基于事前状态和事后数据的油气管道风险评估

2020-01-08翟钰婷蒋习民

水利与建筑工程学报 2019年6期

翟钰婷，李昕，蒋习民，周晶

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024;2.大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁大连 116024;3.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026)

管道是长距离输送石油或天然气的最经济最安全方式，国内外广泛使用。当前许多管道已经进入服役的中后期，发生事故风险显著增大。事故的发生必然会造成巨大的经济损失、环境破坏，从而给社会带来恶劣的影响[1]。因此，评估与预测油气管道事故后果的严重程度是十分必要的，它可以为管道的风险管理者提供科学的决策依据。

目前，国外对管道的风险分析已经开展了广泛研究，1992年，Muhlbauer[2]撰写了《管线风险管理手册》详细阐述了管线风险评估模型和评估方法的；挪威船级社基于大量的实验和数值分析的研究上编写了腐蚀管道内压荷载评估规范DNV-RP-F101[3]标准；Kim等[4]利用具有不同尺寸腐蚀坑的X64管道进行了爆破实验并结合数值仿真得到了矩形和椭圆腐蚀坑的失效准则；2002年，美国机械工程师学会颁布了《输气管道系统完整性管理》[5]。国内关于管道的风险研究虽然起步较晚，但是也取得了一些成绩，僮祥英[6]在有限的事故案例中获取样本数据，然后利用模糊神经网络来训练评估网络，最终利用训练好的网络根据燃爆模型来评估埋地燃气管道事故后果严重度。赵事等[7]运用改进的一次二阶矩，提出并建立了腐蚀管道可靠性极限状态函数和管道剩余寿命预测模型。但现在的研究大多以池火、蒸汽云爆炸以及毒气泄漏为模型进行分析，并未考虑到事故后果会对社会安定、财产损失等因素产生的切实影响。

因此，本文结合工程实例从宏观角度对油气管道的事故后果进行评定与预测。分别采用层次分析法和贝叶斯概率法进行事前和事后风险评估，再结合模糊数学法进行后果等级的确定。

1 管道风险分析

风险的综合评价是一个十分复杂的系统[8]，不仅在发生、发展过程演变复杂，还涉及众多评价指标[9]。经过对油气管道可能发生的后果进行研究，将从生命、经济、社会和其他影响四个方面来进行事故后果严重性分析，同时将事故后果严重程度分为低(A)、中(B)、高(C)三个等级。

1.1 事后评估

对于事故已经发生的情况我们可以直接进行事故后果的评估，首先可按实际情况结合油气管线自身特性，分析事故机理，得到如图1所示的风险后果指标体系：

图1 油气管道风险后果指标体系图

从图1中可以看出事故的风险后果一级指标有四项，分别是人员伤亡、经济损失、社会影响和其他影响。对于人员伤亡和经济损失可以根据事故后果直接得到，但是社会影响和其他影响并不能直接得到确定的结果，因而它们还分别拥有自己的二级指标。社会影响的二级指标是：公民关注度、灾害情况和断供情况。其他影响的二级指标有：环境影响、周围交通影响和临近管道影响。

然后对油气管道事故后果的指标进行等级划分。由于油气管道的后果评价领域还未制定出统一的标准，所以只能参考其他行业的标准。由于不同领域的关注点不同，导致评价标准也存在明显差异，因此在引用时需根据管道的性质进行调整。本文生命和经济损失主要参考了《生产安全事故报告和调查处理条》，如表1为人员伤亡分级表，表2为经济损失分级表。由于社会和其他影响目前尚无定量指标，可根据孙玮玮等[10]提出的社会环境影响系数以及环境影响评价技术导则等进行分级，如表3为群众关注度分级表，表4为断供情况分级表，表5为灾害情况分级表，表6为环境污染分级表。

表1 人员伤亡分级表

表2 经济损失分级表

表3 群众关注度分级表

表4 断供情况分级表

表5 灾害情况分级表

表6 环境污染分级表

层次分析法[11]是常用来计算权重的方法之一，在确定油气管道风险后果指标等级划分标准后，就可利用该方法计算油气管道的风险后果指标的权重，以一级评价指标为例：

(1) 建立一级评价指标。U={u1,u2,u3,u4}={人员伤亡，经济损失，社会影响，其他影响}

(2) 建立判断矩阵。根据表7相对重要性判断标准建立判断矩阵。

(3) 计算特征值和特征向量。先对判断矩阵元素进行正规化。

再将正规化的矩阵每一列元素相加再正规化得特征向量W。

(1)

式中：Wi为正规化特征向量中第i项。

再利用判断矩阵和特征向量求最大特征值。

(2)

式中：λmax为最大特征值；A为判断矩阵；n为矩阵阶数。

(4) 一致性检验

(3)

(4)

