基于事前狀態(tài)和事后數(shù)據(jù)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

翟鈺婷，李 昕，蔣習(xí)民，周 晶

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024;2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024;3.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

管道是長(zhǎng)距離輸送石油或天然氣的最經(jīng)濟(jì)最安全方式，國(guó)內(nèi)外廣泛使用。當(dāng)前許多管道已經(jīng)進(jìn)入服役的中后期，發(fā)生事故風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。事故的發(fā)生必然會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞，從而給社會(huì)帶來(lái)惡劣的影響[1]。因此，評(píng)估與預(yù)測(cè)油氣管道事故后果的嚴(yán)重程度是十分必要的，它可以為管道的風(fēng)險(xiǎn)管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)。

目前，國(guó)外對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)分析已經(jīng)開(kāi)展了廣泛研究，1992年，Muhlbauer[2]撰寫(xiě)了《管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》詳細(xì)闡述了管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和評(píng)估方法的；挪威船級(jí)社基于大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的研究上編寫(xiě)了腐蝕管道內(nèi)壓荷載評(píng)估規(guī)范DNV-RP-F101[3]標(biāo)準(zhǔn)；Kim等[4]利用具有不同尺寸腐蝕坑的X64管道進(jìn)行了爆破實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值仿真得到了矩形和橢圓腐蝕坑的失效準(zhǔn)則；2002年，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)頒布了《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》[5]。國(guó)內(nèi)關(guān)于管道的風(fēng)險(xiǎn)研究雖然起步較晚，但是也取得了一些成績(jī)，僮祥英[6]在有限的事故案例中獲取樣本數(shù)據(jù)，然后利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訓(xùn)練評(píng)估網(wǎng)絡(luò)，最終利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)燃爆模型來(lái)評(píng)估埋地燃?xì)夤艿朗鹿屎蠊麌?yán)重度。趙事等[7]運(yùn)用改進(jìn)的一次二階矩，提出并建立了腐蝕管道可靠性極限狀態(tài)函數(shù)和管道剩余壽命預(yù)測(cè)模型。但現(xiàn)在的研究大多以池火、蒸汽云爆炸以及毒氣泄漏為模型進(jìn)行分析，并未考慮到事故后果會(huì)對(duì)社會(huì)安定、財(cái)產(chǎn)損失等因素產(chǎn)生的切實(shí)影響。

因此，本文結(jié)合工程實(shí)例從宏觀(guān)角度對(duì)油氣管道的事故后果進(jìn)行評(píng)定與預(yù)測(cè)。分別采用層次分析法和貝葉斯概率法進(jìn)行事前和事后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，再結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行后果等級(jí)的確定。

1 管道風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)[8]，不僅在發(fā)生、發(fā)展過(guò)程演變復(fù)雜，還涉及眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。經(jīng)過(guò)對(duì)油氣管道可能發(fā)生的后果進(jìn)行研究，將從生命、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和其他影響四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行事故后果嚴(yán)重性分析，同時(shí)將事故后果嚴(yán)重程度分為低(A)、中(B)、高(C)三個(gè)等級(jí)。

1.1 事后評(píng)估

對(duì)于事故已經(jīng)發(fā)生的情況我們可以直接進(jìn)行事故后果的評(píng)估，首先可按實(shí)際情況結(jié)合油氣管線(xiàn)自身特性，分析事故機(jī)理，得到如圖1所示的風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)體系：

圖1 油氣管道風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)體系圖

從圖1中可以看出事故的風(fēng)險(xiǎn)后果一級(jí)指標(biāo)有四項(xiàng)，分別是人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響和其他影響。對(duì)于人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失可以根據(jù)事故后果直接得到，但是社會(huì)影響和其他影響并不能直接得到確定的結(jié)果，因而它們還分別擁有自己的二級(jí)指標(biāo)。社會(huì)影響的二級(jí)指標(biāo)是：公民關(guān)注度、災(zāi)害情況和斷供情況。其他影響的二級(jí)指標(biāo)有：環(huán)境影響、周?chē)煌ㄓ绊懞团R近管道影響。

然后對(duì)油氣管道事故后果的指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分。由于油氣管道的后果評(píng)價(jià)領(lǐng)域還未制定出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以只能參考其他行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。由于不同領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)不同，導(dǎo)致評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也存在明顯差異，因此在引用時(shí)需根據(jù)管道的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。本文生命和經(jīng)濟(jì)損失主要參考了《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l》，如表1為人員傷亡分級(jí)表，表2為經(jīng)濟(jì)損失分級(jí)表。由于社會(huì)和其他影響目前尚無(wú)定量指標(biāo)，可根據(jù)孫瑋瑋等[10]提出的社會(huì)環(huán)境影響系數(shù)以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則等進(jìn)行分級(jí)，如表3為群眾關(guān)注度分級(jí)表，表4為斷供情況分級(jí)表，表5為災(zāi)害情況分級(jí)表，表6為環(huán)境污染分級(jí)表。

