螄蚅羄蒞蝕蚄肆薀薆螄腿莃蒂螃芁膆螁螂羈莁螇螁膃芄蚃螀芅葿蕿蝿羅節(jié)蒅螈肇蒈螃螈膀芁蠆袇節(jié)蒆薅袆羂艿蒁裊肄蒄蕆襖芆莇螆袃羆薃螞袂肈蒞薈袂膁薁蒄袁芃莄螂羀羂膇蚈罿肅莂薄羈芇膅薀羇羇蒀蒆羆聿芃螅羆膁葿蟻羅芄芁薇羄羃蕆蒃肅肆芀螂肂膈蒅蚈肁莀羋蚃肀肀薃蕿蚇膂莆蒅蚆芅薂螄蚅羄蒞蝕蚄肆薀薆螄腿莃蒂螃芁膆螁螂羈莁螇螁膃芄蚃螀芅葿蕿蝿羅節(jié)蒅螈肇蒈螃螈膀芁蠆袇節(jié)蒆薅袆羂艿蒁裊肄蒄蕆襖芆莇螆袃羆薃螞袂肈蒞薈袂膁薁蒄袁芃

2、莄螂羀羂膇蚈罿肅莂薄羈芇膅薀羇羇蒀蒆羆聿芃螅羆膁葿蟻羅芄芁薇羄羃蕆蒃肅肆芀螂肂膈蒅蚈肁莀羋蚃肀肀薃蕿蚇膂莆蒅蚆芅薂螄蚅羄蒞蝕蚄肆薀薆螄腿莃蒂螃芁膆螁螂羈莁螇螁膃芄蚃螀芅葿蕿蝿羅節(jié)蒅螈肇蒈螃螈膀芁蠆袇節(jié)蒆薅袆羂艿蒁裊肄蒄蕆襖芆莇螆袃羆薃螞袂肈蒞薈袂膁薁蒄袁芃莄螂羀羂膇蚈罿肅莂薄羈芇膅薀羇羇蒀蒆羆聿芃螅羆膁葿蟻羅芄芁薇羄羃蕆蒃肅肆芀螂肂膈蒅蚈肁莀羋蚃肀肀薃蕿蚇膂莆蒅蚆芅薂螄蚅羄蒞蝕蚄肆薀薆螄腿莃蒂螃芁膆螁螂羈莁螇螁膃芄蚃螀芅葿蕿蝿羅節(jié)蒅螈肇

3、蒈螃螈膀芁蠆袇節(jié)蒆薅袆羂艿蒁裊肄蒄蕆襖芆莇螆袃羆薃螞袂肈蒞薈袂膁薁蒄袁芃莄螂羀羂膇蚈罿肅莂薄羈芇膅薀羇羇蒀蒆羆聿芃螅羆膁葿蟻羅芄芁薇羄羃蕆蒃肅</p><p>　　油氣儲(chǔ)運(yùn)本科畢業(yè)論文</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 長(zhǎng)輸管線設(shè)備安裝缺陷與 </p><p><b>　　故障處理 </b></p><p>

4、　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： 10030174 </p><p>　　院（系）： 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院成人部 </p><p>　　專業(yè)年級(jí)： 10屆儲(chǔ)運(yùn)本 </p><p>　　聯(lián)系

5、方式： </p><p>　　完成時(shí)間： 2013-1-1 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　管道運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的這些年來，事故發(fā)生率較高，其中不乏惡性事故，后果嚴(yán)重，包括經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡，引起了社會(huì)的強(qiáng)烈反響。

6、因此，管道系統(tǒng)的后期管理，可靠性分析及維護(hù)和搶修也引起來自了各方面的重視。發(fā)展和完善這些技術(shù)刻不容緩。</p><p>　　對(duì)管線失效事件類型和后果的分析強(qiáng)調(diào)出在如何有效的控制有關(guān)危險(xiǎn)中，預(yù)防是最重要的。管道的維護(hù)和搶修中最主要基本點(diǎn)是在對(duì)歷史事故數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上進(jìn)行不同管道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及確認(rèn)。本文借鑒其它管道系統(tǒng)的事故原因，列出了管道類型初步分類應(yīng)考慮的條件和面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)管道類別應(yīng)該有區(qū)別的劃分:比如天

7、然氣管道和輸送有危險(xiǎn)液體介質(zhì)的管道。因?yàn)椴煌悇e的管道有不同的性質(zhì)和危險(xiǎn)程度。同一管道系統(tǒng)，不同管段也應(yīng)該有所劃分，這樣才能準(zhǔn)確了解各薄弱環(huán)節(jié)，分別輕重緩急，掌握減少風(fēng)險(xiǎn)工作的最佳時(shí)機(jī)，將風(fēng)險(xiǎn)因素控制在管理者容許的范圍之內(nèi)。</p><p>　　故障樹分析是適合用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和安全分析的一種技術(shù)。應(yīng)用故障樹分析的原理建立了基于破裂和穿透兩種失效形式的長(zhǎng)輸油氣管線故障樹，對(duì)故障樹進(jìn)行定性分析，求出最小割集

8、，識(shí)別了引起管道失效的主要影響因素。故障樹分析法從本質(zhì)上講還是一個(gè)容易進(jìn)行定量計(jì)算的定性模型。因此，可以以此模型進(jìn)行管道定量風(fēng)險(xiǎn)分析。</p><p>　　長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中由于缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此利用模糊故障樹分析法對(duì)長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)進(jìn)行分析。以長(zhǎng)輸管線主要風(fēng)險(xiǎn)因素故障樹為模型，采用三角模糊數(shù)表示事件發(fā)生的概率，計(jì)算管道失效概率，并將模糊重要度分析的新方法一中值法引入長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)的故障樹分析中來，給出了計(jì)

9、算方法及步驟，并用模糊重要度法對(duì)故障樹基本事件進(jìn)行排序。為處理長(zhǎng)輸管線故障樹中的模糊問題提供了一種研究思路。</p><p>　　運(yùn)行中的油氣管線是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中部分信息己知，部分信息未知，因而可以將它看作是一個(gè)灰色系統(tǒng)。同樣以長(zhǎng)輸管線主要風(fēng)險(xiǎn)因素故障樹為模型，運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論中的灰關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行故障樹診斷的綜合分析。通過進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算及排序，對(duì)各種故障模式發(fā)生的可能性大小做出了判斷，從而為處理事故的輕

10、重緩急、控制事故的發(fā)生、改進(jìn)系統(tǒng)可靠性和安全性提供了理論依據(jù)。</p><p>　　得出結(jié)論，提出觀點(diǎn):應(yīng)該首先借鑒國(guó)內(nèi)外已有數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)，將管道分類分段細(xì)化，建立每個(gè)管段的獨(dú)立簡(jiǎn)化故障樹。再進(jìn)行定性定量分析，以找出薄弱管段，危險(xiǎn)因素，以及提高系統(tǒng)可靠性需要注意的基本事件危險(xiǎn)程度大小和排序，為管道的管理運(yùn)行提供具體的數(shù)據(jù)理論基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:長(zhǎng)輸管道；隱患；風(fēng)險(xiǎn)；圖形結(jié)合；

11、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；模糊</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 概 述1</p><p>　　1.1 研究目的……………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………………………………………………………2</p><p&g

12、t;　　1.3 本文研究的內(nèi)容和成果……………………………………………………9</p><p>　　第2章 計(jì)算過程10</p><p>　　2.1 沿程壓降……………………………………………………………………10</p><p>　　2.2 流態(tài)判別公式—貝克分流法………………………………………………11</p><p>　　2.3 液相

13、為非牛頓流體時(shí)剪切速率的確定……………………………………11</p><p>　　2.4 計(jì)算步驟……………………………………………………………………12</p><p>　　第3章 圖文結(jié)合研究………………………………………………………………12</p><p>　　3.1故障樹分析法 ……………………………………………………………12</p>&l

