风险评价及其在城市燃气输配系统中的应用

摘  要：本文首先简要介绍了风险的定义，介绍了风险评价的一般程序，即风险评价应包括风险可接受性准则的制定、危害识别、危害事件的概率分析及后果分析和风险评估，并介绍了城市燃气输配系统中常用的分析方法：逻辑树分析、故障模式影响及致命度分析以及专家判断指数法。最后文篇提出了风险评价在城市燃气安全管理中的作用以及在我国燃气输配系统应用风险评价技术的建议。

关键词：风险评价  城市燃气输配系统  事故  逻辑树   FMECA   应用

Risk Assessment and Its Application on Urban Gas Transmission and Distribution  System
[Abstract] This thesis introduces the definition of risk firstly, then introduces the general procedure of risk assessment, which should include the determination of risk acceptance criterion, hazard identification, probability analysis of these hazardous events, consequences analysis and risk assessment. And the thesis introduces analysis methods often used in urban gas transmission and distribution systems, such as Logic Tree, FMECA and Index Method etc. . Finally, the thesis mention the effect of risk analysis in urban gas safety management and recommend some measures to apply risk assessment to gas transmission and distribution system in our contry.
[Key Words]Risk assessment  Urban gas transmission and distribution system   Accident
           Logic Tree   FMECA    Application
1 引  言
    城市燃气输配系统要求保证不间断地、可靠地给用户供气，在运行管理方面也应是安全的。燃气输配管道及其附属设备错综复杂地分布在城市街道之中，周围人口、建筑物密度大；一些储配站也由于城市的向四周扩张而逐渐位于城市中央；燃气引入管及用户管更是进入建筑物内部；另一方面，城市燃气是易燃易爆的气体(对于人工煤气还有毒)，若输配管网系统由于某种原因失效，燃气易于泄漏，并可能引发中毒、爆炸及火灾，从而给人们的生命安全和财产构成威胁。而风险评价技术正好是确定危害事件发生的概率和后果严重程度，并与给定目标或准则相比较，确定其是否在可承受范围内的一门新兴科学。
2 风险的定义及风险评价的一般程序
    2.1风险的定义
    风险包含任何有违于达到安全状态的任何事物。过去的文献对风险有许多的定义：文献[1]认为风险就是发生不幸事件的概率，是某一种事业预期后果估计仲较为不利的一面，他将风险表示为事件发生概率及其后果的函数：风险R＝f(p，C)，其中p为事件发生的概率，C为事件发生的后果；更为一般的定义为风险是事故发生的概率与事故发生所产生的后果的乘积R＝P·C，即为事故后果的数学期望；文献[2]认为对于稀有事件事故后果的数学期望不能反映后果的概率分布特征，而这恰恰是风险最重要的特性，它认为风险的完整描述应包括三个基本元素，事件情景、事件概率和事件后果。
    2.2风险评价的一般程序
    一般系统的风险评价程序如图1所示：
 