表1 人員傷亡分級(jí)表

表2 經(jīng)濟(jì)損失分級(jí)表

表3 群眾關(guān)注度分級(jí)表

表4 斷供情況分級(jí)表

表5 災(zāi)害情況分級(jí)表

表6 環(huán)境污染分級(jí)表

層次分析法[11]是常用來(lái)計(jì)算權(quán)重的方法之一，在確定油氣管道風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)后，就可利用該方法計(jì)算油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)后果指標(biāo)的權(quán)重，以一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為例：

(1) 建立一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。U={u1,u2,u3,u4}={人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失，社會(huì)影響，其他影響}

(2) 建立判斷矩陣。根據(jù)表7相對(duì)重要性判斷標(biāo)準(zhǔn)建立判斷矩陣。

(3) 計(jì)算特征值和特征向量。先對(duì)判斷矩陣元素進(jìn)行正規(guī)化。

再將正規(guī)化的矩陣每一列元素相加再正規(guī)化得特征向量W。

(1)

式中：Wi為正規(guī)化特征向量中第i項(xiàng)。

再利用判斷矩陣和特征向量求最大特征值。

(2)

式中：λmax為最大特征值；A為判斷矩陣；n為矩陣階數(shù)。

(4) 一致性檢驗(yàn)

(3)

(4)

式中：CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為檢驗(yàn)系數(shù)，CR<0.1則判斷矩陣一致性合理。

然后利用模糊綜合評(píng)價(jià)法[12]進(jìn)行油氣管道的后果分析。模糊綜合評(píng)價(jià)就是將評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量A和模糊關(guān)系矩陣R通過(guò)B(·,+) 和B(∧,∨)兩個(gè)合成模型組成的合成算子進(jìn)行運(yùn)算：

(5)

根據(jù)式(5)可以得到事故后果風(fēng)險(xiǎn)各等級(jí)的隸屬度以及主信息可靠程度的灰度。

表7 相對(duì)重要性判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.2 事前預(yù)測(cè)

大多數(shù)時(shí)候風(fēng)險(xiǎn)分析需要在未發(fā)生事故之前開(kāi)展，以期用其分析結(jié)果指導(dǎo)維護(hù)修理增加工程的運(yùn)行壽命。對(duì)事前評(píng)估只能利用概率方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要充分運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)及其因果關(guān)系，對(duì)不確定事件進(jìn)行數(shù)學(xué)推理，以實(shí)現(xiàn)事前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法[13]是一個(gè)很好的選擇。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖是由節(jié)點(diǎn)和有向箭頭組成，節(jié)點(diǎn)代表能夠被觀(guān)察到的隨機(jī)變量。箭頭用來(lái)表示兩節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系。如圖2所示，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)X和Y，它們之間由X指向Y的箭頭相連，表式節(jié)點(diǎn)X將直接影響到節(jié)點(diǎn)Y。有向線(xiàn)段即箭頭則表示節(jié)點(diǎn)變量之間擁有直接的依賴(lài)關(guān)系，而它們之間的依賴(lài)程度則可以用條件概率P(X|Y)來(lái)表示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本文采用GeNIE2.0[14]來(lái)實(shí)現(xiàn)貝葉斯建模和分析?？筛鶕?jù)上文對(duì)油氣管道的失效后果分析建立失效后果貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 油氣管道失效后果貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由于結(jié)構(gòu)圖較為復(fù)雜，所以將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中需要根據(jù)工程實(shí)際情況確定的節(jié)點(diǎn)設(shè)為僅有兩個(gè)量，列出表8。

將后果中的四個(gè)指標(biāo)依然設(shè)為高、中、低三個(gè)等級(jí)。結(jié)構(gòu)圖中各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率將利用近些年統(tǒng)計(jì)的油氣管道失效案例算得。其公式為：

(6)

式中：P(Bi)為事件Bi的概率；P(Bi|A)為事件Bi發(fā)生條件下事件A的概率。

圖3中箭頭為節(jié)點(diǎn)間的影響關(guān)系，其粗細(xì)不同代表不同權(quán)重，可利用層次分析法進(jìn)行計(jì)算確定。最終可以得到各指標(biāo)的等級(jí)概率，結(jié)合后果評(píng)估中算出的權(quán)重，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析，確定事故后果等級(jí)。