14、t;p>　　3.2長(zhǎng)輸管線故障樹的建立 …………………………………………………14</p><p>　　3.3定性分析 …………………………………………………………………15</p><p>　　第4章 定量分析………………………………………………………………… 17</p><p>　　4.1模糊故障樹定量分析 ……………………………………………………28

15、</p><p>　　4.2討論 ………………………………………………………………………20</p><p>　　第5章結(jié)論…………………………………………………………………………20 </p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………21</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………

16、……………………………22</p><p><b>　　第1章 概 述</b></p><p>　　礦場(chǎng)氣液混輸管線的壓降計(jì)算，屬于多相流問題。常溫輸送工況下的壓降計(jì)算只是它們的一個(gè)特例。壓降的大小不但與參數(shù)有關(guān)，而且與管道的幾何尺寸和多相之間所組成的流動(dòng)形式有關(guān)。</p><p>　　輸送溫度的大小對(duì)壓降起主導(dǎo)作用。由北三復(fù)線實(shí)驗(yàn)表明：液相

17、壓降與輸送溫度成反比，如列賓宗公式所示。氣液兩相流混輸管路溫度對(duì)壓降的影響比較復(fù)雜。輸送溫度小于70℃時(shí)，氣體分子間碰撞速度減緩，液相粘度增大較快，壓降隨溫度的減小而增大，液相對(duì)摩阻起主要作用。油氣比是決定流動(dòng)形態(tài)的重要因素，溶解氣的存在會(huì)使管路壓降減小。兩相在水平管中流動(dòng)時(shí)液相時(shí)，介質(zhì)與管壁的相互作用主要是液相來完成，且液相流速總是滯后氣相流速因此混輸管路壓降的大小主要受液相粘度的制約。在一定管道內(nèi)，輸量越大，管線越長(zhǎng)，或管徑越小，壓

18、降越大。</p><p>　　對(duì)于兩相流不同學(xué)者提出了不同的流型。這里主要以兩相介質(zhì)分布的外形據(jù)貝克分流法將其液兩相流分成7種形態(tài)：泡狀流、氣團(tuán)流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流。在前人工作的基礎(chǔ)上，李德選等人據(jù)貝克的這種分流法，判斷出流型取相應(yīng)的和值,自己總結(jié)了壓降的計(jì)算公式。</p><p>　　在李氏算法中，由于是常溫輸送對(duì)于全線的計(jì)算，為了簡(jiǎn)便起見忽略了溫度的影響統(tǒng)一使用平

19、均溫度值，并且采用氣液相混合物的平均流速。</p><p><b>　　1.1研究目的</b></p><p>　　在石油開采后，為了使油管中油、氣、水混輸管路處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，節(jié)省投資以提高輸送效率，有必要開展水平管中油、氣、水混合物流動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)壓降進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　油氣水三相混輸管廣泛應(yīng)用于石油、化工及其它相關(guān)的行業(yè)中

20、，尤其在油田開采過程中和采用油氣水三相混輸?shù)墓艿郎希捎谄淞鲃?dòng)特性和研究成果可以優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，降低管道造價(jià)，確保管道的安全運(yùn)行，因此對(duì)實(shí)際工程具有重要意義。</p><p>　　而混輸管路的常溫輸送工藝流程具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）簡(jiǎn)化井口，完善聯(lián)合站，中間不開口，節(jié)約能源，為原油穩(wěn)定、輕油回收、降低集輸系統(tǒng)油氣損耗創(chuàng)造了條件。</p><p>　　

21、（2）去掉了井口、計(jì)量站的加熱設(shè)備，節(jié)約能源，管理方便，有利用于安全生產(chǎn)。</p><p>　?。?）與加熱流程相比減少了工程量，可節(jié)省建設(shè)投資并降低成本。</p><p>　?。?）可使計(jì)量站內(nèi)流程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，減少局部壓降。</p><p>　　油田輸送管網(wǎng)的投資約占油田地面總投資的三分之一，輸送能耗約占生產(chǎn)總能耗的五分之二。所以說常溫輸送是充分利用地層能量，減少

22、能源消耗，節(jié)約投資，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。</p><p>　　在礦場(chǎng)技術(shù)工藝中實(shí)行常溫輸送，就是利用井口余熱、余壓對(duì)油水氣混合物進(jìn)行不加熱輸送。常溫輸送工藝不但節(jié)能、節(jié)資，而且是實(shí)現(xiàn)全密閉集輸工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　本文在對(duì)含水原油進(jìn)行大量研究，并整理出含水原油的流變參數(shù)與含水率的相關(guān)規(guī)律的基礎(chǔ)上，針對(duì)大慶油田原油集輸管道中油、氣、水多相流動(dòng)的壓降變化規(guī)律，

23、對(duì)原油集輸管道的水力計(jì)算進(jìn)行初步探討。利用李氏算法對(duì)大慶油田70口井及集輸實(shí)測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，對(duì)不同的含水率的原油輸送進(jìn)行了計(jì)算校核，并對(duì)貝克流型圖中的取值范圍進(jìn)行了擴(kuò)充以減少誤差。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1對(duì)流型的研究</p><p>　　在油氣水三相混輸?shù)墓苈穬?nèi)，學(xué)者們對(duì)流型的定義存在較大的分歧。部分人認(rèn)為

24、三相流的流型與兩相流的流型基本相同，兩相流的流型圖可以用于描述三相流如Baker流型圖。另一部分人認(rèn)為三相流的流型較多影響因素復(fù)雜，兩相流的流型劃分或者流型圖不能用于判斷三相流。</p><p>　　對(duì)于三相流，早在1955年，Sobocinski就研究了油氣水三相流，發(fā)現(xiàn)在低流量下三相分層流動(dòng)，而在高流量下出現(xiàn)了分散流，因而提出了劃分三相流型的觀點(diǎn)。隨后，對(duì)三相流型的劃分進(jìn)行大量研究并取得了較快的進(jìn)展。<

25、/p><p>　　1992 年，美國(guó)的Acikgoz和Lahay等學(xué)者發(fā)布了油氣水三項(xiàng)流流型和體積含氣率的研究成果。根據(jù)油基和水基的不同，他們提出并劃分了油基分散氣團(tuán)流、油基分散段塞流、油基分散分層流、油基分散分層/波浪流、油基分離分層/波浪流、油基分離波狀分離—環(huán)狀流、油基分離/分散分離—環(huán)狀流、水基分散段塞流、水基分散段塞流、水基分散分層/波狀流、水基分離/分散分層—環(huán)狀流和水基分散分層—環(huán)狀流10種流型。<

26、;/p><p>　　在上述工作的基礎(chǔ)上，建立了水平管中油氣水三相流的流型圖。由于涉及油基和水基的變化，因此油氣水三相流流型之間的過渡和氣液兩相流也不同，顯得更加復(fù)雜。</p><p>　　1993-1996年，美國(guó)俄亥俄大學(xué)以Jepson為首的課題連續(xù)撰文,論述了他們?cè)谟蜌馑矫娴难芯砍晒?，包括流型、壓降、分層流液膜厚度和段塞頻率等內(nèi)容。他們將流型劃分成三類7種，即分層流（包括分層光滑流、分層

27、波浪流和波浪流）、間歇流（包括氣團(tuán)流、段塞流和你段塞流）和環(huán)狀流。通過比較他們發(fā)現(xiàn)Taitel/dulker(1976)流型劃分法不能預(yù)測(cè)三相流的流型變化。三相流與氣液兩相流相比，隨著油相的增加，段塞流在較低的液速下出現(xiàn)，這明顯的反映了液相的組成對(duì)流型的過渡的影響。</p><p>　　1997年，Hewitt等學(xué)者在高壓多相流設(shè)備上進(jìn)行了三相流的試驗(yàn)，研究了流型、壓力梯度和相分率。對(duì)于油氣水三相流動(dòng)，他們依照有

