燃氣管道定量風險評價及其軟件研制

摘 要

摘要：論述了燃氣管道定量風險評價的主要步驟及其方法，包括危害識別、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、風險估計、風險因素重要度分析風險可接受性評判
摘要：論述了燃氣管道定量風險評價的主要步驟及其方法，包括危害識別、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、風險估計、風險因素重要度分析風險可接受性評判、風險減緩措施提示。給出了燃氣管道定量風險評價流程，采用C++高級編程語言和SQL Server 2000數據庫編制了燃氣管道定量風險評價軟件。該軟件能夠基于燃氣管網GIS運行，能夠評價燃氣管道失效概率、失效后果和風險值，能識別主要風險因素并給出風險減緩措施建議。
關鍵詞：燃氣管道；定量風險評價；軟件編制
Quantitative Risk Assessment of Gas Pipeline and Development of Its Software
HUANG Xiao-mei，PENG Shi-ni，ZHANG Cai-hua，WANG Shu-miao，YANG Jun-jie
Abstract：The major steps and methods for quantitative risk assessment of gas pipeline，including hazard identification，pipeline failure probability analysis，probability analysis of hazardous events，consequence analysis of hazardous events，risk evaluation，importance analysis of risk factors，risk acceptability judgment and presentation of risk mitigation measures，are introduced. The technological process of quantitative risk assessment of gas pipeline is given，and the corresponding software is programmed with Visual C++ programming language and SQL Server 2000 database. The software can be integrated with GIS for gas network，assess failure probability，failure consequence and risk value of gas pipeline，identify main risk factors and offer suggestion on risk mitigation measures.
Key words：gas pipeline；quantitative risk assessment；software programming
    近年來我國城市燃氣業發展非常迅速，這一方面給更多城市提供優質能源，另一方面也帶來許多安全問題。最近幾年，有關燃氣泄漏爆炸的事故屢見報道，燃氣事故不僅給供氣企業帶來經濟損失，也給城市公眾造成恐慌，給城市形象帶來負面影響。從20世紀70年代起，風險管理的概念在企業安全管理中開始流行，并慢慢被油氣長輸企業所接受和采用。近年來，國內部分大型燃氣企業也開始著手建立風險管理或完整性管理體系，以改善嚴峻的安全管理形勢、降低總成本，風險評價技術正是這些管理體系的核心內容。在這種背景下，重慶大學城市建設與環境工程學院和新奧(廊坊)燃氣技術研究發展有限公司合作研制了城市燃氣管道定量風險評價系統軟件，本文介紹該軟件的原理、功能和特點。
1 風險管理和風險評價技術簡介
    風險管理是指企業通過風險辨識、風險評價確定系統的風險因素及程度，并研究風險對策，通過采用多種管理方法、技術手段對生產涉及的風險進行有效控制。采取主動行動，創造條件，妥善處理風險事故造成的不利后果，并對風險控制措施進行監控和信息反饋，以使風險控制在較低的可接受水平和使工業生產的總成本控制在較低水平[1]。風險管理技術的核心內容是風險評價。
