基于ETA和FTA的輸油管道泄漏公共安全事件演化分析

□張明紅 佘 廉,2

[1.華中科技大學(xué) 武漢 430074；2.國家行政學(xué)院 北京 100089]

近段時間，我國發(fā)生了青島“11.22”輸油管道泄漏爆炸事故、蘭州油管泄漏致水污染重大事故和大連油管泄漏爆炸事件，產(chǎn)生較大社會影響。據(jù)統(tǒng)計，中國陸上油氣管道總里程約12萬公里。截至2014年3月31日，國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會組織的全國油氣管道拉網(wǎng)式專項(xiàng)檢查，全國共排查隱患近3萬處。其中占壓11972處，安全距離不足9171處，不滿足安全要求的交叉穿越8293處[1]。

管道運(yùn)輸作為5大運(yùn)輸方式之一，在石油運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用。但受各種因素的影響，在運(yùn)行中不可避免的出現(xiàn)泄漏事故。近10年我國有新聞報道的輸油管道泄漏爆炸的案例如表1所示。從表1可見導(dǎo)致輸油管道泄漏的原因主要是打孔盜油、腐蝕、第三方施工、誤操作和自然災(zāi)害。在當(dāng)前城市迅速擴(kuò)張和地下管網(wǎng)復(fù)雜的情形下，青島“11.22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸事故（以下簡稱“11.22”）具有警示作用和研究意義。

本文運(yùn)用事件樹分析法梳理“11.22”事故的事件序列以及演化過程，并在事故樹對中間事件的基本事件分析基礎(chǔ)上，對輸油管道泄漏發(fā)生公共安全事件的演化路徑和發(fā)生概率進(jìn)行定性和定量分析，以期在管道運(yùn)行管理和公共安全事件應(yīng)急處置中提供支持。

表1 2003～2013年有新聞報道的輸油管道泄漏事件

一、輸油管道泄漏研究現(xiàn)狀

目前，學(xué)界對輸油管道泄漏的研究主要是在石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域以及安全科學(xué)領(lǐng)域，如錢東良等運(yùn)用事件樹和事故樹方法對海底管道系統(tǒng)泄漏事故進(jìn)行了定性和定量分析，指出了測算的方法，但是沒有具體指出發(fā)生的概率以及最具威脅性的原因和防治的關(guān)鍵措施[2]；馬紅娜等對成品油管道泄漏的環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，從地表水、農(nóng)田土壤、并行管道和人口密集區(qū)四個方面做了分析，對于導(dǎo)致并行管道的泄漏和火災(zāi)的概率做了定量分析并提出參考數(shù)值，這在非成品油的管道運(yùn)輸中是否可靠不便定論[3]；袁雄軍等基于各類危化品的物質(zhì)特性和中間事件構(gòu)建了泄漏初始事件后的通用事件樹，并對常見的危化品發(fā)生主要事故后果的概率進(jìn)行了計算，這對于泄漏事故演化的定量分析有參考意義，但是沒有揭示在演化過程中的關(guān)鍵要素是哪些以及演化過程除了“點(diǎn)火”以外的操作動作起到控制事故的概率[4]；顧文婷等對長輸管道泄漏事故的原因進(jìn)行了事故樹分析，并在計算結(jié)果基礎(chǔ)上提出了對策建議，認(rèn)為泄漏原因集中在腐蝕、材料缺陷、施工缺陷及外部干擾（第三方破壞）[5]。

而較少有從公共安全事件的角度分析泄漏事故的研究。佘廉等運(yùn)用案例分析的方法對水體污染公共安全事件的誘發(fā)過程進(jìn)行分析，指出了存在六個發(fā)展階段，這對于從公共安全角度研究泄漏事故提供了視角[6]。萬禮鋒等在介紹國外城市燃?xì)獍踩治龇椒ǖ幕A(chǔ)上提出了我國安全分析方法的體系和概率風(fēng)險分析法的流程，從大安全觀的角度提出了控制城市燃?xì)馐鹿实姆椒╗7]。錢建華從儲運(yùn)介質(zhì)的易燃易爆和毒害性、油氣儲運(yùn)設(shè)施易構(gòu)成重大危險源兩個方面論述了油氣儲運(yùn)設(shè)施安全的重要性，并提出了在工程立項(xiàng)、設(shè)計、施工及運(yùn)行管理的各個階段加強(qiáng)安全管理的具體措施[8]。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，提出輸油管道泄漏公共安全事件是指由輸油管道泄漏事故導(dǎo)致的公共安全事件。輸油管道泄漏公共安全事件是一個動態(tài)的演化過程，事件最終造成了重大的財產(chǎn)損失、人員損傷或一定程度上的社會不穩(wěn)定。