28、水和氣液關(guān)系劃分了8種流型，類似Acikgoz提出的流型稱謂，觀察到了油基分離環(huán)狀流，給出了不同壓力下的三張流型圖。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，壓力的增加使得分層流的區(qū)域擴(kuò)大。由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，雖然從表面上看與Acikgoz的流型相似，但觀察的結(jié)果并不符合Acikgoz的流型圖，存在相當(dāng)大的差別。</p><p>　　1998-1999年，吳浩江、李斌和周芳等學(xué)者對(duì)水平管中的油氣水三項(xiàng)進(jìn)行了流行分析，以新的術(shù)語定義了水平

29、管中油氣水流動(dòng)的7種流型（見表1）。為了簡(jiǎn)化流型的劃分，對(duì)油水之間的關(guān)系采用了分離和彌散兩種形式加以描述。 </p><p><b>　　表1 流型圖</b></p><p>　　2000年，周云龍等人發(fā)表了油氣水三相流流型的研究成果。試驗(yàn)采用壓降變化判斷液相是油包水（W/O）型還是水包油型（O/W）型，并在保持氣相流量和液相總流量不變的條件下，增加了含水率，使流

30、型從W/O轉(zhuǎn)變到O/W型。由于三相流的流型比兩相流復(fù)雜，除了常見的氣液兩相流流型外，還出現(xiàn)了一些新的流型。以油包水（W/O）和水包油（O/W）型劃分了以下流型。</p><p>　?。?）油包水型（W/O），包括泡狀流、分層流、波狀分層流、氣彈狀流和環(huán)狀流。</p><p>　　（2）水包油型（O/W），包括泡狀流、平滑分層流、波狀分層流、彈狀流和環(huán)狀流。</p><p

31、>　　在此基礎(chǔ)上，建立了含水率為0.25、0.5、0.75時(shí)的流型圖，理論模型與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。</p><p>　　氣液兩相流的研究是一個(gè)經(jīng)典的研究課題。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者作了大量的研究。國(guó)外早在20世紀(jì)初就已經(jīng)開展了石油工業(yè)油氣多相規(guī)律的研究，他們主要研究了兩相流的分類、流型圖、管內(nèi)壓降的分布、管內(nèi)壓降的分布、溫度場(chǎng)的分布、不同流型下?lián)Q熱規(guī)律、氣—液兩相間的傳質(zhì)、傳熱規(guī)律。1949年洛克哈特（Lochart

32、）和馬蒂內(nèi)利（Martinelli）最先提出了水平管中壓降的一般規(guī)律。它是早期應(yīng)用較廣一種計(jì)算方法。</p><p>　　1945-1967年間，貝克（Baker）發(fā)表了一系列有關(guān)油氣混輸管道壓降計(jì)算的文章。Baker 所寫的“石油和天然氣”中對(duì)管線中的多相流進(jìn)行了闡述。貝克認(rèn)為在計(jì)算兩相流壓降前應(yīng)先判斷流型。</p><p>　　1960年，休斯頓大學(xué)的杜克勒等從1960年開始進(jìn)行了較大

33、規(guī)模的兩相流研究。通過大量的收集資料和相似原理的應(yīng)用，他們提出了計(jì)算水平氣液兩相流壓降的新方法。</p><p>　　1967年，Orkiszewski推廣了Griffith-Wallis的工作方法，建立了翻蓋所有流型的垂直管兩相流壓降計(jì)算方法。泡狀流用Griffith方法，段塞流中的密度用Griffith-Wallis方法，摩阻壓力梯度用Orkiszewski的方法，段塞流與霧狀流的過度區(qū)和霧狀流均用Duns-

34、Ros方法。</p><p>　　Orikiszewski采用了Hagedorn的原始數(shù)據(jù)，并定義了一個(gè)隨液體類型、黏度和管徑、流速的變化的系數(shù)，這個(gè)系數(shù)稱為液體分布系數(shù)T。他認(rèn)為液體分布系數(shù)T隱含說明了這一物理現(xiàn)象，即段塞流中的液體分布為液塞、氣泡周圍的液膜和氣泡中的液滴。這些液體分布的變化都將改變總的摩擦損失，這種摩擦損失基本上由液塞和液膜來決定。當(dāng)氣泡舉升速度為零時(shí)，流型變成霧狀流。這種方法使Griffit

35、h-Wallis的段塞流計(jì)算延伸到高流量范圍。</p><p>　　1972年，Aziz-Govier-Fogarasi在Govier等人研究的基礎(chǔ)上，提出了比Duns-Ros更確切、簡(jiǎn)單的流動(dòng)型態(tài)分布圖。這種分布圖流型轉(zhuǎn)變界限明確，有表達(dá)式，計(jì)算機(jī)處理方便。通過這種型態(tài)圖識(shí)別流型被證明是較好的方法之一。</p><p>　　Aziz等人是從氣液兩相流動(dòng)機(jī)理分析出發(fā)，得出泡狀流和段塞流壓降

36、計(jì)算方法的。在泡狀流中，擴(kuò)散在連續(xù)油中的小氣泡以及混合物的運(yùn)動(dòng)，反映了泡狀流的特征，氣液相的密度差異使氣泡的速度比液相速度和整個(gè)氣液混合物的平均速度更快。在段塞流中，流量的增加使大量的小氣泡碰撞，合并成帽狀氣泡，即泰勒氣泡，氣泡間液體的運(yùn)動(dòng)形成了段塞。</p><p>　　Aziz-Govier-Fogarasi在密度和摩擦損失項(xiàng)中，通過氣液兩相分離作用，引入當(dāng)?shù)貧庀囿w積因素。顯示了Aziz相關(guān)式與均相流動(dòng)模型在

37、方法上的差異。這種方在理論上是合理的，已成為石油工業(yè)界廣泛接受的方法之一了。</p><p>　　1974年，格雷戈里（Gregory）、曼德漢（Mandhane）和阿濟(jì)茲（Aziz）使用曼德漢等的流型分布圖確定流態(tài)，總結(jié)出了不同流態(tài)下最佳計(jì)算方法。</p><p>　　1976年,泰特爾（Taitel）和杜克勒對(duì)水平和接近水平的氣液兩相管流進(jìn)行分析，得出了很巧妙的模型。</p>

38、;<p>　　1981年,穆賈沃（Mujawar）和饒（Rao）發(fā)表了題為“水平管中氣體—非牛頓液體兩相流動(dòng)”的文章。他們對(duì)洛克哈特—馬蹄內(nèi)利相關(guān)規(guī)律加以改進(jìn)，將其擴(kuò)展到氣體—非牛頓兩相流動(dòng)，并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，推導(dǎo)出了所有流動(dòng)區(qū)域壓降和持液率的計(jì)算公式。</p><p>　　1982年,法魯齊（Farooqi）和查理森（Rechardson）發(fā)表了題為“光滑管中空氣—液體（牛頓型和非牛頓型）的水平

39、流動(dòng)”的文章，報(bào)告了他們的實(shí)驗(yàn)研究。流變指數(shù)N關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了團(tuán)狀流和持液率計(jì)算公式。</p><p>　　1984年,查哈布拉（chhabura）和查理森在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)氣體—非牛頓液體兩相流動(dòng)的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了深入研究。發(fā)表了題為“水平管中氣體和非牛頓流體兩相流動(dòng)共流時(shí)流動(dòng)形態(tài)的預(yù)測(cè)”的文章。文中指出，流體的物理性質(zhì)對(duì)流動(dòng)形態(tài)的影響甚微，所以可把氣體—牛頓液體兩相流動(dòng)的研究成果直接應(yīng)用到氣體—非

40、牛頓流體兩相流。同年起，Bendisksen等人開始一直致力于兩相流態(tài)模擬計(jì)算的研究，在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了綜合的組分分相流水力模型。</p><p>　　1985年，Sharma對(duì)氣液兩相流動(dòng)中的沖擊流型專門進(jìn)行了研究，建立了計(jì)算模型，用于模擬沖擊流動(dòng)過程中的兩相流現(xiàn)象。</p><p>　　1989年,泰特爾和杜克勒等人針對(duì)慢瞬變流工況，假設(shè)氣液流動(dòng)中氣體處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，液相的動(dòng)量方程采用穩(wěn)

