於孝春 賈朋美 張 興

1．南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 2．中國石油管道科技研究中心

我國城鎮(zhèn)燃氣管道始建于20世紀七八十年代，受資金、技術(shù)等影響，管道的改建及維護困難重重，而且每年不斷增加新管線，近幾年達到敷設(shè)的高峰期［1］。燃氣管道全生命周期的事故率服從“浴盆曲線”的規(guī)律，早期（半年以內(nèi)）和末期事故頻發(fā)［2］，目前我國燃氣管道大部分處于早期或末期階段；再者管線淺埋于人口密集的大街小巷，一旦出現(xiàn)事故后果影響十分嚴重。因此，迫切需要對燃氣管道進行風(fēng)險評價，將被動片面的事后響應(yīng)變?yōu)橹鲃尤娴氖虑邦A(yù)防，以保障其長期安全可靠運行。

城市燃氣管道的風(fēng)險取決于管道失效的可能性和事故后果的嚴重性［3］，為將燃氣管道事故的前因后果結(jié)合起來進行風(fēng)險評價，首次引入Bow－tie模型，將風(fēng)險分析中的故障樹和事件樹聯(lián)系起來。Bow－tie模型最早出現(xiàn)在澳大利亞昆士蘭大學(xué)關(guān)于帝國化學(xué)工業(yè)公司危害分析的課程講義［4］，隨后殼牌公司將其應(yīng)用于阿爾法鉆井平臺爆炸災(zāi)難分析中［5］，至今這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到一些重大事故。

燃氣管道設(shè)計、運行、維護、巡線及周圍環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)信息是風(fēng)險評價的基礎(chǔ)，由于歷史原因，許多管道的資料缺失，給管理和評價帶來困難。管道的風(fēng)險影響因素很多，這些因素很難用精確值去表示。故本文將模糊集的相關(guān)理論引入燃氣管道的風(fēng)險評價中，其整體結(jié)構(gòu)如下：首先借助模糊數(shù)確定燃氣管道泄漏的可能值；再結(jié)合模糊層次分析法對泄漏后果進行權(quán)重分配，通過專家小組評價后果等級；最后借助案例進行分析，建立了燃氣管道泄漏Bow－tie模型，最終得出評價結(jié)果，并給出相應(yīng)的改進建議。

1 風(fēng)險因素可能值的確定

1．1 模糊數(shù)表示的事件概率及運算

基于信息、模型以及人為因素的不確定性，事件發(fā)生的概率不宜使用精確值來表示，所以這里采用三角模糊數(shù)表示事件的概率值［6－7］，對事件的模糊性進行量化。三角模糊數(shù)可以用3個參數(shù)表示，記為A＝（a，m，b），其隸屬度函數(shù)用公式表示為：

式中A是指定論域x上的模糊集；μA（x）是指x對模糊集A的隸屬函數(shù)；m為模糊數(shù)A的均值；a、b分別為模糊數(shù)A的左右分布參數(shù)。

假設(shè)各事件相互獨立，故障樹中與門模糊算子為：

或門模糊算子為：

事件樹中的模糊算子為：

式中i為某一基本事件；n為事件的個數(shù)；k為某一結(jié)果事件。

將引起燃氣管道泄漏事件風(fēng)險分為11個等級［8］，相應(yīng)的語言變量及模糊數(shù)參照表1，語言變量可直觀表達風(fēng)險因素的相對重要性。

表1 以三角模糊數(shù)表示的事件風(fēng)險等級表

1．2 模糊概率的聚合

在專家評分過程中，每個專家根據(jù)各自經(jīng)驗來判斷不同事件的風(fēng)險等級，所以對于不同專家的評價結(jié)果，還需進行模糊概率的合并以及專家權(quán)重的分配。對于模糊數(shù)的聚合，這里利用加權(quán)平均數(shù)法［9］：

式中Pi是聚合后的模糊數(shù)；Wj是第j個專家的權(quán)重因子；Pi，j是第j個專家為第i個基本事件分配的模糊數(shù)；n為基本事件數(shù)目；m為專家個數(shù)。

1．3 將模糊數(shù)概率化

由于求得的結(jié)果事件都以模糊數(shù)表示，為了對比風(fēng)險的大小，需要將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的概率值，即FPS（Fuzzy Possibility Score）。在模糊集理論中，這個過程又叫解模糊化，這里是基于Chen和Hwang提出的模糊最大和最小集合方法［10］。該方法定義的最小及最大模糊集分別為：

則模糊數(shù)的左、右模糊可能值為：

則模糊數(shù)A的模糊概率值由以下公式求得：

最后為了保證所有事件的真實概率和模糊概率之間的一致性，還需要將模糊可能值轉(zhuǎn)化為模糊失效概率FFR（Fuzzy Failure Rate）［11］：

其中k＝ ［（1－FPS）／FPS］1／3×2．301。

2 燃氣管道泄漏后果分析

當(dāng)燃氣管道發(fā)生泄漏后，會給人員、財產(chǎn)、環(huán)境及社會帶來不同程度的影響。其后果就從人員、財產(chǎn)、環(huán)境及社會4方面來考慮，具體受影響因素參照圖1。

圖1 燃氣管道泄漏后果圖

2．1 確定各后果因素的權(quán)重系數(shù)

應(yīng)用本文參考文獻［12］中的模糊層次分析法，可得到第一級主因素，U＝｛A1、A2、A3、A4｝的優(yōu)先關(guān)系矩陣：

式中A1表示人員傷亡、A2表示財產(chǎn)損失、A3表示環(huán)境后果、A4表示社會后果。

應(yīng)用本文參考文獻［12］中的公式求得權(quán)重為（W人員傷亡，W財產(chǎn)損失，W環(huán)境后果，W社會后果）＝（0．4，0．1，0．3，0．2），同理求得第二級因素的權(quán)重（表2）。