二、輸油管道泄漏公共安全事件樹的建立

（一）事件樹分析法

事件樹分析法（Event Tree Analysis，簡稱ETA）是安全系統(tǒng)工程中重要分析方法之一，它是一種按事故發(fā)展的時間順序由初始事件開始推論可能的后果。每一事件可能的后續(xù)事件只能取完全對立的兩種狀態(tài)（成功或失敗，正常或故障，安全或危險等）之一的原則，逐步向結(jié)果方面發(fā)展，直到達(dá)到系統(tǒng)故障或事故為止。既可以定性地了解整個事件的動態(tài)變化過程，又可以定量計算出各階段的概率，最終了解事故發(fā)展過程中各種狀態(tài)的發(fā)生概率。事件樹分析方法步驟如下：（1）確定初始事件；（2）判定安全功能；（3）繪制事件樹；（4）簡化事件樹；（5）定性或定量分析。

（二）事件樹的建立

爆炸、火災(zāi)、環(huán)境污染或社會騷亂都是來自于管道系統(tǒng)的泄漏。若輸油管道不泄漏，后面的危害事件也不會發(fā)生，因此把輸油管道泄漏作為初因事件。油泄漏以后根據(jù)周邊環(huán)境和自身物質(zhì)特性的不同會發(fā)生一系列不同的后續(xù)事件，如泄漏點(diǎn)是否及時被定位和修復(fù)，是否燃爆，是否引起環(huán)境污染，是否引起社會騷亂等。根據(jù)以上分析，建立如圖1所示的輸油管道泄漏公共安全事件樹，其中E0為初因事件，E1～E3為后續(xù)事件，C1～C8為后果事件，如表2所示。

圖1 輸油管道泄漏公共安全事件樹

表2 圖1中后果事件列表

三、事故樹分析后續(xù)事件

（一）事故樹構(gòu)建

事故樹分析方法（Fault Tree Analysis）是系統(tǒng)安全性與可靠性分析的有效方法，它是以圖形的方式表明“系統(tǒng)是怎樣失效的”，分析系統(tǒng)發(fā)生事故的損失和概率大小，從中找出后果嚴(yán)重，且較容易發(fā)生的事故，作為分析的頂事件。從頂事件起進(jìn)行演繹分析，一級一級地找出所有直接原因事件，直到所要分析的深度，按照其邏輯關(guān)系，畫出事故樹，并能進(jìn)行定量和定性分析。

本文用事故樹分析后續(xù)事件的原因，以及發(fā)生的路徑和概率。分別以E1、E2和E3為頂事件進(jìn)行事故樹構(gòu)建，如下圖所示。

圖2 燃爆（E1）事故樹

圖3 環(huán)境污染（E2）事故樹

圖4 社會騷亂（E3）事故樹

（二）事故樹分析

1．最小割集與最小徑集分析

在事故樹中凡能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱作割集。能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生最低限度的基本事件的集合稱作最小割集。割集是表示系統(tǒng)的危險性。對圖2～圖4進(jìn)行布爾代數(shù)化簡后，求得如下最小割集：

T1(E1)=X1﹒X2﹒M1=X1﹒X2﹒(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10)=X1﹒X2﹒X3+ X1﹒X2﹒X4+ X1﹒X2﹒X5+X1﹒X2﹒X6+X1﹒X2﹒X7+X1﹒X2﹒X8+X1﹒X2﹒X9+X1﹒X2﹒X10

