基于三角模糊樹的油氣管線爆炸事故的FTA分析

修連強(qiáng), 胡傳順, 殷麗秋, 高 震, 蔣立軍

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

基于三角模糊樹的油氣管線爆炸事故的FTA分析

修連強(qiáng), 胡傳順, 殷麗秋, 高 震, 蔣立軍

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

管道爆炸的現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以收集整理，事故發(fā)生的概率難以確定。引入模糊評(píng)價(jià)方法中的三角模糊理論來描述難以計(jì)算的管道爆炸事故的概率，確定頂上事件的模糊概率區(qū)間；為了確定引起事故發(fā)生的組合模式，通過Fault Tree Analysis（事故樹）簡稱FTA分析法，應(yīng)用Boolean algebra method（布爾代數(shù)法）求得事故樹的最小割集；通過中間值法的應(yīng)用，確定各個(gè)引起事故的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，通過對(duì)各個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度的整理，確定影響頂上事件-事故發(fā)生的重要因素的先后順序，可以對(duì)排列靠前的影響較重的因素進(jìn)行改善。

老舊油氣管道；三角模糊理論；事故樹；最小割集；結(jié)構(gòu)重要度

在國家油氣管道的運(yùn)營過程中，部分管道逐年老化，有的油氣管道運(yùn)營時(shí)間長達(dá)20 a以上，但是因?yàn)榉N種原因，管道更換和維護(hù)的難度較大，老舊油氣管線的各方面事故頻頻發(fā)生。油氣管道的事故中，泄漏事故是最常見的事故，如果油氣管線泄漏后，未及時(shí)人為的進(jìn)行處理，會(huì)釀成重大安全事故。所以對(duì)油氣體管道泄漏爆炸事故進(jìn)行安全分析是具有一定的實(shí)用意義和價(jià)值，事故樹分析法是一種可靠全面的安全評(píng)價(jià)方法[1]，在分析的過程中確定管道泄漏沿線發(fā)生爆炸即為頂上事件，并細(xì)化各個(gè)中間事件，完善各個(gè)中間事件的各基本事件。應(yīng)用Triangular fuzzy tree(三角模糊樹)與FTA[2]相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，具有一定的可靠性和全面性。

1 三角模糊樹理論及其運(yùn)用方法

1.1 三角模糊樹概述

設(shè)由一個(gè)對(duì)象所組成的論域U,那么在論域U上的一個(gè)模糊數(shù)?定義為一個(gè)隸屬函數(shù)：

圖1 三角模糊數(shù)Fig.1 Triangle fuzzy number

三角模糊數(shù)的代數(shù)運(yùn)算公式[3]是根據(jù)模糊數(shù)的運(yùn)算法則推導(dǎo)出的廣義的運(yùn)算公式，假設(shè)分別由(m1,l1,u1)和(m2,l2,u2)來表示有三角模糊數(shù)那么三角模糊數(shù)的運(yùn)算法則如下：

1.2 應(yīng)用三角模糊理論的FTA分析基本步驟

（1）對(duì)整個(gè)研究系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析，確定各個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，明確各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的邏輯關(guān)系。

（2）完成事故樹的繪制，列出頂上事件、各個(gè)基本事件、邏輯門，按照一定的邏輯關(guān)系繪制樹狀圖，通過布爾代數(shù)法求得頂上事件的最小割集，然后進(jìn)行定性的失效分析。

（3）確定各個(gè)基本事件模糊概率，進(jìn)行定量分析[4]。

事故樹中的基本事件的概率分為有精確概率統(tǒng)計(jì)的基本事件和無精確概率統(tǒng)計(jì)的基本事件，對(duì)于有精確統(tǒng)計(jì)概率的基本事件可以進(jìn)行直接計(jì)算；對(duì)于無精確統(tǒng)計(jì)概率的基本事件，采用專家打分方法對(duì)無法獲得精確概率的基本事件進(jìn)行評(píng)分，一般選定一個(gè)評(píng)估小組，由三名專家組成 。采用3σ法對(duì)專家給出的概率值進(jìn)行模糊處理，得到每個(gè)基本事件概率的方差為3σ，均值為m，設(shè)a=b=3，又設(shè)各基本事件的概率值分布為正態(tài)分布，將各個(gè)基本事件的概率模糊表示為: ＜3σ，m，3σ＞[5]。應(yīng)用三角模糊的運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算頂上事件的模糊概率。

