基于事件樹的天然氣管道風險定量分析

作者：黃小美李百戰彭世尼楊茂華　　評論：　 ? 收藏本頁

摘要：提出了以事件樹分析為主線，結合故障樹分析的城鎮天然氣管道風險定量分析方法：將管道泄漏分為滲透泄漏、穿孔泄漏和開裂泄漏3種泄漏模式；以管道泄漏為故障樹分析的頂事件，分析管道泄漏的原因和概率；以管道泄漏為事件樹分析的初因事件，分析管道泄漏在各種情況下造成的后果序列；以故障樹分析事件樹中后續事件的概率，以初因事件的概率和后續事件的概率計算后果事件的概率；分別對各個后果事件進行后果危害程度分析和經濟損失估計；累加每個后果事件的經濟損失數學期望，得到整個管道系統的風險值。

關鍵詞：城鎮天然氣管道；風險分析；事件樹；故障樹；后果分析

??? 由于天然氣的易燃易爆性、管道系統的易損性和城市人口、財物的密集性，城市天然氣管道系統的風險必然存在。風險分析是采取一定的方法確定系統存在的危害，并定性或者定量地分析風險大小的過程。風險包含危害事件發生的可能性和危害事件產生的后果兩個方面的含義。定量的風險分析至少應包括以下4個步驟：危害識別；危害事件概率分析；危害事件后果分析；風險值估算。

1 危害識別的方法

??? 引起管道安全風險的直接危害事件是燃氣泄漏。這里采用事件樹與故障樹相結合的方法分析管道泄漏的原因及后果，以辨識管道的風險因素，其中事件樹用于分析管道泄漏所導致的后續事件和后果事件，而故障樹則用于分析初因事件(即管道泄漏)和后續事件發生的原因。

①???? 管道泄漏事件樹分析

? ??事件樹分析是一種邏輯演繹分析法，它在給定內一個初因事件的前提下，分析此初因事件可能導改的各種事件序列的結果^[1、2]。

? ??由于天然氣泄漏是造成管道安全風險的根本原因，本文選擇天然氣泄漏作為事件樹分析的初因事件，將天然氣管道泄漏韻滲透泄漏、穿孔泄漏和開裂泄漏這3種基本模式同時作為事件樹分析的初因事件。圖1為天然氣管道系統泄漏事件樹，圖1中的代碼為E₁～E₃的事件表示后續事件，其正下方的字母Y表示該事件發生，而N表示事件不發生。由于各后續事件是否發生而使得管道泄漏具有13種不同的后果，分別用代碼C₁～C₁₃表示，各后果事件代碼的意義見表1。

表1 各后果事件代碼的意義

代碼	意義	代碼	意義
C₁	著火	C₈	無災害
C₂	密閉爆炸	C₉	射流火災
C₃	窒息	C₁₀	密閉爆炸
C₄	無災害	C₁₁	窒息
C₅	射流火災	C₁₂	氣云爆炸
C₆	密閉爆炸	C₁₃	無災害
C₇	窒息	—	—

??? 天然氣管道滲透泄漏包括天然氣從管道直接滲透到空氣中以及管道穿孔、開裂并經過土壤滲透到空氣中兩種情況，而穿孔泄漏和開裂泄漏則表示天然氣由于管道穿孔或開裂而直接泄漏到空氣中，燃氣以何種模式泄漏由管道的敷設方式及失效原因決定。立即點燃泛指天然氣泄漏后且未大量積聚前被點燃的情況，即不會導致爆炸、閃火、火球情況的點燃，而并非僅指燃氣-泄漏就馬上被點燃。燃氣發生立即點燃后，由于燃氣被消耗掉，因而也不會再發生泄漏到密閉空間或燃氣被引爆的情況。滲透泄漏由于泄漏流量小，壓力降低到較低水平，立即點燃后一般發生普通的著火，而不會發生射流火災。而穿孔泄漏和開裂泄漏后的立即點燃，則會產生噴射火，從而導致射流火災。天然氣泄漏到密閉空間時，若被引爆，則會發生密閉空間爆炸，若密閉空間里面有人，即使不被引爆，也有可能導致窒息。天然氣管道開裂，且泄漏流量特別大時，即使泄漏在開敞空間，也有可能被引爆，從而發生開敞空間氣云爆炸。

??? ② 初因事件及后續事件故障樹分析^[1～6]

??? 故障樹是一種由結果到原因描述事故發生的有向邏輯樹，是一種將系統故障的各種原因(包括硬件、環境、人為因素)由總體到部分，按倒置樹枝狀結構從上到下逐層細化的邏輯歸納分析方法，非常適合分析事件樹中初因事件和后續事件的原因，故障樹分析還可用于計算這些事件的概率。

2 概率分析

??? 危害事件的概率分析是風險定量分析的必要步驟。圖1中的后果事件是管道系統引起的危害事件，因此必須分析每個后果事件的概率。文獻[1～5]給出了故障樹定量計算方法，即能通過已知底事件的概率得出故障樹頂事件的發生概率，而底事件的概率可以通過專家評分估計法、歷史事故記錄統計分析法等方法獲得。如果3種泄漏模式下的初因事件和后續事件發生概率(或頻率)均通過故障樹定量計算求出，則后果事件的概率即為初因事件的發生概率(或頻率)和各個后續事件的發生或不發生的概率(或頻率)之積。例如：

P(C₁)=P(E₀_，1)P(E₁)[1-P(E₂)]·[1-P(E₃)]??? (1)

式中P(C₁)——后果事件C₁的發生概率(或頻率)，其單位和初因事件的概率(或頻率)單位相同

P(E₀_，1)——初因事件E₀_，1的發生概率(或頻率)

P(E₁)——后續事件E₁的發生概率(或頻率)

P(E₂)——后續事件E₂的發生概率(或頻率)

??? P(E₃)——后續事件毛的發生概率(或頻率)

3 后果分析

? ??① 泄漏量分析

? ??如果天然氣直接泄漏到管道周圍的空氣中，則泄漏流量可由管道水力計算公式和泄漏小孔模型結合計算，泄漏流量與管內燃氣壓力、泄漏孔口尺寸有關，泄漏持續時間與人口密度、巡線質量、加臭效果及公眾教育等因素有關，有關計算公式可參見文獻[1]或[7]；若泄漏管道的上下游閥門被截斷，則燃氣流量逐漸減小，其泄漏流量及持續時間可參見文獻[1]。若燃氣從管道泄漏且經過土壤滲透到大氣中，則泄漏流量隨著管道壓力、泄漏口面積、土壤透氣系數的增加而增大，隨著土壤厚度的增加而減小，可通過實驗、現場測量確定其關系。

? ??② 燃氣泄漏擴散分析

? ??燃氣泄漏到大氣中后，在泄漏源附近的燃氣濃度符合射流擴散的規律。而隨著距離的增長，射流效應逐漸減弱，當射流速度接近或等于風速時，擴散燃氣就不再符合射流規律，此后可按高斯擴散公式模擬燃氣的濃度^[7]。射流擴散計算公式及高斯擴散計算公式可參見文獻[1、8、9]。

??? ③ 著火

??? 這里著火泛指燃氣在較低壓力和流量下點燃形成的擴散火焰。燃氣從管道泄漏并經過土壤滲透到空氣中或從管道滲漏出來被點燃時，通常都屬于這種著火，這在實際工程中很常見。這種擴散火焰長度較短，熱輻射強度較小，一般不會直接對附近的人或物品造成傷害。這里不討論由于著火引燃其他易燃、易爆物品而產生的二次災害。