城镇燃气管道的安全评价方法

　　1 概述

　　近年来，我国各城市的天然气管网建设飞速发展，2006年末，我国城市燃气的气化率达79.11%(包括城区暂住人口)，各类燃气管道的长度已达189491km[1]。

　　由于燃气管道输送的是易燃易爆物质，如何保证城镇燃气管道的安全便成为亟待解决的问题。对城镇燃气管道进行安全评价，可使燃气管道运营企业掌握管道状况，提前了解存在的危险源，合理分配维护资金和维护资源，变盲目被动维修为预知主动防护和维修，最大程度地减少燃气管道突发事故造成的人员伤亡和经济损失。城镇燃气管道安全评价从技术方面分析、论证和评估产生损失和伤害的可能性、影响范围及严重程度，提出应采取的对策措施。本文就城镇燃气管道的安全评价方法作一系统比较，寻求一种程序简单、操作容易、客观全面的安全评价方法。

　　2 燃气管道安全评价方法的分类

　　目前，城镇燃气管道安全评价方法分为定性安全评价和定量安全评价，近年来，有些学者赞同分3类，即定性安全评价、定量安全评价和半定量安全评价[2]。

　　定性安全评价主要是借助于对事物的经验、知识、观察及对发展变化规律的了解，直观地对整个城镇燃气管网系统存在的危险隐患进行定性分析、判断的一种方法。其评价的结果是定性指标，不对风险进行量化处理，只用于对事故发生的可能性和后果严重程度进行相对比较，评价结果比较直观，过程较简单，易理解，便于掌握，但有一定的局限性，即过于依靠评价者的主观经验和知识水平。定性安全评价方法包括：安全检查表法、危险性预分析法、故障树分析法、事件树分析法、故障类型及影响分析法、危险和可操作性研究法等[3]。

　　定量安全评价是运用对大量实验结果和广泛的事故资料进行统计分析而获得的规律，对城镇燃气管道系统的工艺、设备、人员、管理等方面的状况，应用科学方法构建数学模型进行评价的一种方法。这是一种更科学客观的评价方法，也是城市燃气管道安全评价的高级阶段，可以对失效概率和失效结果进行直接评价，这种做法准确可靠，但需要燃气公司提供管道系统各部分的详细失效数据。定量安全评价方法包括：美国道化学公司(DOW)法，即火灾、爆炸指数法；帝国化学公司(ICI)蒙德法，即火灾、爆炸、毒性指数法；日本劳动省危险度评价法；单元危险性快速排序法；火灾、爆炸数学模型计算法，即下文所述的伤害(或破坏)范围评价法；作业条件危险性评价法(LEC)等[3]。

　　3 本文采用的安全评价方法

　　本文采用的研究方法包括定性安全评价、定量安全评价，其中定性安全评价包括故障树分析法、安全检查表法、专家评议法、故障假设分析法、危险和可操作性研究法等；定量安全评价包括故障树分析法、伤害(或破坏)范围评价法、风险矩阵法等。其中故障树分析法既可以定性又可以定量，故可分别归入2种方法。

　　3.1 定性安全评价方法[4～7]

　　① 故障树分析法

　　故障树分析法以系统可能发生或已经发生的事故(即顶事件)作为分析起点，将导致事故发生的原因按因果逻辑关系逐层列出，用树形图表示，然后定性或定量分析事件可能发生的途径及概率，找出避免事故发生的各种方案并选出最佳安全对策。此法应用范围比较广，非常适合于重复性大的系统，其优点是能对安全隐患作出全面、简洁的描述，便于有关人员掌握各种防灾要点并进行系统评价；缺点是计算量大，步骤多，数据不好收集。<BR>

　　② 安全检查表法

　　安全检查表法是基于经验的方法，须由熟悉装置的操作、标准、政策和法规，有经验和具备专业知识的人员协同编制。进行安全评价时，成功与否很大程度上取决于检查表编制人员的水平，此法简单、经济、有效而经常使用，适用于各类系统的设计、验收、运行、管理及事故调查。

　　③ 专家评议法

　　专家评议法的特点是举行专家会议，对所提出的具体问题进行分析预测，综合专家意见得出比较全面的结论，此法简单易行，十分有用。<BR>

　　④ 故障假设分析法

　　故障假设分析法通过提出一系列“如果……怎么办？”来发现潜在的事故隐患，从而对系统进行彻底检查。须由2～3名熟悉生产工艺，有评价危险性经验的小组成员组成，该法应用广，弥补了基于经验的安全检查表法的不足，但检查表法可以使其更系统化，因此可将二者组合以取长补短。