41、態(tài)形式，建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)液相連續(xù)性方程和三個(gè)穩(wěn)態(tài)方程組成的模型，此模型可用于解決所有流型的計(jì)算。它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，可以得到穩(wěn)定的數(shù)值解。缺點(diǎn)是不能處理復(fù)雜問題，結(jié)果不很精確。</p><p>　　1990年，Scott等人對(duì)水平或微傾斜管線段塞流的特征參數(shù)作了研究，建立了新的數(shù)學(xué)模型，可用于分析段塞流流型的氣液兩相流動(dòng)。</p><p>　　1994年，Henau等人對(duì)管道內(nèi)沖擊流型進(jìn)行了

42、深入的研究，在假設(shè)基礎(chǔ)上建立了沖擊流的動(dòng)態(tài)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程及不同流型下的結(jié)構(gòu)方程，并采用了具有一階精度的半穩(wěn)式差分格式進(jìn)行數(shù)值求解。Pauchon等人建立了新的計(jì)算動(dòng)態(tài)氣液兩相流管路和井筒的模型，并提出了相應(yīng)的數(shù)值解法。 </p><p>　　我國(guó)是從70年代末開始廣泛研究多相流動(dòng)規(guī)律的。我院多相管流研究室在陳家瑯教授的指導(dǎo)下，使多相流動(dòng)研究水平處于國(guó)內(nèi)前列，先后提出了垂直管、水平管中多相流的壓力梯度計(jì)算公式

43、，包括綜合摩阻系數(shù)、流動(dòng)型態(tài)、流動(dòng)區(qū)域關(guān)聯(lián)壓力梯度和持液率的相關(guān)規(guī)律。</p><p>　　1.2.2 對(duì)壓降計(jì)算規(guī)律的研究</p><p>　　對(duì)于混合物的壓降的計(jì)算在1961年，Tek將雙液相處理為單液相，建立了用混合液體物性求解的壓降關(guān)系式。此后，對(duì)壓降進(jìn)行了大量的研究工作。例如，1970年，Schiliching利用現(xiàn)場(chǎng)管道研究了油氣水三相流，修正了Lockhart-Martine

44、lli計(jì)算方法。1971年，Galymov等人認(rèn)為，應(yīng)區(qū)別對(duì)待油水兩相液體，并發(fā)現(xiàn)混合液體有效粘度是液相體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。1972年，Bocharovd等人發(fā)表的油氣水三相流動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)油水乳狀液反相時(shí)，管道壓降達(dá)到最大值。</p><p>　　1974年，Guzhov等人將油氣水三相流試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與兩相流加以比較后指出，將穩(wěn)定油水乳狀液的性質(zhì)用于分析三相混合物的液相是不適應(yīng)的。1976年，Shean建立了流

45、型圖，并使用飄移流動(dòng)模型來計(jì)算垂直管中的三相流動(dòng)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，研究工作法上了較大的變化，突出表現(xiàn)在利用高水平的試驗(yàn)環(huán)道和先進(jìn)的儀器儀表進(jìn)行三相流體力學(xué)的試驗(yàn)研究，并取得了初步的成果。</p><p>　　1993年，Hill A R W 等人公布了對(duì)油氣水三相流動(dòng)的研究成果。他們對(duì)壓力梯度、截面含油率和含水率進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)于壓力梯度的測(cè)量，假設(shè)油水混合成均相，以油水平均性質(zhì)作為液相物性，使用氣液兩相流公

46、式進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，選擇Brinkman粘度關(guān)系式（式1-1）計(jì)算油水混合物的粘度時(shí)，由Beggs-Brill方法給出的壓力梯度得出的值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合；而對(duì)油氣水三相段塞流，推薦使用修正的Dukler-Hubbard公式，其計(jì)算結(jié)果比Beggs-Brill還要理想。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式 ——油水混合物的粘度，；

47、</p><p>　　——連續(xù)相的粘度，；</p><p><b>　　——體積含油率。</b></p><p>　　同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相的折算速度小于0.6時(shí)，其變化還將極大的影響段塞頻率。使用Hill-Wood 關(guān)系式（見式1-2）計(jì)算段塞頻率，其相對(duì)誤差只有8%，比較準(zhǔn)確。</p><p><b>　?。?

48、-2）</b></p><p>　　式中 ——段塞頻率，；</p><p><b>　　——管徑，；</b></p><p>　　——無因次液膜厚度，；</p><p><b>　　——?dú)庀嗔魉?，?lt;/b></p><p><b>　　——液相流速，。

49、</b></p><p>　　1994年，Stapelerg等發(fā)表了油氣水三相段塞流的研究成果。在建立段塞頻率和摩擦壓降的預(yù)測(cè)方法時(shí)，首先將三相流的Lockhart-Martinelli參數(shù)定義為油水兩相壓降與氣體壓降的比值，并給出了修正的Lockhart-Martinelli參數(shù)X的計(jì)算式，選用Tronconi關(guān)系式計(jì)算段塞頻率：</p><p><b>　　（1-

50、3）</b></p><p>　　式中 ——?dú)庀嗟拿芏龋?</p><p><b>　　——液相的密度，;</b></p><p>　　——液相高度，Lockhart-Martinelli修正參數(shù)X的函數(shù)，m。</p><p>　　他們使用激光技術(shù)測(cè)量了段塞頻率，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差小于氣液兩相流。假設(shè)油水

51、混合均勻，當(dāng)氣相流速在不大于3m/s情況下計(jì)算油氣水三相段塞壓降時(shí)，使用Dukler或者Aziz方法可以獲得理想的結(jié)果，但計(jì)算時(shí)必須知道段塞頻率。當(dāng)氣相流速較高時(shí)，需要確定段塞長(zhǎng)度，才能利用Aziz的方法計(jì)算壓降，此時(shí)平均誤差在20%左右。段塞長(zhǎng)度可以實(shí)測(cè)，也可以采用Aziz的推薦式（ls=30D）算。</p><p>　　1995年，Taitel Y 和 Barnea D 等著名學(xué)者對(duì)圓管中的分層流動(dòng)進(jìn)行了分

52、析，給出了解決油氣水三相分層流動(dòng)的理論方法，目的是為了計(jì)算水層和氣體的阻力。如果將這些值計(jì)算出來，許多其它關(guān)于液-液-氣的變量，例如流速、壓降和穩(wěn)定的準(zhǔn)則就可以計(jì)算出來。</p><p>　　1999年，張西民等人撰文發(fā)表了其研究成果，揭示了摩擦阻力壓降隨折算氣體、折算液體、油水混合物中含水率以及管徑的變化規(guī)律，并導(dǎo)出了計(jì)算油氣水三相流的分層流、泡狀流、間歇流、及環(huán)狀流的摩擦阻力壓降倍率公式。其中，使用了雙流體模

53、型來計(jì)算油氣水三相流體的真實(shí)密度。油氣水三相流體的真實(shí)密度為：</p><p><b>　?。?-4） </b></p><p>　　式中 ——三相流體的真實(shí)密度，;</p><p><b>　　——截面含氣率；</b></p><p>　　——?dú)怏w的密度，； </p>

54、<p>　　——液體的密度，。 </p><p>　　油水乳化液的密度公式為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中 ——含水率；</p><p><b>　　——密度，。</b></p><p>　　經(jīng)研究得出：這算氣速、

55、折算液速和含水率是影響水平管內(nèi)油氣水三相流摩擦阻力及壓降的重要因素，隨折算氣速、折算液速和含水率的增加，三相摩擦阻力壓降增大；管徑對(duì)水平管內(nèi)油氣水三相流摩擦阻力壓降有較大影響。</p><p>　　2000年，章龍江對(duì)水平管內(nèi)油氣水三相流的壓降公式進(jìn)行了深入細(xì)致的推導(dǎo)，確定了油氣水三相分層流動(dòng)的穩(wěn)定性準(zhǔn)則和三相段塞流發(fā)展條件的準(zhǔn)則，并對(duì)三相分層流、段塞流的壓降公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)。在給出油氣水三相分層流分類的基礎(chǔ)上

