城市燃气输配管道风险评价方法及应用研究(编辑修改稿)

城市燃气输配管道风险评价方法及应用研究(编辑修改稿)内容摘要：

因是 连续强降雨影响， 地下 砖砌雨水方沟泄漏，使路面下方土体流失，引起地面塌陷所致。 该次事故造成地面交通局部中断。 2020 年 1 月 9 日凌晨 2 点左右，温州市区月湖小区 燃气泄漏 发生爆炸，由于该处店铺林立，比较繁华，导致 200 多位居民撤离疏散，所幸没 有人员伤亡。 2020 年 1月 17日早 6 点左右，吉林市 解放北路一 燃气 管道泄漏，引发附近一矿区服务部食堂发生燃气 爆炸，爆炸造成周边部分楼房门窗震碎，附近的许多车辆被掀翻，公路车站与路灯也都扭曲变形，大面积停电。 事故共造成 3 人死 亡、 28 人 受 伤的惨剧。 200 多人被迫全部疏散到安全地带，事故波及到几十米外的马路。 2020 年 2月 22日清晨，重庆市大渡口区法院食堂 由于天然气泄漏发生爆炸事故，部分大楼受损，造成 5 人轻伤，爆炸波及到附近百余户民用建筑。 2020 年 3月 16日 21点 50 分左右，南京地铁一号线南延线江宁义乌商 品城附近的高架轨道下，一工人在施工过程中挖断地下天然气管道，导致天然气大量泄漏，喷出的天然气呈圆柱状，超过高架轨道数米。 有三趟列车从天然气喷起的气 柱中穿过。 所幸消防、安监、公安等职能部门很快赶到，经过抢修 ，天然气泄漏被成功止住，虽然造成地铁停运，但没有引起天然气爆炸和人员伤亡。 „„ 这些 燃气泄漏与爆炸事故，不仅 给国家和人民群众的生命与财产造成了极大的损失，而且 给社会 公共 安全与稳定带来了极大的负面影响，从一定程度上影响了燃气事业的 发展。 如何对 现役 城市 燃气 管道 进行有效的 风险评价 ，以预防、 遏制灾害和事故的发生，已 成为 急需研究 的重大课题， 为此，本文将对城市燃气输配管道的风险评价进行研究，以期为城市燃气输配管道建设、运营管理提供技术支持和决策依据。 城市燃气输配管道 风险 评价 技术 研究 现状及其存在的问题 国内外 研究综述 人类在远古时期，就有了风险意识的萌芽，对于无法解释的自然现象或不能治愈的疾病，人们通过拜祭神灵，祈求平安，这是一种朴素的风险规避与管理意识。 现代意义上的 风险评价起源于 20 世纪 30 年代 美国的保险业， 此即为美国保险业协会所从事的风险评价。 到 20 世纪 60 年代，开始了全面 、系统的研究企业设施和装置的风险评价， 在这一时期，美国道化学公司 于 1964 年 开创 地提出 了评价化工生产的火灾、爆炸指数法。 1974 年，英国帝国化学公司蒙德分部在道指数法的基础上，提出 了 自己的定量评价化工系统的火灾、爆炸指数评价法 [4]。 在上世纪 80 年代， 美国 Battelle Columbus 组织 力量对管道风险评价方法进行了研究，在对其 工作总结 基础上， 1992 年， Muhlbauer 编写了《管道风险管理手册》[5]，在 该手册中，作者阐述了如何进行管道风险评价的指数评分法， 书中提出了可操作西南石油大学博士研究生学位论文 3 性的评价模 型。 在第二版中，作者专门讨论了基于输配管道的风险评价的指数评分法 [6]。 严格来说，这本书中介绍的方法是一种半定量的风险评价方法。 该方法回避了按照概率理论 精确计算的高昂费用，是一种较为实用的评价方法， 现已 成为各国风险评价 理论与方法的指南。 对于燃气管道， 国外 已经有了比较成熟的定量研究， 如 Kiefner 和 Vieth 对管道表面缺陷进行了定量评估 [7， 8]，最终被美国 ASME 的 B31G 用来评价管道的表面缺陷 [9]； Duane在考虑了管道周边 多种因素 共同作用的情况下， 对管道的可靠性预测进行了研究 [10]；Bernd 通 过直接让燃气管道运营专家参与的情况下，在统计专家意见的基础上，建立风险评估模型，从而解决了失效数据缺乏这一难题 [11]； 为了合理地组织不同专家的意见，文献 [12]运用贝叶斯统计方法来解决这个问题； Damousis 等通过专家运用模糊语言，评判失效因素引起的燃气管道失效程度，最终评价出了燃气管道的风险等级 [13]； 由于 燃气管道中人的可靠性 对系统安全具有重要作用，因此 Rinaldo 定量分析 了 人的可靠性；文献 [15]通过假设管道 内气体做 一维稳态绝热流动，提出了高压燃气管道 泄漏率 的 简化模型，并计算得到了由喷火而导致的 社会风险和个人风险值； 文献 [16]研究了 管道发生天然气泄漏后所产生的各种 危害后果； 文献 [17]研究了管道断裂泄漏模型并给出一个简易的计算泄漏率和泄露速度的公式 ； Jane 和 David 针对事故概率 [18]，研究了最大可接受风险值和事故发生的最大可接受概率之间的关系等。 