式中第k項(xiàng)的概率值為xk，根據(jù)離散概率公式

得：

模糊與門的計(jì)算公式：

模糊或門的計(jì)算公式：

（4）模糊重要度分析

事故樹分析過程中的重要度分析是非常重要的，對(duì)圖1，有如下定義，A=A1+A2存在點(diǎn)Z,使經(jīng)過該點(diǎn)的分界線把模糊曲線下的整個(gè)區(qū)域分成左右面積相等的兩塊區(qū)域,則Z點(diǎn)所取的數(shù)值為中間值[6]：

從而：

當(dāng)l＜μ時(shí)，那么

TZ記為其頂上事件的中位數(shù)為基本事件的中位數(shù)，Si=TZ-Tis′為其基本事件xi的模糊重要度，若Si＞Sj，則認(rèn)為xi比xj對(duì)系統(tǒng)的影響程度小，利用模糊重要度的在老舊油氣管線評(píng)價(jià)的方法，確定各個(gè)基本事件對(duì)頂上事件的影響程度，并將影響程度按照大小排列順序，提出優(yōu)先的、可靠的改進(jìn)措施[7]。

2 三角模糊樹對(duì)老舊油氣管線應(yīng)用

2.1 確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素

對(duì)于新建投產(chǎn)期間的油氣管線，泄漏往往是由于法蘭、密封等連接部位，泄漏程度較輕，一般不會(huì)造成較嚴(yán)重的事故。但是對(duì)于老舊管線來說，引起管線泄漏的原因很多，如：（1）老管線原來建在偏僻的野外，隨著城市的發(fā)展，居民區(qū)及廠區(qū)逐漸發(fā)展，占用老管線的地面用地，對(duì)老管線形成占?jí)?，?duì)老管線的運(yùn)營具有相當(dāng)大的危險(xiǎn)，容易形成第三方破壞；（2）由于老舊的油氣管線運(yùn)行時(shí)間較長，防腐層及陰極保護(hù)系統(tǒng)需要更換或修復(fù)，但是由于城區(qū)的覆蓋，往往更換修復(fù)的難度較大，這樣，容易引起管道的腐蝕泄漏，以至于管道泄漏的產(chǎn)生；（3）管線在設(shè)計(jì)的過程中存在缺陷也會(huì)引起泄漏情況的發(fā)生，如管道工藝設(shè)計(jì)的缺陷或管道材質(zhì)初始缺陷均能引起泄漏的產(chǎn)生；（4）如果油氣管道發(fā)生泄漏，當(dāng)油氣濃度達(dá)到爆炸極限時(shí)候，遇到靜電起火、機(jī)械火星、人為點(diǎn)火等點(diǎn)火源時(shí)，容易導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，從而造成很嚴(yán)重的后果，人民的生命、財(cái)產(chǎn)會(huì)受到嚴(yán)重的威脅。

2.2 對(duì)事故產(chǎn)生原因的定性分析

繪制管道爆炸事故的事故樹，T-管道泄漏發(fā)生爆炸；M1-遇點(diǎn)火源；M2-石油或天然氣泄漏；M3-腐蝕穿孔；M4-管道存在缺陷；M5-第三方施工或破壞通過對(duì)事故樹的最小割集的求解，可以表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，求出最小割級(jí)可以掌握事故發(fā)生的各種可能，為事故調(diào)查和事故預(yù)防提供方便[7]。根據(jù)布爾代數(shù)法，求得最小割集共有36個(gè)（圖2）。

圖2 油氣管道事故樹Fig.2 Fault tree of oil and gas pipelines

由最小割集可知，只要x1發(fā)生，并且M1,M2,M3中基本事件必須有一個(gè)與x1同時(shí)發(fā)生，才能引起頂上事件發(fā)生，可以看出基本事件x1對(duì)事發(fā)生所產(chǎn)生的影響是最大的，所以為了避免爆炸事故的發(fā)生，應(yīng)采取緊急措施避免可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到爆炸極限。

