改進的層次分析法在高壓輸氣管道泄漏風險分析中的應(yīng)用

王婉青，呂淑然，張宇棟

(1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院， 北京 100070; 2.清華大學(xué) 公共管理學(xué)院, 北京 100084)

天然氣是一種無色、無味、熱值較煤炭和石油更高的清潔能源。近年來隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，政府越發(fā)重視生態(tài)環(huán)境的保護，因此全國范圍內(nèi)對天然氣的依賴程度不斷增高，這使得我國天然氣行業(yè)呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的趨勢[1-2]。但是天然氣需依靠高壓輸氣管道才能實現(xiàn)長距離運輸，壓力管道本身屬于特種設(shè)備，危險性極高。再者，天然氣是一種易燃、易爆、有毒及強腐蝕性氣體，一旦高壓輸氣管道發(fā)生泄漏極易引發(fā)如火災(zāi)、爆炸、中毒等多種次生災(zāi)害[3-6]。僅2018上半年就發(fā)生各類燃氣爆炸事故390起，共造成371人受傷，28人死亡。事故的發(fā)生使許多人失去了鮮活的生命和溫馨的家園，嚴重影響了社會的和諧穩(wěn)定發(fā)展。因此，對高壓輸氣管道進行泄漏風險分析勢在必行。本文以天然氣高壓輸氣管道為研究對象，剖析影響高壓輸氣管道泄漏失效的基本影響因素，為高壓輸氣管道日常的安全管理、風險減緩措施的選擇提供合理的依據(jù)。

層次分析法(AHP)把對決策有影響的因素進行剖析，將其劃分為不同的目標層和準則層，并利用這些層次對系統(tǒng)進行定性和定量分析，運用9標度法建立判斷矩陣，但是在判斷過程中容易受個人主觀原因的干擾而導(dǎo)致誤差和邏輯混亂[7-8]。改進的層次分析法(IAHP)將事故樹方法引入到傳統(tǒng)的層次分析法中，首先進行事故原因分析，其次將致因因素進行歸類和中性化描述，最后將事故樹計算獲得的結(jié)構(gòu)重要度Iφ的相互比較關(guān)系引入到層次分析法判斷矩陣的建立中。該方法在一定程度上克服了專家打分的主觀判斷所導(dǎo)致的誤差[9]。李亞蘭等[10]將改進的層次分析法應(yīng)用于地下建筑火災(zāi)安全評價研究中。應(yīng)國柱等[11]將改進層次分析法應(yīng)用到了地鐵施工風險評價中，計算出不同因素所占權(quán)重。張哲源[12]以某企業(yè)的液氨儲罐區(qū)為例應(yīng)用改進層次分析法建立了層次分析模型。段若晨等[13]采用改進層次分析法綜合評估了500 kV 輸電線路的防雷改造效果。孫旋等[14]基于改進層次分析法對火災(zāi)高危單位消防安全進行了評價研究。可以看出，以上學(xué)者運用改進層次分析法進行研究均取得了較好的效果。綜上，本文首先采用FTA模型對高壓輸氣管道發(fā)生泄漏的原因進行分析，旨在為高壓輸氣管道泄漏風險評估提出一套較為完整、清晰的風險評價指標體系；其次采用改進的層次分析法(IAHP)計算各指標體系的權(quán)重并排序。研究結(jié)果可為燃氣管道日常的安全管理提供可靠的依據(jù)，以期減少管道泄漏事故的發(fā)生。

1 基于事故樹的層次分析法

1.1 構(gòu)建事故樹模型

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)嚴重的高壓輸氣管道安全事故都是由于管道泄漏遇到點火源而引發(fā)的火災(zāi)和爆炸。根據(jù)把對管道系統(tǒng)影響最大的事件作為分析對象的原則，本文將“管道泄漏失效”作為事故樹模型的頂事件進行分析；再依據(jù)天然氣事故調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)的管道穿透和破裂是引起管道泄漏失效最根本的原因，以這2個原因為次頂事件，結(jié)合危險源辨識對事件進行逐一分析直到找到最基本的底事件。圖1為高壓輸氣管道泄漏事故樹模型，表1為事件含義列表，該模型共考慮了26個基本事件。