　　⑤ 危险和可操作性研究法

　　危险和可操作性研究法是以引导词作为引导，找出过程中工艺状态的变化(即偏差)，分析偏差产生的原因、后果及可采取的对策。此法的原理是背景各异的专家们一起工作，能够在创造性、系统性和风格上互相影响和启发，能够发现和鉴别更多问题，比他们独立工作并分别提供工作结果更有效。

　　3.2 定量安全评价方法<BR>

　　① 故障树分析法

　　评价事故发生的可能性，既可用于定性评价，又可用于定量评价。<BR>

　　② 伤害(或破坏)范围评价法[8]

　　选择合理实用的管道失效后的伤害模型，包括气体泄漏模型、爆炸冲击波的伤害破坏模型等，计算燃气泄漏后的伤亡半径、损失程度等数据。

　　③ 风险矩阵法

　　用于安全等级的确定，当前大部分文献是参照文献[9]中的风险矩阵。横坐标为事故后果的严重程度，范围是[0，100]；纵坐标为事故发生的可能性，范围是[0，1]。横坐标和纵坐标均分为5份，风险值是事故发生的可能性值与事故后果严重程度之积，根据风险值查询风险矩阵对应的安全等级。<BR>

　　4 城市燃气管道安全评价程序

　　安全评价程序包括：准备阶段、重大危险源辨识、安全性评价、安全控制措施、安全评价结论等几个方面。对于燃气管道，重大危险源辨识包括危险因素分析及定性判断事故发生的可能性；安全性评价包括单元划分、评价方法的选择、定性定量评价、危险分级等几个方面；得出安全控制措施及评价结论。

　　4.1 准备阶段

　　明确被评价的对象和范围，收集相关法律法规、技术标准及工程、系统的技术资料。

　　4.2 重大危险源辨识

　　重大危险源辨识一般用定性评价方法，以故障树分析法为主，安全检查表法、专家评议法、故障假设分析法等为辅分析危险因素，通过对底事件进行结构重要度分析定性列出各底事件的重要性大小，并将一阶最小割集内的底事件列为重大危险源。

　　4.3 安全性评价

　　4.3.1评价单元的划分

　　具体燃气管道的安全评价需要划分评价单元，根据实际情况，可按压力级制、阀门位置、管道周围建筑物类型与重要程度、人口密度等依次优先划分。

　　4.3.2评价方法的选择

　　对于燃气管道，安全评价方法总体上采用定性评价和定量评价相结合，多种分析方法组合的方式进行。

　　4.3.3定性方法及步骤

　　① 按定性方法确定故障树底事件

　　以故障树分析法为主，以安全检查表法、专家评议法、故障假设分析法、危险和可操作性研究法为辅。利用举行专家会议或问卷调查的方式，由熟悉设计、施工、运行和日常维护的相关技术人员对某些问题给出回答；利用故障假设分析法通过提出一系列“如果……怎么办？”来发现潜在的事故隐患，帮助分析故障树的底事件，尽量将可能发生的事故一一列出。当根据专家意见和各种相关人员的答复，整理得到影响管道安全运行的各种因素后，可以列出故障树的底事件，此过程也是危险源辨识的过程。常用的辨识方法包括：询问、交谈；查阅有关记录；现场观察；获取外部信息；工作任务分析；安全检查表；危险和可操作性研究；事件树分析；故障树分析[3]等。

　　② 结构重要度分析

　　各底事件的相对重要度大小是一个必须考虑的问题。需要用最小割集先定性判断出各个事件的结构重要度，所谓最小割集是指一个集合中基本事件全都发生时，顶事件必然发生，若缺少其中一个基本事件，顶事件就不会发生。并注意要符合以下几个基本原则[5]：

　　a. 单事件最小割集(一阶)中的基本事件的结构重要度系数大于所有高阶最小割集中基本事件的结构重要度系数。

　　b. 在同一最小割集中出现的所有基本事件，结构重要度系数相等(在其他割集中不再出现)。

　　c. 几个最小割集均不含共同元素，则低阶最小割集中基本事件的结构重要度系数大于高阶割集中基本事件的结构重要度系数，阶数相同则结构重要度系数相同。

　　d. 比较2个基本事件，若与之相关的割集阶数相同，则2个事件结构重要度系数大小由它们出现的次数决定，出现次数多的结构重要度系数大。

　　e. 相比较的2个事件仅出现在基本事件个数不等的若干最小割集中，若它们重复出现在各最小割集中的次数相等，则在少事件最小割集中出现的基本事件结构重要度系数大。

　　由以上原则可知，一阶最小割集是最危险的，所以其内的事件是重大危险源。各个底事件结构重要度的求出为接下来专家判断各底事件发生的权重提供了依据。

　　③ 征集专家意见评价底事件发生的权重

　　底事件发生的权重一般通过基于历史数据的统计法和专家调查法确定。专家调查法通过选择一定数量的专家组成评价小组，由分析人员将要评价的内容设计成含义明确的意见征询表，请专家匿名回答，由专家根据自己的经验对所评价的底事件的权重作出判断，再用加权统计法或频数统计法求出各底事件的权重。