    風險評價是以系統安全為目的，按照科學的程序和方法，對系統中的危險因素、發生事故的可能性及損失與傷害程度進行調查研究和分析論證，從而評價總體的安全性以及為制定基本預防和防護措施提供科學的依據[1]。風險評價按照定量的程度可以分為定性評價、半定量評價和定量評價，定量風險評價是風險評價的高級階段。定量風險評價的一般過程見圖1[2]。
 

2 城市燃氣管道定量風險評價方法和模型
2.1 定義系統
   所謂定義系統就是要明確評價的對象。本文的風險評價對象是城市燃氣管道，泛指燃氣廠站(儲配站、調壓站等)之后，用戶引入管之前的所有管道、管道附屬設備及管道附件。
    由于不同的管道系統類型和不同的輸送介質類型的風險評價模型有較大差別，因而在定義系統時，需要明確管道類型和輸送介質。筆者為了最廣泛地滿足各類系統的需要，將系統按照管道設備類型和氣源種類進行分類，分別進行了風險辨識，并建立了相適應的失效概率評價模型和后果評價模型。考慮到管道設備的材料、敷設方式和功能對其失效概率有很大影響，將管道系統分為埋地鋼管、架設鋼管、埋地鑄鐵管、架設鑄鐵管、埋地PE管、閥門和凝水缸7類，法蘭、接頭等附件作為這7類管道設備的附件不單獨列出。本文所介紹的軟件分別按照這7類管道設備建立各自相應的概率評價模型。考慮到輸送介質對內腐蝕失效和后果有重大影響，將管道系統按輸送介質分為天然氣管道、人工煤氣管道、液化石油氣管道和液化石油氣}昆空氣管道4類，在概率評價和后果評價時對4種氣源有相適應的處理。
2.2 危害識別
    危害識別又稱風險辨識，即識別城市燃氣管道系統可能帶來的危害以及影響這些危害的因素，所有這些因素可稱為風險因素。風險因素非常繁多，分類方法也多種多樣，因而危害識別時必須找到一條主線(或在一種思路下)，找出主要風險因素即可，否則有可能識別的風險因素存在重復信息或找出許多次要因素，影響風險評價的可操作性。
    危害識別有許多方法，如安全檢查表、危險性預分析、危險與可操作性研究、故障樹、事件樹[3]。考慮到故障樹和事件樹不僅能夠對燃氣管道的危害因素進行識別，還能進行定量的概率分析，本軟件開發過程中采用了故障樹和事件樹相結合的方法[4]，即以燃氣泄漏為頂事件分別建立7種管道設備類型的故障樹模型以分析泄漏的各層次原因，再以燃氣泄漏為初因事件建立事件樹模型以導出泄漏的各種后果，從而全方面地辨識燃氣管道失效的危害。
2.3 失效概率分析
    失效概率能夠定量表達燃氣管道失效的可能性趨勢，精確評價管道失效概率是非常困難的，因而失效概率的評價結果應當保證相對準確性并不斷向實踐統計值逼近。失效概率評價也有許多方法，但無論采用什么方法都需要可靠的數據來源，主要有2類：歷史失效記錄數據和專家估計數據。由于目前國內收集的相關歷史失效數據量較少，因此筆者采用專家估計法，聘請國內12位專家在層次分析法[5]的框架下進行評分和判斷，并對這些數據進行整理和分析，得到故障樹概率分析所需的數據來源[6]。這些數據是主觀的，未必與實踐統計值吻合得很好，因此在概率計算時，筆者將這些主觀數據與客觀統計值關聯起來，使得大量管道失效概率的評價值的平均值總是與客觀統計平均值相接近[6]，并建立了一個燃氣管道失效與事故數據庫[7]用來記錄歷史失效和事故數據。
2.4 失效危害事件的概率分析
    在不同的失效模式、不同的工藝條件和不同的環境下，管道失效所導致的危害是完全不同的，筆者采用事件樹分析法導出了管道失效后泄漏燃氣以及造成的危害事件組合。這些后果事件組合都是由著火、射流火、受限空間爆炸、開敞空間爆炸、中毒與窒息、資源損失等幾類危害所造成的。危害事件組合的概率由事件樹初因事件(即管道失效)的概率和后續事件概率共同計算，后續事件概率計算方法與管道失效概率相同。
2.5 失效危害事件的后果分析
    所謂后果分析就是定量評價管道失效所導致的危害事件組合的嚴重程度，本軟件用貨幣化的直接經濟損失表達這種嚴重程度。燃氣管道失效導致的經濟損失有4個方面：人員傷亡經濟損失、財物損毀經濟損失、漏氣經濟損失和系統恢復費用，這些經濟損失都是由火災、爆炸、中毒窒息及漏氣所導致的。因而后果分析需要確定事件樹分析得出的所有后果事件有關這4個方面的經濟損失金額，也就需要確定每個后果事件的每種危害導致的人員傷亡半徑、財物毀壞半徑、燃氣泄漏量[8]、修復費用以及人口密度、財產分布密度等數據，并統計出每個危害事件組合的直接經濟損失總額，可參閱文獻[5]。
2.6 風險估計和風險因素重要度分析