2.3 對(duì)事故產(chǎn)生原因的定量分析（表1）

表1 各個(gè)基本事件模糊概率表Table 1 The fuzzy probability of each basic event

運(yùn)用模糊與門的計(jì)算公式（8）和模糊或門的計(jì)算公式（9），來計(jì)算頂事件的模糊概率。

頂上事件模糊概率的可能性分布[8]

將表中數(shù)據(jù)帶入得：

根據(jù)公式（10）、（11）、（12）：

由于TZ作為頂上事件的重要度，是不改變的，所以在′公式中，只要比較′就可以了，也就是說越小，對(duì)頂事件的發(fā)生影響程度就越大就越大，表明其對(duì)頂事件發(fā)生影響程度就越小[9]?？傊傻偷礁吲判蚝?/p>

3 結(jié) 論

把其基本事件概率重要度按由低到高排序：

由結(jié)構(gòu)重要度可知違章動(dòng)火、泄漏沿線汽車火花塞火星、第三方施工或破壞、管道年限過長管壁腐蝕過薄等，這些危險(xiǎn)因素是造成管道泄漏并且發(fā)生爆炸的最主要原因，要加大對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)因素的投資成本，加大對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)因素優(yōu)先控制，才能有效的避免老舊油氣管道泄漏而釀成爆炸事故[9]。事實(shí)上這些因素與近幾年來管道發(fā)生爆炸的主要因素比較相符。例如：泄漏后空氣中油氣濃度達(dá)到爆炸極限對(duì)頂上事件發(fā)生的影響是最直接的，影響最大，若在管道泄漏之初，立即組織管道工作人員進(jìn)行搶修，避免使可燃?xì)怏w濃度到達(dá)爆炸極限，從而使老舊油氣管道爆炸事故得到有效預(yù)防治。

［1］賈志偉，景國勛，張強(qiáng)，段振偉．基于三角模糊數(shù)的礦井火災(zāi)事故樹分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4（6）：62-64．

［2］徐志勝．安全系統(tǒng)工程［M］．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［3］張?？?，鄧本讓，朱玉仙．應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)［M］． 北京：地質(zhì)出版社，1998．

［4］Sinnamon RM，Andrews JD ．Quantitative fault tree analysis using binary decision diagrams [J] ．European Journal of Automation，1996，30(8): 1051-1073．

［5］Sinnamon RM，Andrews JD. Improved efficiency in qualitative fault tree analysis[J] ．Quality and Reliability Engineering International，1997：293-298．［6］伍愛友，施式亮，王從陸．基于事故樹方法與三角模糊理論耦合的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(7):31-36．

［7］張甫仁．燃?xì)饣馂?zāi)爆炸事故危險(xiǎn)源辨識(shí)及危險(xiǎn)性模擬分析[J]．天然氣工業(yè)，2005，25（1）：151-154．

［8］林柏泉．安全學(xué)原理［M］．北京: 煤炭工業(yè)出版社，2011．.

［9］安麗梅．模糊事故樹法在火災(zāi)事故分析中的應(yīng)用[D]．太原：太原理工大學(xué)， 2012．

FTA Analysis of Oil and Gas Pipeline Explosive Accidents Based on Triangular Fuzzy Number Theory

XIU Lian-qiang，HU Chuan-shun，YIN Li-qiu，GAO Zhen，JIANG Li-jun
（School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University , Fushun Liaoning 113001，China）

Site data of the pipeline explosion is difficult to collect, the probability of an accident is difficult to determine. In this paper, the triangular fuzzy number theory in fuzzy evaluation method was used to describe the probability of pipeline explosion to determine the fuzzy interval of the top event. In order to determine the combination mode to cause the accident, Fault Tree Analysis (FTA analysis) and Boolean algebra method were used to obtain the minimal cut set of fault tree. Then the intermediate value method was used to determine the structural importance of basic events to cause the accident; through analyzing the structural importance of basic events, the sequence of the top events - important factors in the accident was determined.

Old oil and gas pipelines; Triangular fuzzy theory; Fault tree; Minimal cut set;Structural importance

TE 832

A

1671-0460（2015）01-0107-03

2014-06-30

修連強(qiáng)（1987-），男，河北承德人，碩士學(xué)位，研究方向：汽提塔冷凝氣安全分析。E-mail：453475699@qq.com。