　　④ 基础评价模型

　　将第三方破坏、腐蚀、设计及操作不当、管道材料和施工、地质条件及其他影响等5类影响因素各按20%权重计算，按上述步骤③得出各底事件的权重，我们称之为基础评价模型。

　　4.3.4定量方法及步骤

　　本文采用故障树分析法、伤害(或破坏)范围评价法及风险矩阵法来评价。故障树分析法在承接以上定性评价的基础上，给出2个修正模型，对基础评价模型进行修正；伤害(或破坏)范围评价法则给出了事故后果伤害模型，对燃气泄漏后的具体破坏情况进行描述，并统计人员伤亡和财产损失情况，将其转化为可计量的分数值；风险矩阵则给出了安全等级划分的方法，计算出风险值后给出评价结论。

　　① 故障树分析法

　　在故障树定性分析的基础评价模型基础上，引入2个修正模型。当应用于具体城市时，根据此城市燃气管网的运行资料及事故统计规律，将各事故的原因归入前面所列的5种原因，按事故发生的比例做归一化处理，得到此城市5种事故原因的比例，将此比例中的各项分别除以0.2后(因为前述所有底事件权重是按5种事故原因各占20%计算的)，乘入5种原因所包括的底事件权重中，得出此具体城市的各个底事件对应于顶事件的相对权重；或者<BR>具体到各燃气管道时有更详细的多年事故报修记录，按上述方法得出底事件权重值，此过程称为修正模型1。通过对各种材料的收集，判断管理部门都采取了哪些保护措施，应急预案、日常管理是否到位等情况，以减少其发生事故的可能性，此过程称为修正模型2。

　　② 伤害(或破坏)范围评价法

　　用于评价事故的后果方面，一般可以从以下几个方面进行计算：a.燃气泄漏引起火灾、爆炸造成管道周围人员伤亡和财产损失；b.燃气泄漏造成的介质损失、管道修理费用及停止输气造成的直接经济损失等；c.对管道周围的环境破坏以及其他间接经济损失[10]。可将各种损失转化为管道失效后果得<BR>分(如满分按100分计)。

　　③ 风险矩阵法

　　风险矩阵给出了安全等级划分的方法，计算出风险值后给出评价结论。根据风险矩阵，安全等级划分为低风险等级：风险值为[0，24)；中等风险等级：风险值为[24，52)；中高风险等级：风险值为[52，84)；高风险等级：风险值为[84，100]。

　　4.4 安全控制措施

　　对危险性较高的管道，应给出安全控制措施。

　　4.5 安全评价结论

　　① 被评价管道的基本情况概述。

　　② 区段划分结果。

　　③ 重大危险源重要性大小。

　　④ 伤害(或破坏)范围评价法得出的事故后果(伤亡人数、直接经济损失等)。<BR>⑤ 根据风险矩阵得出燃气管道的安全等级，再对危险性高的管道列出控制措施。

　　参考文献：<BR>

　　[1] 住房和城乡建设部综合财务司.中国城乡建设统计年鉴2006年[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

　　[2] 严宇，张鹏，李江，等.城市燃气管网风险评价方法[J].油气储运，2006，25(9)：16-19.

　　[3] SY/T 6631—2005，危害辨识、风险评价和风险控制推荐作法[S].

　　[4] (英)Muhlbauer W K(著)，杨嘉瑜，张德彦，李钦华，等(译).管道风险管理手册[M].北京：中国石化出版社，2004.

　　[5] 张乃禄，刘灿.安全评价技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

　　[6] 吴宗之，高进东，魏利军.危险评价方法及其应用[M].北京：冶金工业出版社，2001.

　　[7] 闫兰英，李红.事故树分析法在湿式储气罐安全评价的应用[J].煤气与热力，2006，26(9)：13-15.

　　[8] 刘铁民，张兴凯，刘功智.安全评价方法应用指南[M].北京：化学工业出版社，2005.

　　[9] API 581—2000，Risk-based Inspection[S].

　　[10] 孙永庆，钟群鹏，张峥.城市燃气管道风险评估中失效后果的计算[J].天然气工业，2006，26(1)：120-122.