图1 风险评价流程图

　　2.2.1 风险可接受性准则
    风险可接受性是指人们认识到某种实践活动的风险的存在并继续从事该项活动时，将这种风险作为获得有关利用和好处的代价而接受。美国核能管理局、英国健康与安全执行委员会和其他管理机构都采纳的风险可接受性标准为风险和危害应为“合理的尽可能低”(ALARP)，如图2示。确定风险可接受性准则时应充分考虑安全与成本之间的关系，风险可接受性准则制定得越低，系统则越安全，但为此付出的成本也越高。确定风险可接受性准则时还应充分考虑个体风险与社会风险的关系，人们通常对社会风险更为关注，例如某一事故多次导致个体死亡的死亡率与另一种事故导致群体死亡的死亡率相同时，人们往往认为群体死亡事故更为严重，这就是人们对社会风险表现出更多的风险厌恶。个体风险通常以每年的死亡率表示，10－6/(人·年)死亡率通常被认为是可以被接受的。社会风险通常以FN曲线表示(累计频率－死亡人数曲线)，例如荷兰的社会风险安全目标如图3示。
    2.2.2 危害识别
    危害识别是风险分析的最关键的步骤之一，这一步要解决的问题是所研究系统中存在哪些潜在危害事件，危害事件在什么条件发生，依此就可以制定控制这些危害事件的措施。我们对危害事件的认识可以是客观的，也可以是主观的，但一定要全面，即要识别出所有的危害事件。国外研究人员在半个多世纪的风险研究过程中总结了许多危害识别的方法，主要有以下方法：
    ·危险性预分析(PHA)　　
    ·故障模式及影响分析(FMEA)
    ·故障模式影响及致命度分析(FMECA)
    ·危害及可操作性研究(HAZOP)
    ·风险幕景分析(RSA)
    2.3 事故概率分析
    事故概率分析主要有两类方法：一是根据过去发生该事故的历史数据估计；二是以可靠性分析为基础，根据事故发生的机理，利用已有的某些元件、设备的失效规律或主观分析对事故发生的概率进行估计。历史数据分析方法需要有完备的事故数据库，其分析结果比较能令人信服，但目前在大多数情况下，由于缺乏必要的历史数据，可靠性分析法的应用更为普遍。事故概率可靠性分析主要有以下方法：
    ·故障模式及影响分析(FMEA)
    ·故障模式影响及致命度分析(FMECA)
    ·事故树分析(FTA)
    ·事件树分析(ETA)
    ·因果图分析(CCCA)
    2.4 事故后果分析
    事故后果分析通常指估算事故直接影响到人类或环境的损失，包括人员伤亡、财物损失、环境破坏、误工损失等。进行事故后果分析时，应估计事故影响到的范围，该范围内存在的人或物的数目及规律，及事故对人、物和环境的伤害程度。事故的后果大小程度可以用人员伤亡的数目、耽误的工时数目、货币形式表现的经济损失等各种方法表示。当采用货币形式表示损失时，应采用科学的方法对财物损坏、人员伤亡、环境破坏和工时耽误损失进行折算。
    2.5 风险评估
    按照风险的定义R=Σ(P·C)，估算出风险值，并与已知的判别准则进行比较，对系统风险进行评价。  

3 燃气输配系统风险评价过程中的常用方法
    迄今为止，国内外开发的风险评价的方法不下百种，其中有的是定性的，有的是定量的，有的是半定量的，下面介绍几种燃气工程常用的方法。
    3.1 逻辑树分析
    逻辑树分析主要包括事故树分析、事件树分析和因果图分析三种。
    事故树(FTA)是一种由结果到原因描述事故发生的有向逻辑树，是一种将系统故障的各种原因(包括硬件、环境、人为因素)由总体到部分，按倒置树枝状结构从上到下逐层细化的逻辑演绎分析方法。故障树的结构如图4所示，下级事件都是上级事件的直接原因，因果事件之间必须用逻辑门连接。事故树中矩形符号表示顶事件(故障事件)或中间事件；圆形符号表示底事件即不需要进一步往下分析底基本原因事件；菱形符号用于两种情景：一是没有必要详细分析或原因尚不明确的事件，二是表示二次事件，即来自系统之外的故障事件；
表示“逻辑或门”，即它所连接底下级事件至少有一个发生时，上级事件就发生； 表示“逻辑与门”，即仅当它所连接底下级事件同时发生时，上级事件才发生；逻辑门上可以附加各种条件。当构造出事故树后，就可以依据事故树找出导致顶事件发生的“最小割集”，由“最小割集”的阶数可以定性分析系统的薄弱环节；根据已知的基本事件的发生概率和上下级事件的布尔代数关系可以计算出顶事件发生的概率，从而对系统故障进行定量分析。
    事件树(ETA)是一种由原因到结果描叙事故发生的有向逻辑树，是根据给定的初因事件，以人、硬件和环境为对象，分析事件的发展和可能导致的后果的一种逻辑归纳分析法。根据初因事件的发生概率、初因事件引起下一级事件发生的概率可以定量分析后果事件的发生概率，结合后果事件的后果分析可以完成系统故障的定量风险评价。因果图分析方法将事故树和事件树结合在一起，分析时选取一个危险事件，对危险事件进行事故树分析可导出危险事件的可能原因和发生概率，对危险事件进行事件树分析可导出危险事件可能导致的后果及发生概率。
    3.2 故障模式影响及致命度分析(FMECA)
     FMECA方法是对系统各个组成部分，按照一定顺序进行考察，查出系统中各子系统或元件可能发生的故障模式，并分析它们对系统功能造成的影响，并提出可能的改进措施，以降低系统风险的分析方法。分析时通过计算故障致命度点数(CE)来表示风险的大小：
    CE＝F₁F₂F₃F₄F₅
    式中各项及其数值的意义见表1和表2。F₁、F₂、F₃、F₄和F₅的数值由设计人员、使用人员和维护人员打分确定。
　　表1 F1~F5分值