表2 各后果因素權(quán)重表

2．2 確定燃氣管道泄漏的后果等級

基于點火時機及空間大小限制，燃氣管道泄漏表現(xiàn)出不同的形式，如爆炸、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放等，不同形式造成的后果有輕有重，因此將后果等級也進行了分類（表3）。

3 燃氣管道泄漏案例分析

如某市某段燃氣管線穿越多條河流、公路、水塘，經(jīng)過綠化帶和農(nóng)田，管道上方植被較多，街道沿線人口密集，車輛來往頻繁，多條高壓線橫跨上方。通過對該段管線綜合評估及開挖檢測，得出腐蝕、第三方破壞、不合理設(shè)計及誤操作是引起管道失效的主要原因。

表3 以三角模糊數(shù)表示的后果等級表

3．1 建立Bow－tie模型

此燃氣管段的Bow－tie模型中的頂事件為燃氣管道泄漏，其故障樹及事件樹組成部分見圖2，故障樹中的基本事件見表4。

圖2 燃氣管道泄漏Bow－tie圖

3．2 專家評價

首先邀請有經(jīng)驗的專家組成評價小組，再對專家進行權(quán)重分析，本文僅以兩位專家為例，并且賦予其相等的權(quán)重。依據(jù)故障樹中基本事件和事件樹中誘發(fā)事件的風(fēng)險大小，由專家賦予每個事件相應(yīng)的三角模糊數(shù)，評價結(jié)果見表4，然后根據(jù)式（5）求得聚合后的事件模糊數(shù)。

3．3 Bow－tie模型中結(jié)果事件的發(fā)生概率

根據(jù)式（2）、（3）求得頂事件燃氣管道泄漏的模糊數(shù)值L＝（0．57，0．89，0．99），再根據(jù)事件樹模糊算子式（4）求得泄漏造成的C1（爆炸）、C2（火球）、C3（蒸氣云爆炸）、C4（閃火）、C5（蒸氣云爆炸）、C6（閃火）、C7（氣體堆積）以及C8（安全泄放事件）的模糊數(shù)（以Li表示，i＝1，2，3……8）。

3．4 Bow－tie模型中結(jié)果事件相應(yīng)影響后果的計算

專家小組成員可參照三角模糊數(shù)表示的后果等級表，將燃氣管道泄漏造成的爆炸、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放分別帶給人員、財產(chǎn)、環(huán)境、社會的影響后果進行評價，評價結(jié)果見表5。

在計算結(jié)果事件后果影響時將后果因素的權(quán)重與其相應(yīng)的評價模糊數(shù)按矩陣乘法進行合并［13］。如C1事件造成的第二級因素人員傷亡的后果計算如下。

相應(yīng)的求得：C1財產(chǎn)損失＝［0．40 0．65 0．90］

C1環(huán)境后果＝［0．25 0．50 0．75］

C1社會后果＝［0．50 0．75 0．10］

所以爆炸造成的總后果：

表4 各事件專家評價等級組表

表5 結(jié)果事件的影響后果等級評價表

同理可求得其他泄漏事件造成的總后果值Ci。

3．5 風(fēng)險評價

對燃氣泄漏的風(fēng)險評價可根據(jù)風(fēng)險值Ri＝Li×Ci，由于計算的可能值和后果都以模糊數(shù)表示，所以為對比風(fēng)險大小，應(yīng)用式（6）～（9），將其轉(zhuǎn)化為表6中的各結(jié)果事件的模糊失效概率值（FFR）。

表6 結(jié)果事件的失效概率表

從各結(jié)果事件的模糊失效概率值可以看出，此管段一旦出現(xiàn)泄漏，發(fā)生爆炸的概率極高。因此需從引起泄漏的潛在因素中加以控制，從表4可以看出，土壤電阻率及雜散電流的干擾對管道影響較大，所以：①加強陰極保護措施，在犧牲陽極保護的基礎(chǔ)上還要增加外加電流的保護；②及時維護外防護涂層；③加強巡邏、檢測，重要管段可引入監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA，實時監(jiān)控管道的運行狀況，對于嚴重破壞的管道立即進行更換。相對來說安全泄放的概率低且后果影響也小，但會造成資源浪費，對環(huán)境影響較大，所以此次風(fēng)險評價完成后，還需要進一步跟蹤檢測，在計劃性維護后重新評價管道風(fēng)險，建立以事前預(yù)控為主的燃氣管道現(xiàn)代化管理方式。

4 結(jié)論

定量風(fēng)險評價是燃氣管道動態(tài)完整性管理的重要部分，本文基于模糊Bow－tie模型，將影響管道泄漏的風(fēng)險因素及后果關(guān)聯(lián)起來進行分析計算，根據(jù)評價結(jié)果可制訂相應(yīng)的檢測計劃，合理分配資源。

1）傳統(tǒng)的概率分析需建立概率模型，但燃氣管道經(jīng)受各種不確定因素的影響，且各因素隨機變化；由于人類知識的有限性難以確定精確的概率表達式，故本文借助三角模糊數(shù)表示事件的風(fēng)險等級，通過模糊與門、或門計算，求得模糊可能值，然后解模糊化，對燃氣管道的風(fēng)險進行了評定，其結(jié)果更加符合客觀實際。

2）利用模糊層次分析法確定了燃氣管道泄漏各類次級因素的權(quán)重，使得泄漏后果的分析真實有效。

3）本次評價是以各風(fēng)險因素相互獨立為前提的，但工程實際中不僅要承認各因素的模糊性，還要考慮各因素間的關(guān)聯(lián)，在這方面還需進一步探索。

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