56、，使用一維三流體模型對(duì)具有代表性的流動(dòng)類型—包含油水乳狀液的分層流（氣體/（W/O）/（W/OW））進(jìn)行了分析求解，確定了相分率、壓降和其它流動(dòng)參數(shù)的計(jì)算方法，并提出了氣體/油相/（W/O或W/O/W）乳狀液混合層/水相的四相分層流模型，確定了混合層的組成和流速分布的關(guān)系式，使方程組閉合，給出了數(shù)值求解的結(jié)果。在借鑒氣液兩相段塞流的研究思路并充分考慮油水混合物特點(diǎn)的基礎(chǔ)山，提出了一個(gè)合理的油氣水三相段塞流水力學(xué)模型，建立了壓降計(jì)算方法。

57、</p><p>　　2001年，劉嘉和周芳德發(fā)表了油氣水三相流中復(fù)雜相態(tài)及壓力降的研究成果。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于油氣水三相流在三個(gè)測(cè)量段中可自由流動(dòng)可引起不同的液-液相態(tài)，致使對(duì)應(yīng)于相同的油、氣、水三相體積通量不同，三相流阻力損失存在多值性。對(duì)不同的液-液相態(tài)建立了與之相適應(yīng)的阻力損失計(jì)算模型。模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。</p><p>　　劉嘉和周芳德給出了理論情況下水平管中油氣水三

58、相彈狀流的單位長(zhǎng)度壓降，即</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中 ——壓力，；</p><p><b>　　——液彈長(zhǎng)度，m；</b></p><p>　　——液膜區(qū)長(zhǎng)度，m；</p><p><b>　　——圓周率；</

59、b></p><p><b>　　——管徑，；</b></p><p><b>　　——切應(yīng)力，；</b></p><p>　　——液膜的壁面切應(yīng)力，；</p><p>　　——液膜與壁面的接觸周長(zhǎng)，m；</p><p>　　——?dú)庀嗟谋诿媲袘?yīng)力，；</p>

60、<p>　　——?dú)庀嗯c壁面的接觸周長(zhǎng)，。</p><p>　　他們認(rèn)為，對(duì)應(yīng)于相同的油、氣、水三相體積通量，油氣水三相流可由流動(dòng)引起多種復(fù)雜的液-液相態(tài)，致使管道內(nèi)壁流體附面層物性不同，三相流體阻力損失存在多值性。對(duì)不同的液-液相態(tài)建立了與之相適應(yīng)的阻力損失計(jì)算模型，取得了較好的效果。 </p&g

61、t;<p>　　楊莜蘅與張國(guó)忠編寫的《輸油管道設(shè)計(jì)與管理》介紹了輸油管道的概況。油氣混輸管路的內(nèi)容在馮叔初，郭揆常，王學(xué)敏編的有石油工程出版社的《油氣集輸》一書中有所介紹。宮敬在《油氣儲(chǔ)運(yùn)》中也介紹了混輸技術(shù)與輸送的知識(shí)。混輸工藝中最重要的兩個(gè)參數(shù)就是持液率和壓降。隨著持液率的增大可用均相流模型進(jìn)行兩相流分析。對(duì)于兩相流壓降模型迄今未見有較為系統(tǒng)的研究成果。對(duì)于混輸管路的研究還是在探索階段，壓降計(jì)算的準(zhǔn)確率還只是停留在25

62、%左右。 </p><p>　　1.3本文研究的內(nèi)容和成果</p><p>　　本文依據(jù)李氏算法，根據(jù)兩相介質(zhì)分布的外形據(jù)貝克分流法將其液兩相流分成7種形態(tài)：泡狀流、氣團(tuán)流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流。在前人工作的基礎(chǔ)上，李德選等人據(jù)貝克的這種分流法，判斷出流型取相應(yīng)的和值,自己總結(jié)了壓降的計(jì)算公式。這里則借助C語言程序來計(jì)算大慶油田70口井的壓降，并與實(shí)測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、檢

63、驗(yàn)、評(píng)價(jià)、修正了氣液兩相管流的壓差。經(jīng)過對(duì)貝克分流法中的修正結(jié)果表明，應(yīng)用李氏算法對(duì)大慶地區(qū)的常溫輸送壓降進(jìn)行計(jì)算精確度提高了很多。</p><p><b>　　第2章 計(jì)算過程</b></p><p><b>　　2.1沿程壓降</b></p><p>　　根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮了生產(chǎn)參數(shù)，管道幾何尺寸，液相粘度，溶解油

64、氣比的影響推演出下述壓降經(jīng)驗(yàn)公式</p><p>　　式中 ——管線起點(diǎn)絕對(duì)壓力，；</p><p>　　——?dú)庖合嗥骄鶞囟龋妫?lt;/p><p>　　——管線氣液流起、止點(diǎn)溫度，℃；</p><p><b>　　——液相流量，；</b></p><p>　　——液相工況下的粘度（當(dāng)輸送溫度大于

65、凝固點(diǎn)時(shí)，直接查粘溫曲線得到；當(dāng)輸送溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)，由剪切速率Dr決定），;</p><p><b>　　——管線內(nèi)徑，；</b></p><p><b>　　——管線長(zhǎng)度，；</b></p><p>　　——摩阻系數(shù)、流態(tài)指數(shù)，由貝克分流法決定。</p><p>　　貝克分流圖像及不同流態(tài)的和值

66、分別見圖2-1及表2-1。</p><p>　　圖2-1 貝克流型圖</p><p>　　在管道中液體流量不變，氣體流量從小到大的條件下，七種流態(tài)發(fā)生的順序是：泡狀流、氣團(tuán)流、層狀流、波狀流、沖擊流（斷塞流）、環(huán)狀流、霧狀流。</p><p><b>　　表2-1 m與值</b></p><p>　　2.2流態(tài)判別公

67、式—貝克分流法</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中 ——液滴表面張力，；</p><p>　　、——?dú)庀?、液相重度，kN/m3；</p><p><b>　　其余符號(hào)同前。<

68、;/b></p><p>　　2.3液相為非牛頓流體時(shí)剪切速率的確定</p><p>　　對(duì)于任何流體，下式均成立</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中 ——剪切速率，。</p><p>　　根據(jù)本文對(duì)影響壓降因素的分析，假定集輸管路中液相∶</p

69、><p>　　為非牛頓流體時(shí)，呈假塑性，n<1，取n=0.93; </p><p>　　液相平均流速相當(dāng)于混合流速的2/5；</p><p>　　考慮溶解氣的影響，可使剪切速率增大1/6。</p><p>　　將假設(shè)的數(shù)值代入式（2-4）得∶ </p><p><b>　　(2-5) </

70、b></p><p>　　式中 ——兩相流混合流速，。</p><p>　　混合流速由下式?jīng)Q定 </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中 </p><p><b>　　(2-7)</b></p>

71、;<p><b>　　其余符號(hào)同前。</b></p><p>　　由實(shí)踐可知，運(yùn)用式（2-5）計(jì)算常溫輸送工況下的剪切速率，在沖擊流和環(huán)狀流、氣泡流、氣團(tuán)流都可以得到滿意的結(jié)果；而對(duì)于層狀流則偏小，這是因?yàn)閷訝盍鲿r(shí)液相的過流斷面直徑小于D的原因。</p><p><b>　　2.4計(jì)算步驟</b></p><p&

72、gt;　　（1）當(dāng)給定管路工況參數(shù)后，利用輸送溫度來判別液相屬于牛頓流體或非牛流體。</p><p>　　（2）當(dāng)液相屬于牛頓流體時(shí)，由溫度t查出此溫度下的液相粘度，利用式（2-2）判別流態(tài)，在表中查出、值，代入式（2-1）即可得出所要求的壓降值。</p><p>　?。?）當(dāng)液相屬于非牛流時(shí)，利用式（2-5）、式（2-6）計(jì)算液相剪切速率，再由溫度和查粘溫曲線找出此工況下的粘度，繼而利用