    將事件樹中每個危害事件組合的概率和經濟損失總額相乘(即求出經濟損失數學期望)，再累加事件樹中所有危害事件組合的經濟損失數學期望，即得到該管道的風險值，其單位也是貨幣化經濟損失額。風險因素重要度分析是指對系統風險的所有影響因素對風險貢獻大小程度的分析。重要度分析的目的是找出風險的主要因素，從而確定燃氣管網系統的薄弱環節，并可針對這些主要因素制定相對應的風險減緩措施。根據風險值的計算過程反向求解，確定各個風險因素對風險值的貢獻程度，從而完成重要度分析。
2.7 風險可接受性評判
風險可接受性是指人們認識到某種實踐活動的風險的存在并繼續從事該項活動時，將這種風險作為獲得有關利益和好處的代價而接受[9]。風險可接受性標準通常采用合理的盡可能低(As Low As Reasonably Practicable，英文縮寫ALARP)[1、2]原則，圖2為ALARP標準。確定風險可接受性準則時應充分考慮安全與成本之間的關系，風險可接受性準則制定得越嚴格，系統則越安全，但為此付出的成本也越高。在燃氣企業風險管理中，通常將風險分為幾個等級，風險等級按照風險可接受標準來劃分，以代表風險是否能夠被接受。在確定風險可接受性標準時，應充分結合燃氣管網的運行狀況，建議按照表1燃氣管道風險等級劃分標準劃分風險等級。
 

表1 燃氣管道風險等級劃分標準
等級
可接受性
需要的措施
低
可忽略風險
無需增加措施
較低
可接受風險
日常巡線監視
中
可容忍風險
增大巡線頻率，注意監控
較高
有條件的可容忍風險
增大巡線頻率，必要時實施檢查，嚴密監控
告
不能容忍風險
立即對管道進行檢查，嚴密監控，盡快改造
很高
無法接受風險
立即檢查、改造
2.8 風險減緩措施提示
    風險減緩是控制燃氣管道風險的主要方式，風險減緩可以從減少失效和危害事件的概率以及減輕危害事件的后果兩個方面入手。重要度分析能夠找出主要的風險因素，軟件將事先針對所有的風險因素制定出可采用的減緩措施儲存在數據庫中，在評價任意一條管道的風險之后，軟件就能夠根據找出的若干個主要風險因素顯示出相應的對策，供維護人員參考。
3 城市燃氣管道風險評價流程
    城市燃氣定量風險評價軟件的主要功能是提供定量的燃氣管道風險評價過程和結果，為高風險管道識別出主要的風險因素，并提供相應減緩風險的參考措施。軟件的風險評價流程見圖3。
 

4 城市燃氣管道定量風險評價軟件的編制
① 開發工具
軟件開發采用Microsoft開發的基于Windows的開發平臺——Microsoft Visual Studio.NET 2003，開發語言采用非常成熟的標準C++語言(所有外部接口模塊提供JAVA和C++接口)，軟件界面采用Microsoft內部開發的ATL擴展WTL7.0。數據庫采用Microsoft開發的SQL Server 2000，Microsoft SQL Server 2000是一個分布式的關系型數據庫管理系統，具有客戶機、服務器體系結構，采用了Transactsql的sql語言在客戶機與服務器間傳遞客戶機的請求與服務器的處理結果。
② 軟件模塊以及代碼結構
軟件有數據庫模塊、風險評價模塊、管理模塊3個業務模塊，其中風險評價模塊又由失效概率評價、危害事件概率評價、危害后果評價、風險評價4個子
    模塊組成，這些子模塊由若干個次子模塊組成，例如危害事件概率評價子模塊由泄漏模式判斷、泄漏流量計算、擴散分析、立即點燃概率估算、聚集在受限空間概率估算、延遲點燃概率估算、產生沖擊波概率估算、各后果事件概率計算等次子模塊組成，見圖3城市燃氣管道風險評價流程。代碼結構采用應用層與數據業務處理分開的模型結構，也就是說數據庫讀寫的程序與應用層業務邏輯處理的程序相互獨立，使得程序更具有可擴展性和可維護性。
③ 與管網GIS的集成
    在管網GIS的數據庫中增加新的數據庫表來滿足風險評價軟件的需要，增加的新數據庫表以及GIS數據庫中原有的數據庫表一起作為風險評價計算的支撐數據庫。支撐數據庫包括：管道參數及環境參數數據、管道失效與事故數據、風險影響因素及其權重、具體情況及其分值數據、各種風險因素相對應的風險減緩措施等數據。
    將風險評價計算的結果相關的數據表字段(包括：腐蝕失效概率、第三方失效概率、其他原因失效概率、失效總概率、失效等級、風險值、風險等級、主要風險因素、風險減緩措施等)導入到GIS數據庫的管道參數主表中，使得通過GIS支持的二次開發功能以圖形或屬性的方式輸出風險評價的相關結果。
5 軟件的主要功能
   ① 軟件管理功能
   軟件具有用戶管理功能，能夠新增、刪除軟件用戶、修改用戶密碼，能為用戶設置相應的權限；能夠導出風險評價結果；能夠對風險等級、失效概率等級進行設置；能夠顯示風險參數默認值的修改日志等。
   ② 管道設備數據管理功能