T1(E2)=M1﹒M2=(X1+X2)﹒(X3+X4+X5+X6)=X1﹒X3+X1﹒X4+X1﹒X5+X1﹒X6+X2﹒X3+X2﹒X4+X2﹒X5+X2﹒X6

T1(E3)=M1﹒X4﹒X5﹒X6=(X1+X2+X3)﹒X4﹒X5﹒X6=X1﹒X4﹒X5﹒X6+X2﹒X4﹒X5﹒X6+X3﹒X4﹒X5﹒X6

每一個最小割集就是一條誘發(fā)危險的路徑。在E1事故樹中X1和X2是組合出現(xiàn)，表明這兩個要素是重要的危險源，只要同時出現(xiàn)，就具有較強(qiáng)的危險性。在E2事故樹中兩個中間事件中的任一基本事件的組合都會導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，表明每個要素都很危險。在E3事故樹中X4和X5和X6是組合出現(xiàn)，表明這三個要素很關(guān)鍵，較具危險性。

如果事故樹中某些基本事件都不發(fā)生，頂事件必然不發(fā)生，則這些基本事件的集合稱為徑集。最小徑集是指在事故樹中凡是不能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生最低限度的基本事件的集合。在最小徑集中，去掉任何一個基本事件，便不能保證一定不發(fā)生事故。徑集是表示系統(tǒng)的安全性。利用成功樹求得事故樹的最小徑集如下：

在最小徑集中，單個基本事件組成的集合是最有效的控制措施和最佳路徑。在E1事故樹中X1和X2是最易控制的。在E3事故樹中X4和X5和X6是最易控制的。

2．重要度分析

通過以上各個后續(xù)事件的事故樹的最小割集與最小徑集的分析，可以求得結(jié)構(gòu)重要度分別為：

E1事故樹中I(X2)=I(X1)>I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)

E2事故樹中I(X2)=I(X1)>I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)E3事故樹中I(X6)=I(X5)=I(X4)>I(X3)=I(X2)=I(X1)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度分析，在E1事故樹中輸油管道泄漏（X1）和達(dá)到燃爆濃度（X2）是最重要的，在E2事故樹中輸油管道泄漏（X1）和燃爆（X2）是最重要的，在E3事故樹中信息溝通不暢（X4）和救援安置不當(dāng)(X5)和社會不穩(wěn)定分子挑動(X6)是最重要的，所以在制定控制措施中要重點(diǎn)針對這些事件。

對每個后續(xù)事件的事故樹也可以進(jìn)行概率重要度分析，用最小割集法針對E1、E2和E3頂上事件的發(fā)生概率為：

式中：r、s、k——最小割集的序號，r＜s＜k；i——基本事件的序號；

1≤r＜s≤k—k個最小割集中第r、s兩個割集的組合順序；

Yr——第r個最小割集；

Xi∈Yr——屬于第r個最小割集的第i個基本事件；

Xi∈Yr∪YS——屬于第r個或第s個最小割集的第i個基本事件；

qi——第i 個基本事件的 發(fā)生概率（i=1，2，……n）。

假設(shè)在E1、E2和E3事故樹中每個基本事件的發(fā)生概率都為0.5，則頂事件的發(fā)生概率為：P(TE1)=0.248；P(TE2)=0.703；P(TE3)=0.109。

四、事件樹定量分析

在事件樹的定量分析中關(guān)于初因事件和后續(xù)事件中的基本事件的概率可以采用統(tǒng)計法或?qū)＜遗袛喾▉慝@得，而后果事件的概率就可以通過初因事件和后續(xù)事件的概率求得。

P(C1)=P(E0)﹒P(E1)﹒P(E2)﹒P(E3)

P(C2)=P(E0)﹒P(E1)﹒P(E2)﹒[1-P(E3)]

P(C3)=P(E0)﹒P(E1)﹒[1-P(E2)]﹒P(E3)

P(C4)=P(E0)﹒P(E1)﹒[1-P(E2)]﹒[1-P(E3)]

P(C5)=P(E0)﹒[1-P(E1)]﹒P(E2)﹒P(E3)

P(C6)=P(E0)﹒[1-P(E1)]﹒P(E2)﹒[1-P(E3)]

P(C7)=P(E0)﹒[1-P(E1)]﹒[1-P(E2)]﹒P(E3)

P(C7)=P(E0)﹒[1-P(E1)]﹒[1-P(E2)]﹒[1-P(E3)]

