王婉青，吕淑然，张宇栋

(1.首都经济贸易大学 管理工程学院， 北京 100070; 2.清华大学 公共管理学院, 北京 100084)

天然气是一种无色、无味、热值较煤炭和石油更高的清洁能源。近年来随着我国经济的飞速发展，政府越发重视生态环境的保护，因此全国范围内对天然气的依赖程度不断增高，这使得我国天然气行业呈现出飞速发展的趋势[1-2]。但是天然气需依靠高压输气管道才能实现长距离运输，压力管道本身属于特种设备，危险性极高。再者，天然气是一种易燃、易爆、有毒及强腐蚀性气体，一旦高压输气管道发生泄漏极易引发如火灾、爆炸、中毒等多种次生灾害[3-6]。仅2018上半年就发生各类燃气爆炸事故390起，共造成371人受伤，28人死亡。事故的发生使许多人失去了鲜活的生命和温馨的家园，严重影响了社会的和谐稳定发展。因此，对高压输气管道进行泄漏风险分析势在必行。本文以天然气高压输气管道为研究对象，剖析影响高压输气管道泄漏失效的基本影响因素，为高压输气管道日常的安全管理、风险减缓措施的选择提供合理的依据。

层次分析法(AHP)把对决策有影响的因素进行剖析，将其划分为不同的目标层和准则层，并利用这些层次对系统进行定性和定量分析，运用9标度法建立判断矩阵，但是在判断过程中容易受个人主观原因的干扰而导致误差和逻辑混乱[7-8]。改进的层次分析法(IAHP)将事故树方法引入到传统的层次分析法中，首先进行事故原因分析，其次将致因因素进行归类和中性化描述，最后将事故树计算获得的结构重要度Iφ的相互比较关系引入到层次分析法判断矩阵的建立中。该方法在一定程度上克服了专家打分的主观判断所导致的误差[9]。李亚兰等[10]将改进的层次分析法应用于地下建筑火灾安全评价研究中。应国柱等[11]将改进层次分析法应用到了地铁施工风险评价中，计算出不同因素所占权重。张哲源[12]以某企业的液氨储罐区为例应用改进层次分析法建立了层次分析模型。段若晨等[13]采用改进层次分析法综合评估了500 kV 输电线路的防雷改造效果。孙旋等[14]基于改进层次分析法对火灾高危单位消防安全进行了评价研究。可以看出，以上学者运用改进层次分析法进行研究均取得了较好的效果。综上，本文首先采用FTA模型对高压输气管道发生泄漏的原因进行分析，旨在为高压输气管道泄漏风险评估提出一套较为完整、清晰的风险评价指标体系；其次采用改进的层次分析法(IAHP)计算各指标体系的权重并排序。研究结果可为燃气管道日常的安全管理提供可靠的依据，以期减少管道泄漏事故的发生。

1 基于事故树的层次分析法

1.1 构建事故树模型

经调查发现，大多数严重的高压输气管道安全事故都是由于管道泄漏遇到点火源而引发的火灾和爆炸。根据把对管道系统影响最大的事件作为分析对象的原则，本文将“管道泄漏失效”作为事故树模型的顶事件进行分析；再依据天然气事故调查和分析发现的管道穿透和破裂是引起管道泄漏失效最根本的原因，以这2个原因为次顶事件，结合危险源辨识对事件进行逐一分析直到找到最基本的底事件。图1为高压输气管道泄漏事故树模型，表1为事件含义列表，该模型共考虑了26个基本事件。

1.2 高压输气管道泄漏层次分析模型

根据图1所建立的事故树模型，对基本事件进行分类、整理及中性化描述后发现导致高压输气管道泄漏的基本原因可分为第三方因素、腐蚀因素、误操作因素及设备因素4个方面。从这4个方面出发建立了高压输气管道泄漏层次分析模型，如图2、表2所示。

1.3 事故树结构重要度构建判别矩阵

根据所建立的“管道泄漏事故树”，运用布尔代数法计算得到最小割集32个，最小径集56个。由于最小径集数量过多，用于计算结构重要度过于复杂，因此本文选用最小割集计算，最小割集如表3所示。

