城市燃氣管道風險評價研究

趙翔宇

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016)

0 引言

城市燃氣管道作為燃氣主要的運輸工具，隨著社會的發(fā)展得到迅速的普及，在管道的運行過程中，常受到各種因素的影響發(fā)生故障，燃氣管道的泄漏或爆裂事故往往會給城市居民的生命和財產帶來巨大的損失，給社會造成深遠的不良影響。所以，各地頻發(fā)的燃氣管道事故和與之相關的安全問題也逐漸成為社會和公眾關注的焦點。開展城市燃氣管道的風險評價，保障其安全運行具有十分重要的意義。

1 風險評價概述

風險評價就是綜合考慮不同風險因素之間的相互作用及影響，根據(jù)國家相關的安全標準或行業(yè)內公認的指標確定風險評價基準，衡量風險的程度，判斷該系統(tǒng)是否需要采取進一步的控制措施。風險評價的技術方法按評判的準確性分為定性風險評價、半定量風險評價和定量風險評價三個方面[1]。通過定量或定性的風險評價，進行管道各管段的風險識別，根據(jù)風險程度排序確定重大風險的性質并定位，需求有效的措施將風險程度控制在可接受范圍內，降低管道事故發(fā)生的概率，提高燃氣管道的安全可靠性。

2 國內外燃氣管道風險評價的研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

1992年，W.Kent.Muhlbucer總裁總結了美國近 20年開展油氣管道風險評價技術研究工作的成果，編寫了《管道風險管理手冊》，詳細論述了管道風險評價的專家評分模型，成為世界各國普遍接受且作為開發(fā)風險評價系統(tǒng)的依據(jù)[2，3]。在該書第2版中增加的內容有:不同場合的管道風險評價的修正模型;對環(huán)境敏感區(qū)域、工作場所壓力及潛在人為差錯的評價。該書的第3版豐富了原有風險管理方面的內容，以更清晰更具體的例子說明了建立風險評估基本模型的程序，增加了建立穿越段油氣輸送管道的風險評估模型的方法[4，5]。

經(jīng)過不斷的發(fā)展和應用，目前許多國家已經(jīng)逐步建立針對城市燃氣管道的安全評價體系。例如，英國通過對大量管道資料進行統(tǒng)計分析及災害模擬實驗，建立了輸氣管道定量風險評價技術。加拿大也成功開發(fā)了管道維護和檢測的風險分析軟件包，用于管道的失效概率分析、失效后果和總風險計算[6，7]。

2.2 國內現(xiàn)狀

在我國有關城市燃氣管道風險評價的研究工作起步較晚。最早由潘家華教授于1995年在《油氣儲運》雜志上全面介紹了《管道風險管理手冊》，此后管道風險評價技術引起有關科技人員的廣泛關注[5]。近年來國內對于燃氣管道風險評估方法進行了一定的探討，在借鑒國外研究成果的基礎上，綜合運用專家評估法、事故樹法和模糊數(shù)學等多種分析方法，建立了長輸石油管道風險評估體系，提出了一整套切實可行的方法[8]。

在工程應用上，2000年西南石油學院和中國石油西南分公司聯(lián)合研制開發(fā)的“輸氣管線風險評價軟件”對重慶達臥線天然氣輸氣管道進行了全線風險分析與評估，標志著目前國際上通用的評分體系法已經(jīng)在我國現(xiàn)役燃氣管道上達到實際應用水平。關于中國石油天然氣集團公司石油管材所、中國石油管道公司和四川石油管道局聯(lián)合開展的管道安全評價技術研究，不僅取得了多項科研成果，而且建立了現(xiàn)役油氣管道安全評價的基本模型和技術方法，還開發(fā)了管道安全數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的評價軟件程序。該技術成功運用于國內多條油氣管道的剩余強度和剩余壽命的定量預測評價工作中，為現(xiàn)役油氣管道的檢測、維修和更換提供了科學依據(jù)。

3 城市燃氣管道綜合評價指標體系的構建

城市燃氣管道的綜合評價指標體系是對燃氣管道進行風險評價的基礎。依據(jù)一套能夠全面反映燃氣管道系統(tǒng)運行狀態(tài)的評價指標體系所作出的風險評價結果能夠真實地反映城市燃氣管道風險狀況;能夠為燃氣公司預防危險事故的發(fā)生提供合理且有效的信息?？梢姌嫿ㄈ婵茖W的評價指標體系對于風險評價具有舉足輕重的作用，同時也能夠推進城市燃氣管道系統(tǒng)風險管理體系的建設。

在城市燃氣管道風險評價中，造成管道失效和事故的原因共有4類，即第三方破壞、腐蝕、誤操作和設計。通過各指標的相互關系及隸屬關系對燃氣管道失效的構成要素進行全面地分析，構建如表1所示的二層綜合評價指標體系。

表1所構建的評價指標體系為遞階的二層結構。這種遞階層次結構是利用模糊綜合評價法進行城市燃氣管道風險評價的基礎和依據(jù)。

4 燃氣管道風險評價方法

4.1 層次分析法——AHP

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)，簡稱AHP，是一種定性與定量相結合的決策分析方法，可以用來確定各指標的相對權重[9，10]，基本步驟如下:

1)建立遞階層次分析結構。首先條理化和層次化所要研究的問題，然后按照元素的相互關系及其隸屬關系將決策的目標、考慮的因素以及對象自上而下分解成若干個層次，繪制層次結構圖(見表1)。