　　FMEA及FMECA分析方法适合于设备或者装置的风险评价。
    3.3 指数法(Index Method)
    1992年，美国海湾出版社出版了W. Kent. Muhlbaue教授所著的《Pipeline Risk Management Manual》，该手册提出了目前广泛应用于油气管道的专家评判指数法，该方法列出了引起管道失效的四类共二十五项因素，每项因素都给定分值范围，有关专家根据历史记录、现场调查和自己的经验给每项因素评分，并将所有评分求和，然后根据输送介质的危险性和影响面的大小综合评定出泄漏冲击指数，并将泄漏冲击指数和评分和综合计算得出相对风险数。相对风险数即可表示风险的大小程度。
     适合于城市燃气输配系统的风险评价方法还有很多，例如安全检查表、一般作业风险评价(LEC)法、危险性预分析和矩阵法等等。
4 风险评价在城市燃气输配系统安全管理中的作用
    风险评价是风险管理的最重要的部分，通过对城市燃气输配系统进行风险评价，管理者可以了解到系统各部分的失效形式、失效机理以及系统失效对人员、环境及系统本身产生的伤害模式、伤害程度，可以了解到系统的薄弱环节。根据子系统或元件、设备的风险形式和风险大小，管理者可以制定相应的风险控制方法，并集中财力、物力更新或改造风险最高的系统部分，从而从整体上达到减少风险的目的。国内外一些运用风险管理的燃气输(配)气公司的经验表明，风险管理可以经济高效地达到安全管理的作用。例如美国AMOCO管道公司从1987年采用风险评价管理所属的油气管道和储罐以来，使得年泄漏率由1987年工业平均数的2.5倍下降到1994年的1.5倍，同时使每次发生泄漏的支出减少50％，取得了明显的经济效益；另据统计，欧洲在过去二十年间，虽然随着管道服役年龄的增长，由于采用了风险管理，管道事故的总量减少了30％。
5 在我国燃气行业应用风险评价技术的建议
    风险管理技术是一种先进的安全管理技术，特别适用于燃气这种具有高危险性的行业，风险评价技术是风险管理的核心内容。在欧美发达国家风险评价技术已经达到高度发达的水平，定量风险评价已经在燃气行业广泛应用且已经取得非常好的经济效益。而在我国，风险评价技术尚处于研究阶段，我国某些天然气长输管道公司和城市燃气经营公司正在尝试应用风险管理，已经应用的风险评价技术均为半定量的专家评判法。为更好地在我国燃气行业应用风险评价技术和实现定量风险评价，笔者觉得应注意以下几点：
    (1)建立燃气事故数据库
    大的燃气公司几乎每天都有多个大大小小的事故发生，燃气公司在抢修的同时，安排人员记录每个事故发生时的情景、可能的原因和造成的后果，在风险评价时采用历史数据统计分析方法，因为这个方法是最可靠的、最令人信服的方法，因此可以大大提高风险评价的质量。
    (2)风险评价与燃气管网GIS系统相结合
    我国部分燃气公司已经建立了燃气管网的GIS系统，GIS系统对任意管道或设备都有如下参数的描述：地理位置、管道尺寸、设备型号、材质、设计压力、防腐状况、服役日期、周围环境状况、设计施工单位等等，并且有实物照片，这些信息几乎包含了风险评价所需的所有信息，在开发风险评价程序时建立与GIS系统的接口，可以大大提高风险评价的效率。
    (3)建立全国统一的燃气行业风险可接受性标准
    国家燃气行业主管部门根据我国实际情况，充分研究风险管理的效益和成本之间的关系，建立切实可行的燃气行业风险可接受性标准，使得燃气行业的风险评价有一基本判别准则，并使燃气行业风险管理都达到一定的效果。
    (4)采用模糊数学分析方法
    燃气管道和设备的失效并不呈现特定的规律，且通常是由于多个因素的共同作用，即时是同一种故障原因，由于其环境不同失效概率也大不相同，失效造成的后果也大不相同，因此采用模糊数学的方法处理失效概率和后果大小比采用确定性数学更真实、更科学，因此风险评价的质量也更高。

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