73、式（2-2）、式（2-3）、式（2-1）判別流態(tài)，計(jì)算壓降。</p><p>　　第3章故障樹分析研究</p><p><b>　　3.1故障樹分析法</b></p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p>　　故障樹分析(FTA)是適合用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和安全分析的一種技術(shù)。它是一

74、種圖形演繹法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。它把系統(tǒng)不希望出現(xiàn)的事件作為故障樹圖的頂事件，通過對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素)進(jìn)行分析，用規(guī)定的邏輯符號(hào)自上而下的由總體至部分，按樹枝狀結(jié)構(gòu)逐層細(xì)化，分析導(dǎo)致各事件發(fā)生的所有可能的直接因素，及其相互間的邏輯關(guān)系，并由此逐步深人分析，直到找出事故的基本原因，即故障樹圖的底事件為止。從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式和發(fā)生概率，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高系

75、統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　故障樹圖是一種邏輯因果關(guān)系圖，它根據(jù)元部件狀態(tài)(基本事件)來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)(頂事件)。一個(gè)故障樹圖是從上到下逐級(jí)建樹并且根據(jù)事件而聯(lián)系，它用圖形化“模型”路徑的方法，使一個(gè)系統(tǒng)能導(dǎo)致一個(gè)可預(yù)知的，不可預(yù)知的故障事件(失效)，路徑的交叉處的事件和狀態(tài)，用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯符號(hào)(與，或等等)表示。在故障樹圖中最基礎(chǔ)的構(gòu)造單元為門和事件。由于故障樹分析法是一種圖形演繹法，因而需要一些專門的表示

76、邏輯關(guān)系的門符號(hào)、事件符號(hào)以及基本術(shù)語，籍以表示事件之間的邏輯關(guān)系和因果關(guān)系。在建樹時(shí)要用到許多符號(hào)，在建樹之前簡(jiǎn)要介紹一下有關(guān)術(shù)語和本文所用的符號(hào)。</p><p>　　頂事件:所謂頂事件就是系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件，也就是要研究的事件。通常選擇系統(tǒng)最不希望出現(xiàn)的故障為頂事件，它位于故障樹的頂端把它形象地理解為“樹根”。</p><p>　　中間事件:又稱故障事件，它位于項(xiàng)事件和底事件之間，

77、并緊跟一個(gè)邏輯門表示，可形象地理解為“樹枝”。底事件:位于樹的底部。底事件可理解為“樹葉”。故障樹分析圖中的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，具體見表3.1</p><p>　　FTA技術(shù)實(shí)用于:系統(tǒng)的可靠性分析，可靠性特征量的定量計(jì)算;系統(tǒng)的安全分析和事故分析，尋找薄弱環(huán)節(jié)、制定預(yù)防措施;系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);系統(tǒng)部件的重要度分析;故障診斷和檢修表的制定。</p><p><b>　　應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀<

78、;/b></p><p>　　1961年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Watson博士首創(chuàng)了FTA技術(shù)，并成功的運(yùn)用于民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，60年代初，F(xiàn)TA在航空業(yè)中得到應(yīng)用，推動(dòng)了它的發(fā)展。從60年代初期到70年代，利用FIA定量分析有了迅速的發(fā)展，并且成為原子反應(yīng)堆，化學(xué)工廠等一些單位對(duì)可靠性、安全性有特別要求的系統(tǒng)不可缺少的分析方法之一。1974年由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Rasmussen領(lǐng)導(dǎo)的科研小組發(fā)

79、表了著名的WASH-14Q0關(guān)于壓水堆事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告的核心方法便是故障樹和事件樹分析方法的報(bào)告，在工業(yè)界產(chǎn)生極大的震動(dòng)。Vessely認(rèn)為，這是FTA逐步走向成熟的里程碑。目前，F(xiàn)TA己從宇航、核能，進(jìn)入一般電子、電力、化工、機(jī)械、交通乃至土木建筑等領(lǐng)域，科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員愈來愈傾向于采用FTA作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性和安全性的手段，用FTA來預(yù)測(cè)和診斷故障，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)運(yùn)行和維修，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。</p>

80、<p>　　我國(guó)的FTA技術(shù)引進(jìn)較晚。1980年首次介紹了FTA技術(shù)，F(xiàn)TA作為系統(tǒng)可靠性分析的有力工具，在航天、航空、核能、電子、化工等領(lǐng)域被相繼引用，大批學(xué)者和研究人員對(duì)其的開發(fā)，應(yīng)用作了廣泛的研究。如清華大學(xué)核能技術(shù)研究所研制的MFFTAAP多功能故障樹，航空航天部SO:研究所將R.R.Will。的FTAP程序消化移植到IBM微機(jī)上，便于推廣應(yīng)用。天津大學(xué)的陳金水教授于1989年提出了用矩陣進(jìn)行故障樹分析的新方法閉，

81、從而為故障樹的發(fā)展開辟了一條新的途徑。這一切都標(biāo)志著我國(guó)故障樹技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。</p><p>　　經(jīng)過近四十年的發(fā)展，F(xiàn)TA技術(shù)己經(jīng)有相對(duì)成熟的理論，并在許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。利用FTA，可以對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，求出系統(tǒng)的所有失效模式組合，確定系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件和重要度，反過來又可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)的可靠度分配等設(shè)計(jì)工作。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)故障樹的研究現(xiàn)狀，其應(yīng)用研究趨勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾方

82、面:故障分析方法的集成化，計(jì)算機(jī)輔助故障樹分析，模糊故障樹分析方法，基于FTA的故障分析專家系統(tǒng)等方法及應(yīng)用的研究。</p><p>　　本文將故障樹分析法應(yīng)用于長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)，進(jìn)行可靠性分析，首先需要建立長(zhǎng)輸管線故障樹。</p><p>　　3.2長(zhǎng)輸管線故障樹的建立</p><p>　　根據(jù)故障樹頂端事件的確定原則:根據(jù)可能發(fā)生事故的危險(xiǎn)程度，把對(duì)系統(tǒng)影響大的災(zāi)害

83、或事故作為分析對(duì)象，即頂事件。頂事件是故障樹分析的起點(diǎn)和主體。確定頂事件應(yīng)針對(duì)分析對(duì)象的特點(diǎn)，抓住主要的危險(xiǎn)(事故狀態(tài))，按照一種事故編制一個(gè)樹的原則進(jìn)行具體分析。</p><p>　　根據(jù)此原則，選擇“管道失效”作為頂端事件。而引起管道失效最直接原因就是管線斷裂和穿透，這兩個(gè)原因中任何一個(gè)出現(xiàn)均會(huì)導(dǎo)致管線失效。然后再以這兩個(gè)原因?yàn)榇雾斒录?，采用類似方法繼續(xù)深入分析，直到找到代表各種故障事件的基本事件為止。圖3-

84、2為油氣長(zhǎng)輸管線的故障樹示意圖，表3-2為該故障樹對(duì)應(yīng)的基本事件列表，該故障樹共考慮了84個(gè)基本事件。當(dāng)然，在進(jìn)行具體管線分析時(shí)可以根據(jù)管段實(shí)際情況增加或刪除事件。需要說明的是，由于篇幅和個(gè)人能力所限，這部分所做的研究主要是針對(duì)管道的主管本身。</p><p>　　3.3長(zhǎng)輸管線故障樹定性分析</p><p><b>　　基本認(rèn)識(shí)</b></p><

85、;p>　　從編制的故障樹中，可以得出如下基本認(rèn)識(shí):</p><p>　　(1)從故障樹結(jié)構(gòu)上看，從頂端事件向下有許多層次，層次距離頂端事件越近，則在那一層上的事件只要一發(fā)生，就可能導(dǎo)致事故的發(fā)生，其危險(xiǎn)性越大;而距離頂端事件越遠(yuǎn)的層次，其危險(xiǎn)性相對(duì)較小。</p><p>　　(2)由于“與門”下面所連接的事件必須同時(shí)發(fā)生才能有輸出，因此能起到控制的作用。而“或門”下面所連接的任何事件