運(yùn)用上文事故樹定量分析求得的后續(xù)事件概率，以及假設(shè)初因事件概率為0.2，利用以上后果事件的概率公式求得如下結(jié)果：

P(C1)=0.0038； P(C2)=0.0311；P(C3)=0.0016；P(C4)=0.0131 ； P(C5)=0.0115 ； P(C6)=0.0942 ；P(C7)=0.0049；P(C8)=0.0398。

P(C6)=0.0942>P(C8)=0.0398>P(C2)=0.0311>P(C4)=0.0131>P(C5)=0.0115>P(C7)=0.0049>P(C1)=0.0038>P(C3)=0.0016。

所有后果事件的概率之和等于初因事件的概率。但是不同的后果事件概率反應(yīng)不同的風(fēng)險。其中燃爆發(fā)生導(dǎo)致的后果事件中以導(dǎo)致環(huán)境污染的風(fēng)險最高即P(C2)，燃爆未發(fā)生而導(dǎo)致的后果事件中以導(dǎo)致環(huán)境污染的風(fēng)險最高即P(C6)，足見在輸油管道泄漏事件中重點(diǎn)控制環(huán)境污染對于防止事件擴(kuò)大具有重要的作用。但是爆炸導(dǎo)致的后果事件的總體概率低于不發(fā)生爆炸導(dǎo)致的后果事件概率，這表明爆炸是一定條件下發(fā)生的極端事件，并且是極具破壞力的嚴(yán)重后果，概率雖低卻不可忽視。而泄漏引起的環(huán)境污染概率雖高，囿于污染的受體不同在管控和污染處置中存在諸多困難。發(fā)生社會騷亂的總體概率不高，但是在不發(fā)生燃爆引起環(huán)境污染事件序列中出現(xiàn)社會騷亂的概率最高即P(C5)，這在蘭州油管泄漏致水污染重大事故中得到印證。

五、結(jié)論

輸油管道泄漏公共安全事件是一種多因素綜合作用的過程，本文把它演化的過程分為燃爆階段、環(huán)境污染階段和社會騷亂階段，每個階段作為泄漏事件的后續(xù)事件構(gòu)建事件樹，通過對每個后續(xù)事件的事故樹分析，進(jìn)而求得每個后續(xù)事件的發(fā)生概率。結(jié)合初因事件的概率和后續(xù)事件的概率，可以估算后果事件的概率，這對于控制泄漏事件的擴(kuò)散具有指導(dǎo)意義，也便于在每一階段的后續(xù)事件中把握可能存在的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

在“11.22”事故中演化路徑如圖5所示。在該事故中社會騷亂沒有得到實(shí)質(zhì)的演化，這和各部門的協(xié)調(diào)以及公安民警的持續(xù)維護(hù)穩(wěn)定分不開的，調(diào)研中得知公安部門的應(yīng)急工作介入持續(xù)到2014年4月。以現(xiàn)場燃爆為事故節(jié)點(diǎn)劃分，會得到輸油管道泄漏導(dǎo)致海面污染的事件序列和輸油管道泄漏導(dǎo)致燃爆加重海面污染的事件序列，這分別對應(yīng)圖1中的C6和C2兩個后果事件的事件序列。相應(yīng)的C6和C2的發(fā)生概率在燃爆未發(fā)生和燃爆發(fā)生事件中是最大的，分別是0.0311和0.0942。這說明該事故的發(fā)生不是不可預(yù)料，恰是應(yīng)對主體重點(diǎn)防控的事件序列。作為企業(yè)和政府在處置輸油管道泄漏事故中，要首先抓住發(fā)生概率高的事件序列，而后嚴(yán)控概率低損失大的事件序列。

圖5 “11.22”事故演化路徑圖

本文中概率數(shù)據(jù)是假設(shè)數(shù)據(jù)，帶有一定的不足，若后期得到相關(guān)部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)會深入研究各個基本事件的概率以及細(xì)化輔助條件的研究，并且在數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計中沒有采用概率分布分析的研究帶有一定的局限性。但是該數(shù)據(jù)研究結(jié)論仍可以為我們的應(yīng)急處置提供一定的指導(dǎo)意義。

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