事故树的结构重要度是一个反映基本事件对顶上事件影响程度的指标，而层次分析法中的指标层各因素的权重同样反映了其对目标层的重要程度。将各基本事件结构重要度Iφ作为指标层各因素的判断因子χ(i)，结果见表4。结构重要度的计算公式见式(1)。

(1)

式中：k为事故树分析所得的最小割或径集数目；m为包含第i个基本事件的最小割集或径集的数目；Rj为包含第i个基本事件的第j个最小割集或径集中的基本事件的数目。

表2 高压输气管道泄漏失效评价指标体系

表3 最小割集

图2 管道泄漏层次分析模型

指标因素123456789判断因子χ(i)1/321/321/321/641/6417/2803/321/203/32指标因素101112131415161718判断因子χ(i)1/281/283/641/281/101/161/641/641/64指标因素1920212223242526判断因子χ(i)1/643/1123/1123/1123/1123/1123/1123/112

(2)

式中：m、n为各准则层下指标层的数目；i、j为判断矩阵aij的下标，分别表示第i行和第j列。每个准则层下都包含不同数量的指标因素，对指标因素进行两两比较，得到指标层的判断矩阵：

(3)

式中：i、j为判断矩阵aij的下标，分别表示第i行和第j列。

根据式(2)(3)可以得到准则层以及各指标层的判断矩阵，然后运用传统的层次分析法计算出各因素的权重值，具体计算步骤见文献[16]，最后对矩阵的一致性进行检验。经计算所有矩阵的CI值均小于0.1，符合一致性检验，详见表5～9。

表5 准则层判断矩阵

运用式(3)对各准则层下的指标层进行两两对比，可得出第三方因素、腐蚀因素、误操作因素及设备因素下各指标因素的判断矩阵和权重值，计算结果如表6～9所示。

表6 第三方因素判断矩阵(B1)

表7 腐蚀因素判断矩阵(B2)

表8 误操作因素判断矩阵(B3)

表9 设备因素判断矩阵(B4)

2 层次总排序

依据表10的层次总排序可以看出：管道初始缺陷所占比例最大达到总比例的10.11%，说明天然气管道运营公司在投产之前必须对管道质量进行严格检查，避免管道存在初始缺陷；其次，日常的管道腐蚀检测与管材抗腐蚀性也十分重要，占到总比例的9.57%，所以在天然气管道的日常管理中应加强管道腐蚀检测工作，并在管道设计阶段选取抗腐蚀性较强的管材以保证管道日常的安全运行；管道施工阶段的监理工作非常关键，占到了总比例的6.1%，因此企业应认真做好管道施工阶段的监理工作，避免施工阶段的错误操作，确保管道施工质量，并须强化工作人员的技能培训和安全教育，增强工作人员的责任心，保证员工日常工作质量。管道安全管理部门可依据表10的权重值并结合模糊综合评价等科学方法定期对管道进行泄露风险评估，找出风险的薄弱环节并制定合理的管控措施，将管道泄漏事故防患于未然。综上所述，各因素评价结果与实际情况基本相符，说明该方法有一定的实用价值。

表10 层次总排序

续表(表10)

3 结束语

将事故树模型和层次分析法结合起来，根据事故树模型来确定改进层次分析法的各个指标，使评判指标之间的关系更清晰，评判结果更符合客观实际。

建立了高压输气管道泄漏事故树模型，该模型共考虑了26个基本事件，将事故树的结构重要度作为判断因子进而得到各指标层的判断矩阵，然后结合层次分析法对管道泄漏事故进行了定性识别与定量分析。

结果显示，在准则层中腐蚀因素所占比例最大，在指标因素中初始缺陷、腐蚀检测、管材抗蚀性、施工监理为主要致灾因素。各因素评价结果与实际情况基本相符，说明该方法具有一定的实用价值，可为高压输气管道日常的泄漏风险预防与控制提供一定的依据。