86、只要一發(fā)生，都能有輸出，因此，“或門”只是一個(gè)通道，下面所連接的事件只要一個(gè)發(fā)生，上一層的事件就會(huì)發(fā)生，不能起到控制作用，危險(xiǎn)性大。事故樹中“或門”越多，危險(xiǎn)性就越大。</p><p>　　(4)頂端事件以“或門”和幾個(gè)中間事件相連時(shí)，任何一個(gè)中間事件發(fā)生，頂端事件都會(huì)發(fā)生，因此要特別注意頻率高的中間事件。</p><p><b>　　最小割集</b></p&g

87、t;<p>　　故障樹定性分析的主要任務(wù)就是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即求出故障樹的所有最小割集。割集(Cut sets)是指系統(tǒng)的一些底事件集合，當(dāng)這些底事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，頂事件必然發(fā)生。最小割集(Finimum cut set:若C= (X1, X2, X3,... Xn)是一個(gè)割集，而從C中任意移去一個(gè)元素就不再是割集，則稱C為一個(gè)最小割集。即指系統(tǒng)中沒有其他割集發(fā)生的條件下，只有割集中所有基本事件同時(shí)

88、發(fā)生，頂端事件才發(fā)生;害」集中任何基本事件不發(fā)生，則頂端事件都不發(fā)生。一個(gè)最小割集代表系統(tǒng)的一種故障模式。最小割集在一定程度上代表系統(tǒng)的危險(xiǎn)性大小，一般來說，割集階數(shù)(包含基本事件個(gè)數(shù))越少，其發(fā)生的可能性就越大，在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要。在分析系統(tǒng)的安全性與可靠性時(shí)，應(yīng)當(dāng)抓住重點(diǎn)，首先考慮那些發(fā)生概率相對(duì)較大或危害性大的小階數(shù)最小割集以及出現(xiàn)次數(shù)較多的底事件。</p><p>　　本文采

89、用下行法(Fussell)法求解最小割集。其基本原理是從頂事件開始，由頂向下進(jìn)行，依次把“門”的輸出事件用輸入事件替換，經(jīng)過“或門”時(shí)輸入事件豎向?qū)懗鼋?jīng)過“與門”輸入事件橫向列出，直到全部“門”事件均置換為基本事件為止，所得到的全部豎向排列的項(xiàng)就是故障樹的割集。再利用集合運(yùn)算規(guī)則(布爾代數(shù)定型)加以簡(jiǎn)化、吸收，則得到全部最小割集。表3.3是根據(jù)圖3.4分析得到的全部最小割集。</p><p>　　由表3.4可知，

90、該故障樹由16個(gè)一階最小割集、30個(gè)二階最小割集、8個(gè)三階最小割集以及41個(gè)六階最小割集組成。由于一般情況下，割集階數(shù)越小，其發(fā)生的可能J勝越大。因此，16個(gè)一階最小割集直接影響著系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。</p><p>　　管線失效的主要影響因素</p><p>　　根據(jù)對(duì)油氣管道故障樹以及最小割集的分析，可以看出引起管道失效的主要因素</p><p>

91、<b>　　有:</b></p><p>　　(1)第三方破壞。第三方破壞表示非管道職工所作的對(duì)管道系統(tǒng)的任何損壞或活動(dòng)，是外部干擾的主要形式。根據(jù)第二章所述，事實(shí)證明在1964-1995年中，西方眾多的管道事故中，外部干擾(主要指第三方破壞)占很大部分。我國(guó)情況類似，并且由于現(xiàn)在自由開發(fā)以及由于開挖導(dǎo)致的管道事故風(fēng)險(xiǎn)有所增加。尤其近幾年來，在油氣管道上打孔偷油偷氣的事件屢有發(fā)生，有些造成重

92、大事故。究其原因，與法律的健全和實(shí)施力度、人們對(duì)管道法規(guī)和管道安全的了解、周邊經(jīng)濟(jì)水平、以及政府的干預(yù)等因素都有很大關(guān)系。如2003年中央電視臺(tái)披露了中原油田采油廠周圍農(nóng)民打孔偷油、偷氣屢禁不止的</p><p>　　事情。通過對(duì)此事的了解，筆者發(fā)現(xiàn)其原因有:當(dāng)?shù)氐牡胤奖Ｗo(hù)政策、農(nóng)民的法律和公</p><p>　　共財(cái)產(chǎn)意識(shí)低、法律實(shí)施不得力、報(bào)警系統(tǒng)不靈敏、經(jīng)濟(jì)落后等。</p>

93、;<p>　　在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于線路標(biāo)志和巡線等因素，發(fā)生農(nóng)耕破壞管道的事故。在管道上方的違章構(gòu)筑物，在管道上方進(jìn)行違章施工，以及水流對(duì)管溝、管道的長(zhǎng)期沖刷，管道附近土層的運(yùn)移等都可能直接導(dǎo)致管線失效。管道上方車輛活動(dòng)過頻，或大型的地面設(shè)施使得管道負(fù)載過重造成失效。另外在一些政治時(shí)局動(dòng)蕩不安的國(guó)家，惡意破壞也是管道第三方破壞的重要方式。但由于我國(guó)時(shí)局穩(wěn)定、人民安居樂業(yè)，因此，雖然故障樹里提到此因素了，但實(shí)際上這方面的破壞

94、是可以忽略的。</p><p>　　(2)腐蝕，腐蝕包括外腐蝕和內(nèi)腐蝕兩個(gè)方面。外腐蝕主要影響因素是土壤腐蝕、防腐絕緣涂層失效、陰極保護(hù)失效、管材抗蝕性差等。內(nèi)腐蝕主要由天然氣中的硫化物酸性介質(zhì)引起。嚴(yán)重腐蝕將導(dǎo)致防腐絕緣涂層失效、管壁減薄、管線穿孔、甚至發(fā)生管線開裂。</p><p>　　(3)管材缺陷，包括管材初始缺陷和安裝缺陷。初始缺陷主要是由于管材制造加工、運(yùn)輸不當(dāng)造成的，如管道薄

95、厚不均、橢圓度差等。而安裝缺陷是在管段的安裝施工過程中形成，如防腐絕緣涂層質(zhì)量差、特別是焊接水平和焊接質(zhì)量差。管材缺陷的存在將直接導(dǎo)致管線整體強(qiáng)度的降低、為管線腐蝕的發(fā)生提供條件，直接影響著管線運(yùn)行的可靠性。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管材質(zhì)量檢查、提高制造工藝水平。建立嚴(yán)格的施工質(zhì)量檢測(cè)制度，選擇合適的焊接工藝。</p><p>　　(4)自然災(zāi)害，自然災(zāi)害的發(fā)生均直接對(duì)管道的破壞基本上都是毀壞性的。一旦自然災(zāi)害發(fā)生，都可能導(dǎo)致油

96、氣管道斷裂，引發(fā)火災(zāi)、噴射物引起破壞等大型事故，不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。因此要加強(qiáng)對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)，并做好防備。</p><p>　　很明顯，第三方破壞和腐蝕破壞是在役油氣管道的主要失效影響因素，但設(shè)計(jì)、誤操作、自然災(zāi)害以及相關(guān)人員的責(zé)任心等不確定因素也不可忽視。另外，還可以看出管子的抗蝕能力、巡線、法律規(guī)則的制約、腐蝕檢測(cè)、管子制造監(jiān)督及施工監(jiān)督等都對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)起到很大的控制作用，在我們制定風(fēng)