在二十世纪九十年代初期，美国的众多的油气管道已经应用了风险管理技术以指导 管道 维护 的运行，在这一时期，出台了 API PR581[19]等许多的标准和规程，极大地指导了燃气管道的风险管理技术。 目前，国 外的风险评价 技术正向成熟阶段过渡，并且已开发了 风险评估的软件。 如1987 年，美国 Amoco 管道公司 在其管理的管道与储罐上运用了风险评价技术，从而使公司在 1993 年达到了创纪录的利润水平 [20,21]； 荷兰国家应用科学研究院（ TNO）开发的预测危险物质泄漏后所引起后果的 DAMAGE 软件 ；挪威船级社（ DNV）用于计算风险、识别风险、计算事故破坏能力的风险评估软件 SAFETI；壳牌（ SHELL）公司的用于危害评估和定量风险评估的软件 SHELL SHEPHERD[22]。 我国的风险评价工作起源于 20世纪 80年代，在油气管道上的应用， 最早是由著名的油气储运专 家潘家华 [2325]于 1995 年在《油气储运》上详细介绍了肯特的 《管道风险管理手册》 ，此后，风险分析评价技术逐渐引起了我国油田企业的重视。 在借鉴国外研究成果的基础上，国内对燃气管道的风险评估方法进行了 一定 程度的探索，提出了一些实用的风险评价方法：何淑静 [26， 27]针对燃气输配管道 ，建立了可靠性的故障树 和失效模糊故障树 并对其进行了分析 、 计算 和评价；杨林娟 [28]在研究配气管网时，结合历史 数据，与专家评价相结合，对天然气管道进行了定量的评价；王涛 [29]针对城市燃气管网的运行，利用模糊评价的方法 进行了研究 ；张鹏 [30]针对长输管道探讨了人的可靠性，这对城市燃气输配管道中人的可靠性研究无疑也会有重要的参考价值；廖柯熹 [31]针对引起天然气管线发生失效的各个因素，建立了失效故障树，分析了故障树的各阶最小割集，并提出了相应的措施； 王凯 全 [32]根据我国城市燃气管道的特点，对肯特法 进行了改进，得出了适 城市燃气输配管道风险评价方法及应用研究 4 合于我国城市燃气管道的风险评价法；胡毅亭等 [33]与 徐亚博等 [34]对 燃气管道泄漏后的事故危害 进行了定量研究 ，分析了预混云团的爆炸危害，为安全决策提供 了 依据 ；文献 [35]在假设管道内的天然气服从理想气体且一维稳态流动的 基础上，定量得出了燃气泄漏 率的 模型；文献 [36]研究了天然气管道按小孔泄漏的模型并给出其 泄漏率的 计算公式。 运用于工程实践 方面。 在 2020 年，姚安林对达卧线的天然气管道进行了风险评估且编制了风险管理的软件 [37]； 在 2020 年，陈利琼 [38]等 应用 Muhlbauer 评分体系法 对“秦京”埋地长输管线 进行了风险评价，并取得了较好的评价效果；中石化青岛安全工程研究院开发的集危害辨识、失效频率评估、后果评估、定量风险评估于一体的定量风险评估软件 [22]QDRISKQRA。 所有这些工作，对 我国 燃气管道 的风险评价起到了重要的 推动 作用。 燃气管道 风险评价的方法 众多，主要是借鉴了长输油气管道的评价方法，如果按评价方法的特征分类， 包括如下 【 3942】 ： （ 1）定性 的风险评价 方法 定性评价法主要是根据专家或有丰富工作经验的现场工作人员对有关系统中的设备、人员、环境及管理等方面存在 的 不安全 情况所给予的定性评价。 该方法 对所研究对象的失效 因素 按照“发生”或者“不发生”来进行评价，在评价时不需建立精确的数学模型及计算方法，主要是依据政府或企业的有关法规、规范以及标准，依据评价人员在工作中 的实践 经验和直观判断能力，依靠 分析过程中的逻辑推理关系 ，最终来确定所有危害事件的关系及其对安全的影响。 定性的风险评价方法，其主要优点是：评价的过程简单，比较容易理解和掌握，能低成本、快速地寻找到答案，在应用中易于推广。 但该方法主观性较强，评价结果容易受参评人员专业知识背景、深度和经验的影响。 定性的风险评价方法主要包括安全检查表 、预先危险性分析 、 事件树分析、 故障树 分析 、 故障类型及影响分析 等 方法。 （ 2） 半定量的风险评价 方法 半定量的风险评价方法 主要 是 在实际工作 经验 的基础上，通过给 识别出的风险因素合理打分，然后把分值或 发生的概率分值 与事故 的严重度 相乘 或相除 ， 从而形成了一个相对的风险指标， 最后进行风险的分级评价。 