   能夠查詢、統計、添加、刪除、編輯、保存管道設備記錄；能夠統計、查詢管道設備的評價結果；能夠批量錄入、保存同類型管道設備的風險參數；提供與GIS集成的接口，能夠從GIS中實時讀取和寫入管道數據。
   ③ 風險評價功能
   能夠單獨或批量計算各管道設備的以下參數：總失效概率、腐蝕失效概率、第三方破壞概率、其他失效概率(除腐蝕失效和第三方破壞以外)、泄漏流量、泄漏量、射流火危害半徑、爆炸危害半徑、中毒危害半徑、閃火危害半徑、人員傷亡經濟損失、財產損毀經濟損失、漏氣經濟損失、系統恢復經濟損失、風險值(以期望經濟損失表達)等。
    ④ 風險評判和風險減緩措施建議
    能夠根據設置的風險等級判斷管道的風險等級，并找出主要的風險因素，顯示相對應的風險減緩措施。
    ⑤ 風險因素默認值修改
    能夠根據實際應用情況，對參與計算過程的風險因素在各種具體狀態下的默認分值、默認權值或默認取值進行修改，以不斷修正風險評價的結果。
6 軟件的主要特點
   ① 界面友好性和可操作性
   軟件具有良好的人機交互界面，為了避免大量的管道及其屬性參數的手工錄入，軟件采用了和GIS相同的分段策略，可直接從GIS讀取已有的屬性數據。對于GIS沒有的參數則都設置了默認值(大部分管道都是取默認值的)，并提供下拉選單，操作人員可修改參數。為了減少改選和錄入的工作量，軟件提供了批量錄入功能，即對于相同參數取相同值的同類管道設備，可以一次性選擇后統一錄入。
   ② 廣泛的適用性
   軟件分別為7類管道設備建立了失效模型，并考慮了4種氣源在風險評價上的差異，涵蓋了國內主要的管材、管道附屬設備和主要的氣源類型；失效分析和后果分析中幾乎考慮了所有可能遇到的失效原因和后果及其組合的類型。因而軟件具有廣泛的適用性。
   ③ 可持續性和可移植性
   評價所使用的數據源(風險因素的分值、權值、取值以及實際平均失效概率統計值)均可以不斷修正，因而可不斷持續地改進風險評價結果的準確性。軟件各模塊之間保持高內聚、松耦合，并提供接口規范，當需要重新開發或者升級某模塊時，第三方軟件開發人員可以很容易地開發出新的功能模塊或升級該模塊。
7 結論
    風險評價是燃氣管道風險管理和完整性管理的核心內容，是安全管理工作的有力支撐。筆者所開發的燃氣管道定量風險評價軟件符合國際通用的定量風險評價流程，軟件開發前進行了較為完整的風險辨識，風險評價過程較為全面地考慮了各種對象(即適用于各種氣源的管材、敷設方式和管道附屬設備等)、各種失效原因、各種后果組合。軟件功能完善且具有良好的可操作性、可持續性和可移植性。盡管軟件的實際使用效果還有待長期實踐檢驗，軟件可能還需根據使用情況進行調整，但可以預計該軟件不僅能夠作為管網日常安全管理的工具，更能為安全管理工作帶來有效和可靠的決策支持。
參考文獻：
[1] 陳國華.風險工程學[M].北京：國防工業出版社2007.
[2] FABER M H，STEWART M G. Risk assessment for civil engineering facilities：critical overview and discussion[J].Reliability Engineering and System Safety，2003，80(2)：173-184.
[3] 彭力，李發新.危害辨識與風險評價技術[M].北京：石油工業出版社，2001.
[4] 黃小美，彭世尼，李百戰，等.燃氣管道失效的故障樹與事件樹相結合[J].重慶建筑大學學報，2006，28(6)：99-101.
[5] 黃小美，李百戰，彭世尼，等.基于層次分析和模糊綜合評價的管道風險評價[J].煤氣與熱力，2008，28(2)：B13-B18.
[6] 黃小美.城市燃氣管道系統定量風險評價及其應用研究(博士學位論文)[D].重慶：重慶大學，2008.
[7] 黃小美，彭世尼，王書淼，等.城鎮燃氣管道失效與事故數據庫設計[J].煤氣與熱力，2009，29(1)：B40-B43.
[8] 黃小美，彭世尼，徐海東，等.燃氣管道泄漏流量的計算[J].煤氣與熱力，2008，28(3)：B11-B16.
[9] 郭仲偉.風險分析與決策[M].北京：機械工業出版社，1987.
 
(本文作者：黃小美1 彭世尼1 張才華2 王書淼3 楊俊杰3 1.重慶大學 城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2.成都衛士通信息產業股份有限公司 四川成都 610041；3.新奧(廊坊)燃氣技術研究發展有限公司 河北廊坊 065001)