式中：CI为一致性指标；CR为随机一致性指标；CR为检验系数，CR<0.1则判断矩阵一致性合理。

然后利用模糊综合评价法[12]进行油气管道的后果分析。模糊综合评价就是将评价指标的权重向量A和模糊关系矩阵R通过B(·,+) 和B(∧,∨)两个合成模型组成的合成算子进行运算：

(5)

根据式(5)可以得到事故后果风险各等级的隶属度以及主信息可靠程度的灰度。

表7 相对重要性判断标准

1.2 事前预测

大多数时候风险分析需要在未发生事故之前开展，以期用其分析结果指导维护修理增加工程的运行寿命。对事前评估只能利用概率方法进行预测，需要充分运用历史数据及其因果关系，对不确定事件进行数学推理，以实现事前风险评估与预测。贝叶斯网络方法[13]是一个很好的选择。

贝叶斯网络结构图是由节点和有向箭头组成，节点代表能够被观察到的随机变量。箭头用来表示两节点之间的因果关系。如图2所示，有两个节点X和Y，它们之间由X指向Y的箭头相连，表式节点X将直接影响到节点Y。有向线段即箭头则表示节点变量之间拥有直接的依赖关系，而它们之间的依赖程度则可以用条件概率P(X|Y)来表示。

图2 网络结构图

本文采用GeNIE2.0[14]来实现贝叶斯建模和分析。可根据上文对油气管道的失效后果分析建立失效后果贝叶斯网络结构图，见图3。

图3 油气管道失效后果贝叶斯网络结构图

由于结构图较为复杂，所以将网络结构图中需要根据工程实际情况确定的节点设为仅有两个量，列出表8。

将后果中的四个指标依然设为高、中、低三个等级。结构图中各节点的先验概率将利用近些年统计的油气管道失效案例算得。其公式为：

(6)

式中：P(Bi)为事件Bi的概率；P(Bi|A)为事件Bi发生条件下事件A的概率。

图3中箭头为节点间的影响关系，其粗细不同代表不同权重，可利用层次分析法进行计算确定。最终可以得到各指标的等级概率，结合后果评估中算出的权重，利用模糊综合评价法进行分析，确定事故后果等级。

表8 节点值域表

2 工程案例

2.1 事后评估

以某天然气管道工程事故为例[15]，事发当天工作人员发现管道泄漏后，紧急关闭管道阀门并将管内气体排入附近河道，但仍发生燃烧55 min，造成12人死亡，直接经济损失达100万美元，同时因附近吊桥掉落而导致钢结构损坏严重，涉及的四根管道一根停用。

跟据层次分析法和表7的相对重要性判断标准得到模型中的一级因素的模糊一致性判断矩阵，如表9所示。

表9 U的判断矩阵

经计算得到判断矩阵的最大特征值为：λmax=4.016 ，其对应的特征向量为： {0.482，0.272，0.088，0.158}。

当n=4时可知RI=0.90，则

CR=0.0059<0.1

经过计算，可以认为判断矩阵一致性合理，即权重的分配合理。

同理我们还可以得到社会影响和其他影响下的二级评价指标特征向量为{0.164，0.539，0.297}和{0.539，0.297，0.164}，经一致性检验可知其权重分配均合理。

可根据相关信息建立如表10所示的评估表。

表10 油气管道腐蚀因素失效后果评估表

根据失效后果评估表得到模糊关系矩阵如下：

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)]

根据计算结果可知：事故风险后果由低到高的隶属度分别为0.298、0.085、0.617，即可以认为该事故风险后果为三级高风险；灰度为0.1，即信息十分可靠。

2.2 事先预测

首先可根据近年统计的30起燃气管道事故案例，计算失效后果贝叶斯网络结构图中各个节点不同变量的先验概率。以环境、交通及周围管道影响节点为例进行计算。

由图3可知该节点受到上层三个节点的影响，每个节点有两个变量再加上它本身的两个变量，因此该节点总共有24即16个状态。以其中某种状态为例进行计算见表12。

表12 某节点样本数据统计表

然后，根据具体情况对结构图的节点进行更新得到后验概率，如该事例中管道附近有一条小河则我们可以直接把燃爆半径此节点更新为小半径概率为1，人口密度节点更新为较大概率为1，消防设备节点更新为完好概率为1。最后可以得到事故后果的四个指标的事故后果等级后验概率。其结果见图4。

从图4看出利用贝叶斯预测的事故后果指标等级为：人员伤亡最可能发生的结果为高风险，其概率为55%；经济损失最可能发生的结果为低风险，其概率为45%；社会影响高风险和中风险后果等级概率相同都为38%；其他影响最可能发生的结果为高风险，其概率为40%。将所得结果带入到上文所述的模糊综合评价方法当中进行分析，可以得到风险后果由低到高的隶属度分别为0.25，0.33，0.42，即结果仍为三级高风险。信息可靠程度因为是预测仅为0.3较可靠。