半定量的风险评价 方法允许使用统一且有条理的处理方法对风险等级进行划分，使注意力集中于更可能发生的事故后果上，从而较大地提高了该方法的实用性与准确性。 包括概率风险评价方法、 MES 评价法 ，肯特法 ，模糊综合评价法 ，灰色 评价 法 等。 概率 风险评价方法 （ LEC）是 评价 在 具有潜在危险性环境中作业时的危险性的半定量 评价方法。 它是用与系统 风险有关的三个因素指标值的乘积来对系统中人员的伤亡风险进行评价，这三个因素分别为： L 为事故发生可能性的大小； E 为人体 暴露在这种危险环境中频繁程度； C 为一旦发生事故后造成的损失后果。 最后以这三个值的乘积来评价危险性的大小， 即 D=LEC。 该方法简便实用，但易受分析评价人员主观因素影响。 MES 评价法是指将风险程度 R表示为： R=LS，其中 L表示事故发生的可能性； S 表西南石油大学博士研究生学位论文 5 示事故的后果。 该方法适用范围较广，不受专业的限制，可看作 LEC 方法的改进。 肯特法（ 专家评分指 标法 ） 通过对引起管线失效的各因素进行评分，结合管线失效后果，形成一个相对风险指标来表示总的风险程度。 该方法是目前最完整且最系统的方法，容易掌握及便 于推广，能集中操作人员、工程技术人员和管理人员等多方面的意见。 但该方法主观性强，对有些项目 的权重取值或 分值不合理。 模糊综合评价法是 通过专家使用模糊语言 ， 对失效因素引起管道失效的程度做出评判， 然后 构造权重向量和关系矩阵，得到模糊评判向量，从而对燃气管道的风险等级做出评价。 但 该方法 按最大隶属度原则， 有时 得不出应有的结果。 灰色 评价 法 是指把系统安全或事故看作灰色系统，利用建模和关联分析，使灰色系 统“白化”，从而对系统的安全进行 评价。 （ 3） 定量的风险评价 方 法 [43] 定量 风险 评价法 （ PRA） 是 一种定量绝对事故 频率的较为严密的统计与数学方法，该方法将导致事故发生的各种因素处理成随机变量或者随机过程，在对单个事件概率计算的基础上，求出最终的事故发生概率，再通过结合事故后果的量化值，得出系统的风险值。 该方法主要是在定性评价的基础上，对识别出的较高风险水平的故障类型进行详细的定量评价。 由于城市燃气 输配管道 失效的故障类型较为复杂， 因此，在定量评价燃气管道的风险水平时，需 要利用有关概率，结构力学，有限元法，断裂力学，可靠性技术和各种 强度理论；同时还要根据大量的设计、施工以及燃气管道运行的数据资料并建立风险评价的数据库；在掌 握燃气管道裂纹缺陷的扩展规律和管材腐蚀 速率的基础上，建立评价的数学模型，然后对数学模型求解。 定量 风险评价 结果 的精确性取决于收集的原始数据是否完整，建立的数学模型是否精确，评价方法是否合理。 主要有管道的剩余强度评价、管道的剩余寿命预测评价、概率失效分析、管道失效的故障树分析、管道的可靠性评价 、 模拟仿真和概率法 、 结构可靠性评估 法 等。 定量 风险评价技术是建立在数据库和实验研究的基础上，不仅促进了量化的风险评价趋势，而且实现了管道风险评价的自动化。 但该方法依赖于特定数据库和实验研究的支持，如没有建立相应的数据库 和实验研究，就不能进行评价。 现有风险评价方法存在的缺陷 纵观上述的文献综述，可以得出以下的结论： （ 1）过强的评价主观 性 [38]。 燃气输配管道的 风险评价具有高度的主观性，表现 在风险评价时，由于问题研究的前提条件和假设条件的不同，对同一个问题，不同的 专家可能会得出不同的结论 ，甚至不同的专家会得出矛盾的结论，可以说，结论的正确程度取决于评价人员判断的正确与否。 为了克服这种主观性，人们把模糊数学引进 城市燃气输配管道的 风险评价之中，但当涉及到评价矩阵和权重的确定时，又不可避免地带有很强的 个人 主观性。 （ 2）评价结果的静态性。 研究对象每时每刻都在发生变化，甚至可能发生突变 ， 城市燃气输配管道风险评价方法及应用研究 6 城市燃气输配管道也不例外。 然而，目前的研究方法都只是对 所 研究 的 系统某一个时点的一个静态的风险评价结果，无论风险大与小，当风险 评价 结果面对管理 层 时，都 是系统过去的 某个时刻 风险的写照， 而 现在 风险 可能已经发生了变化。 然而系统现在的风险是比评价的结果大了还是小了，风险是向好的还是向 坏的方向发展了，这对有效地采取相应对策可能比单纯。