表8 節(jié)點(diǎn)值域表

2 工程案例

2.1 事后評(píng)估

以某天然氣管道工程事故為例[15]，事發(fā)當(dāng)天工作人員發(fā)現(xiàn)管道泄漏后，緊急關(guān)閉管道閥門(mén)并將管內(nèi)氣體排入附近河道，但仍發(fā)生燃燒55 min，造成12人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100萬(wàn)美元，同時(shí)因附近吊橋掉落而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，涉及的四根管道一根停用。

跟據(jù)層次分析法和表7的相對(duì)重要性判斷標(biāo)準(zhǔn)得到模型中的一級(jí)因素的模糊一致性判斷矩陣，如表9所示。

表9 U的判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算得到判斷矩陣的最大特征值為：λmax=4.016 ，其對(duì)應(yīng)的特征向量為： {0.482，0.272，0.088，0.158}。

當(dāng)n=4時(shí)可知RI=0.90，則

CR=0.0059<0.1

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以認(rèn)為判斷矩陣一致性合理，即權(quán)重的分配合理。

同理我們還可以得到社會(huì)影響和其他影響下的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)特征向量為{0.164，0.539，0.297}和{0.539，0.297，0.164}，經(jīng)一致性檢驗(yàn)可知其權(quán)重分配均合理。

可根據(jù)相關(guān)信息建立如表10所示的評(píng)估表。

表10 油氣管道腐蝕因素失效后果評(píng)估表

根據(jù)失效后果評(píng)估表得到模糊關(guān)系矩陣如下：

R1=[(0，1)，(0，1)，(1，0.1)]

R2=[(1，0.1)，(0，1)，(0，1)]

R=(B1，B2，B3，B4)=

B=A·R=[(0.298，0.1) (0.085，0.2)

(0.617，0.1)]

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：事故風(fēng)險(xiǎn)后果由低到高的隸屬度分別為0.298、0.085、0.617，即可以認(rèn)為該事故風(fēng)險(xiǎn)后果為三級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)；灰度為0.1，即信息十分可靠。

2.2 事先預(yù)測(cè)

首先可根據(jù)近年統(tǒng)計(jì)的30起燃?xì)夤艿朗鹿拾咐?，?jì)算失效后果貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同變量的先驗(yàn)概率。以環(huán)境、交通及周?chē)艿烙绊懝?jié)點(diǎn)為例進(jìn)行計(jì)算。

由圖3可知該節(jié)點(diǎn)受到上層三個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)變量再加上它本身的兩個(gè)變量，因此該節(jié)點(diǎn)總共有24即16個(gè)狀態(tài)。以其中某種狀態(tài)為例進(jìn)行計(jì)算見(jiàn)表12。

表12 某節(jié)點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

然后，根據(jù)具體情況對(duì)結(jié)構(gòu)圖的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新得到后驗(yàn)概率，如該事例中管道附近有一條小河則我們可以直接把燃爆半徑此節(jié)點(diǎn)更新為小半徑概率為1，人口密度節(jié)點(diǎn)更新為較大概率為1，消防設(shè)備節(jié)點(diǎn)更新為完好概率為1。最后可以得到事故后果的四個(gè)指標(biāo)的事故后果等級(jí)后驗(yàn)概率。其結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4看出利用貝葉斯預(yù)測(cè)的事故后果指標(biāo)等級(jí)為：人員傷亡最可能發(fā)生的結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)，其概率為55%；經(jīng)濟(jì)損失最可能發(fā)生的結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)，其概率為45%；社會(huì)影響高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)概率相同都為38%；其他影響最可能發(fā)生的結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)，其概率為40%。將所得結(jié)果帶入到上文所述的模糊綜合評(píng)價(jià)方法當(dāng)中進(jìn)行分析，可以得到風(fēng)險(xiǎn)后果由低到高的隸屬度分別為0.25，0.33，0.42，即結(jié)果仍為三級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)。信息可靠程度因?yàn)槭穷A(yù)測(cè)僅為0.3較可靠。

圖4 不同影響的事故后果等級(jí)概率

3 結(jié) 論

(1) 利用層次分析法和模糊綜合評(píng)判法對(duì)某油氣管道工程實(shí)例進(jìn)行事故后果評(píng)估，得到該工程的為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(2) 運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法和模糊綜合評(píng)判法開(kāi)展事前工程后果預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示人員傷亡和其他影響為高風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)損失為低風(fēng)險(xiǎn)，社會(huì)影響后果等級(jí)概率為高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)一樣大。因此事前和事后評(píng)估的等級(jí)均為高風(fēng)險(xiǎn)，采用該方法對(duì)工程未來(lái)可能發(fā)生的后果進(jìn)行提前預(yù)測(cè)是較為合理的。