97、險(xiǎn)降低策略時(shí)也應(yīng)該考慮這些方面。</p><p>　　第4章長(zhǎng)輸管線故障樹定量分析及維護(hù)搶修</p><p>　　故障樹分析法作為一種系統(tǒng)可靠性分析方法，便于進(jìn)行定性分析，也可以進(jìn)行定量計(jì)算。但從本質(zhì)上講，它是一個(gè)可以容易進(jìn)行定量計(jì)算的定性模型。定性分析主要任務(wù)是尋找故障樹的全部最小割集(MCS )，即基本事件對(duì)頂事件產(chǎn)生影響的組合方式與傳遞途徑，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。用最小割集形式的結(jié)構(gòu)函

98、數(shù)來描述故障樹，清晰地表明了導(dǎo)致系統(tǒng)故障的所有組合清況。給基本事件賦予一個(gè)概率值來表征其發(fā)生故障的相對(duì)頻繁程度，計(jì)算出項(xiàng)事件(及中間事件)發(fā)生的概率以及各基本事件的相對(duì)重要程度(底事件的發(fā)生對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)，稱為底事件的重要度，就是定量分析的任務(wù)。</p><p>　　在長(zhǎng)輸管道故障樹分析中，如何找出最易發(fā)生的故障模式，不論是對(duì)于管道管理人員還是管道維修人員，都十分有意義。為了準(zhǔn)確性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本文在定量分

99、析中，采用模糊技術(shù)和灰色理論技術(shù)分別進(jìn)行分析，并將結(jié)果加以比較，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以期得出可靠性強(qiáng)的結(jié)論。</p><p>　　4.1模糊故障樹定量分析及維護(hù)搶修</p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p><b>　　隨機(jī)性與模糊性</b></p><p>　　客觀世界中存在兩類不確定性因素

100、:隨機(jī)不確定性和模糊不確定性。隨機(jī)不確定性，即事物本身有明確的定義，只是由于發(fā)生的條件不充分，從而事件的出現(xiàn)與否表現(xiàn)出不確定性;模糊性不確定性即事物的概念本身是模糊的，一個(gè)對(duì)象是否符合某個(gè)概念難以確定。模糊性主要是人的主觀理解上的不確定性，而隨機(jī)性則主要是客觀上的不確定性，或者是事件發(fā)生的偶然性。模糊性是客觀事物差異的中間過渡的“不分明”性或“亦此亦彼”性，它存在于對(duì)事件的某些狀態(tài)、現(xiàn)象、參數(shù)及它們相互關(guān)系的定義之中。對(duì)于存在主觀影響因

101、素較重、數(shù)據(jù)資料不完整等現(xiàn)象的不確定事件，適合于使用模糊方法來處理。在故障樹分析中引入模糊理論后，還應(yīng)充分考慮隨機(jī)性與模糊性的相互滲透這一客觀事實(shí)。關(guān)于模糊可靠性該從兩個(gè)角度考慮:</p><p>　?。?）·關(guān)于事件本身是清晰的還是模糊的:比如說，“部件1發(fā)生故障”這一事件就是清晰的;而“部件l有較大故障”就是模糊的。</p><p>　?。?）·關(guān)于事件發(fā)生的概率是

102、精確的還是模糊的:比如說，部件1發(fā)生故障的概率是"0.4”是精確的;而“部件1發(fā)生故障的概率在0.04左右”就是模糊的，實(shí)際上用模糊集描述了一個(gè)范圍。</p><p><b>　　整休思路</b></p><p>　　傳統(tǒng)的}I'A建立在布爾代數(shù)和概率論的基礎(chǔ)上，很好地解決了隨機(jī)不確定性問題。</p><p>　　但大型的復(fù)雜

103、系統(tǒng)中存在大量的模糊不確定性，要得到基本事件的精確概率很難。在長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)故障樹的分析計(jì)算中，導(dǎo)致系統(tǒng)失效(頂事件)的底部基本事件發(fā)生原因復(fù)雜，而且可能性也很小，很難確定其發(fā)生概率的準(zhǔn)確值，這便使得傳統(tǒng)的故障樹分析方法很難對(duì)長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)中不確定的因素用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型或公式來分析計(jì)算。模糊理論是處理上述問題的最佳工具，它能解決概率理論難以解決的問題。對(duì)于那些得不到發(fā)生概率精確值的底部事件，可以應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，認(rèn)為這些底部事件的發(fā)生概率是一

104、個(gè)模糊數(shù)，也就是用模糊概率來刻畫該系統(tǒng)及其組成單元的故障行為。所以，引入模糊理論和技術(shù)不僅具有重要的理論意義，而且也是實(shí)際工程的迫切需要。</p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了基于模糊數(shù)學(xué)理論的可靠性模型研究，主要有兩種思路:對(duì)故障樹的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模糊化，即模糊可靠性建模;對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行模糊化描述，即將故障的概率模糊化。</p><p>　　木文主要是基于第二種思路，把故障分

105、析法的優(yōu)點(diǎn)和模糊理論的特長(zhǎng)結(jié)合起來，構(gòu)成一種更行之有效的系統(tǒng)模糊故障樹診斷方法。即認(rèn)為發(fā)生故障這一事件本身是清晰的，但發(fā)生概率是模糊的。其中，對(duì)于故障樹基本事件隸屬函數(shù)的確定、模糊算子的選取、模糊重要度指標(biāo)函數(shù)的確定是關(guān)鍵問題。</p><p>　　本文借鑒了D.Singer的L-R型模糊數(shù)的理論方法，用三角模糊數(shù)來給出基本事件概率的可能性分布，應(yīng)用模糊重要度分析的一種新方法一中值法，來對(duì)基本事件進(jìn)行比較。這實(shí)現(xiàn)

106、了故障概率的模糊化，解決了難以獲得概率精確值的問題。故障樹中的系統(tǒng)失效與部件失效之間的邏輯關(guān)系依舊成立，最小割集等概念等仍然有效。這樣，模糊FTA的定性分析與傳統(tǒng)FTA的定性分析基本相同，只需要定義模糊故障樹與門和或門的模糊算子實(shí)現(xiàn)定量分析。</p><p>　　長(zhǎng)輸管線主要風(fēng)險(xiǎn)因素故障樹</p><p>　　本文第三章在危害識(shí)別的基礎(chǔ)上建立了長(zhǎng)輸油氣管線故障樹，失效的各類基本事件在該故障

107、樹圖中都可以找到，比較全面。但是由于具體每段管道的尺寸，所處地區(qū)、運(yùn)行周期和輸送介質(zhì)等具體情況并不相同，甚至差別很大。所以我認(rèn)為，針對(duì)在役管道，將所有基本事件的資料收集全面，進(jìn)行復(fù)雜的模糊定量分析是沒有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義的，而且，管道運(yùn)輸行業(yè)最缺乏的就是現(xiàn)有數(shù)據(jù)和資料，因此，這項(xiàng)工作至少對(duì)于我們是不太可能實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　因此，我們把第三章的長(zhǎng)輸油氣管線故障樹依照定性分析的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化，只將引起失效的主要

108、原因列出，建立主要風(fēng)險(xiǎn)因素故障樹，如圖4.2所示。進(jìn)行模糊分析。給出分析計(jì)算方法和步驟。</p><p>　　需要說明的是，主要風(fēng)險(xiǎn)因素故障樹中，加入了管道承壓能力低和管道嚴(yán)重憋壓兩個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素，這是因?yàn)槌サ谌降钠渌藶橐蛩?包括誤操作)所造成的不</p><p>　　利后果都會(huì)造成管材缺陷(包括材料缺陷和施工缺陷)，或者管道承壓能力低，或者嚴(yán)</p><p>

109、;　　重憋壓。而管材缺陷不只是由人為因素引起的，所以單獨(dú)列出。</p><p>　　當(dāng)針對(duì)具體管道是，可根據(jù)其具體情況，參照第二章表2.1中管道類型找出其的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，找出主要風(fēng)險(xiǎn)因素的基本事件，再因地制宜，收集相關(guān)資料，按照本節(jié)所述方法進(jìn)行模糊定量分析。</p><p>　　圖4.2中基本事件(主要風(fēng)險(xiǎn)因素)發(fā)生的概率依照文獻(xiàn)[56]中事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)其中事件“管道遭到人為破壞”及“管道抗