表1 城市燃氣管道評價指標體系

2)構造判斷矩陣并求最大特征根。根據(jù)已建立的因素層次分析結構圖對各影響因素進行兩兩對比分析，構造判斷矩陣進行計算，求解判斷矩陣的最大特征根λmax及與其對應的正規(guī)化特征向量，具體計算步驟為:

首先，計算各行中元素乘積的n次方根:

其次，結果標準化:

再次，求得單因素權重集合為:

最后，計算矩陣U的最大特征根:

3)層次單排序和一致性檢驗。由于客觀事物具有一定的復雜性，人類的判斷在某種程度上具有主觀性、片面性，需要進行一致性的檢驗來判斷所求得的權重值是否合理。Saaty教授[11]提出如下方法:

若CR＜0.1時，認為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內，具有滿意一致性，若檢驗通過，可用其歸一化特征向量作為權向量，否則需要重新構造成對比較矩陣。其中，CR為一致性比例且CI為一致性指標且RI為隨機一致性指標，它的數(shù)值見表2。

表2 判斷矩陣RI數(shù)值表

4.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是基于模糊集理論和最大隸屬度原則對多因素系統(tǒng)的特征進行總體評價的一種方法，具體步驟如下:

1)確定評價因素集。

在城市燃氣管道風險評價中，造成管道失效和事故的原因有第三方破壞、腐蝕、設計因素和人為操作因素等，其中腐蝕和第三方破壞是最主要的原因。因此造成燃氣管道失效的因素集U={u1，u2，u3，u4}={第三方破壞，管道腐蝕，管道誤操作水平，管道設計水平}。這四個主要影響因素又分別可細劃分為若干子因素。

2)建立備擇集。

為了準確、簡單的評價管道，一般用風險程度語言作為評價目標，經(jīng)分析引起燃氣管道失效可能性的評價的備擇集為:V={v1，v2，v3，v4，v5}={低風險，較低風險，中等風險，較高風險，高風險}。風險等級劃分[12]如表3所示。

表3 風險等級劃分

3)對各風險因素進行評價，確定隸屬度矩陣，根據(jù)各風險要素影響程度，確定其相應的權重。

假設評價對象按因素集中第i個因素ui進行評價，對評價集中第j個元素vj的隸屬度為γij(0≤γij≤1)，將各因素評價集的隸屬度為行組成模糊矩陣:

4)模糊綜合評價結果。

首先進行一級因素的綜合評價，得出第i類因素的模糊綜合評價集合:

其次進行二級因素的綜合評價，得到受評地區(qū)燃氣管道綜合評價矩陣:

求出評判指標bj(j=1，2，…，l)后，根據(jù)最大隸屬原則，可以得到該城市燃氣管道的風險水平。

4.3 案例分析

根據(jù)前文建立的燃氣管道綜合評價層次結構圖，結合專家知識以及管道數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評價法對某市縣城城鎮(zhèn)燃氣管道進行風險評價。

首先，利用層次分析法確定因素權重:A=(0.42 0.27 0.18 0.13)。

其次，綜合考慮影響管道失效的所有因素進行二級模糊綜合評判確定管段的風險等級，根據(jù)對各因素的等級計算得出模糊綜合評價集合R:

得到受評地區(qū)燃氣管道綜合評價結果:

根據(jù)最大隸屬原則，該市城鎮(zhèn)燃氣管道的風險水平處于低風險等級。說明該市的城鎮(zhèn)燃氣管道處于較安全狀態(tài)，防護措施比較得當，管理較完善。

5 結語

近年來，我國大力發(fā)展天然氣工業(yè)，隨著“西氣東輸”“俄氣南供”等工程的實施，天然氣正在被城市的各個方面廣泛的應用，但是燃氣在為城市生產、生活帶來便利的同時，也由于其自身所固有的易燃、易爆、有毒等特性，具有一定的危險性。

本文針對城市燃氣管道存在的可能性風險，結合某市工程實例，采用基于層次分析法的模糊綜合評價方法對燃氣管道潛在風險進行評價，確定風險性質并采取合理的措施，確保燃氣管道的安全運行。可見，基于層次分析法的模糊綜合評價方法在城市燃氣管道風險評價中的應用具有一定的現(xiàn)實價值和良好的應用前景。

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[2] 楊嘉瑜，張德彥，李欽華.管道風險管理手冊[M].北京:中國石化出版社，2005.

[3] W.KenU Muhlbauer.Pipeline Risk ManagemenU Manual[M].Gulf Publishing Company，2004.

[4] 潘家華.油氣管道的風險分析(續(xù)完)[J].油氣儲運，1995，14(5):3-10.

[5] 潘家華.油氣管道的風險分析(續(xù)一)[J].油氣儲運，1995，14(4):1-7.

[6] 曾 靜，許俊城，陳國華.城市埋地燃氣管道風險評估方法的適用性[J].燃氣與熱力，2007，27(5):55-61.

[7] Brian Griffin，Mike Zelensky.Basuics of risk analysis[J].AssessmenU and managemenU Banff/95pipeline Workshop，1995，12(2):21-23.

[8] 肖建明.城市埋地鋼質燃氣管網(wǎng)風險評估GIS集成系統(tǒng)研究[D].廣州:華南理工大學，2007.

[9] 王蓮芬，許樹柏.層次分析法引論[M].北京:中國人民大學出版社，1990:97-106.

[10] SaaUy U L.Uhe analyUic hierarchy process[M].McGraw Hii，Inc，1980:187-193.

[11] T.L.Saaty.The Analysis Hiererchy Process[M].New York:MCGraw Hill Inc，1980.

[12] 郭 峰.城市地下燃氣管道風險評價研究[D].長沙:中南大學碩士學位論文，2011.