1.2 高壓輸氣管道泄漏層次分析模型

根據(jù)圖1所建立的事故樹模型，對基本事件進行分類、整理及中性化描述后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致高壓輸氣管道泄漏的基本原因可分為第三方因素、腐蝕因素、誤操作因素及設(shè)備因素4個方面。從這4個方面出發(fā)建立了高壓輸氣管道泄漏層次分析模型，如圖2、表2所示。

1.3 事故樹結(jié)構(gòu)重要度構(gòu)建判別矩陣

根據(jù)所建立的“管道泄漏事故樹”，運用布爾代數(shù)法計算得到最小割集32個，最小徑集56個。由于最小徑集數(shù)量過多，用于計算結(jié)構(gòu)重要度過于復(fù)雜，因此本文選用最小割集計算，最小割集如表3所示。

事故樹的結(jié)構(gòu)重要度是一個反映基本事件對頂上事件影響程度的指標，而層次分析法中的指標層各因素的權(quán)重同樣反映了其對目標層的重要程度。將各基本事件結(jié)構(gòu)重要度Iφ作為指標層各因素的判斷因子χ(i)，結(jié)果見表4。結(jié)構(gòu)重要度的計算公式見式(1)。

(1)

式中：k為事故樹分析所得的最小割或徑集數(shù)目；m為包含第i個基本事件的最小割集或徑集的數(shù)目；Rj為包含第i個基本事件的第j個最小割集或徑集中的基本事件的數(shù)目。

表2 高壓輸氣管道泄漏失效評價指標體系

表3 最小割集

圖2 管道泄漏層次分析模型

指標因素123456789判斷因子χ(i)1/321/321/321/641/6417/2803/321/203/32指標因素101112131415161718判斷因子χ(i)1/281/283/641/281/101/161/641/641/64指標因素1920212223242526判斷因子χ(i)1/643/1123/1123/1123/1123/1123/1123/112

(2)

式中：m、n為各準則層下指標層的數(shù)目；i、j為判斷矩陣aij的下標，分別表示第i行和第j列。每個準則層下都包含不同數(shù)量的指標因素，對指標因素進行兩兩比較，得到指標層的判斷矩陣：

(3)

式中：i、j為判斷矩陣aij的下標，分別表示第i行和第j列。

根據(jù)式(2)(3)可以得到準則層以及各指標層的判斷矩陣，然后運用傳統(tǒng)的層次分析法計算出各因素的權(quán)重值，具體計算步驟見文獻[16]，最后對矩陣的一致性進行檢驗。經(jīng)計算所有矩陣的CI值均小于0.1，符合一致性檢驗，詳見表5～9。

表5 準則層判斷矩陣

運用式(3)對各準則層下的指標層進行兩兩對比，可得出第三方因素、腐蝕因素、誤操作因素及設(shè)備因素下各指標因素的判斷矩陣和權(quán)重值，計算結(jié)果如表6～9所示。

表6 第三方因素判斷矩陣(B1)

表7 腐蝕因素判斷矩陣(B2)

表8 誤操作因素判斷矩陣(B3)

表9 設(shè)備因素判斷矩陣(B4)

2 層次總排序

依據(jù)表10的層次總排序可以看出：管道初始缺陷所占比例最大達到總比例的10.11%，說明天然氣管道運營公司在投產(chǎn)之前必須對管道質(zhì)量進行嚴格檢查，避免管道存在初始缺陷；其次，日常的管道腐蝕檢測與管材抗腐蝕性也十分重要，占到總比例的9.57%，所以在天然氣管道的日常管理中應(yīng)加強管道腐蝕檢測工作，并在管道設(shè)計階段選取抗腐蝕性較強的管材以保證管道日常的安全運行；管道施工階段的監(jiān)理工作非常關(guān)鍵，占到了總比例的6.1%，因此企業(yè)應(yīng)認真做好管道施工階段的監(jiān)理工作，避免施工階段的錯誤操作，確保管道施工質(zhì)量，并須強化工作人員的技能培訓(xùn)和安全教育，增強工作人員的責任心，保證員工日常工作質(zhì)量。管道安全管理部門可依據(jù)表10的權(quán)重值并結(jié)合模糊綜合評價等科學(xué)方法定期對管道進行泄露風險評估，找出風險的薄弱環(huán)節(jié)并制定合理的管控措施，將管道泄漏事故防患于未然。綜上所述，各因素評價結(jié)果與實際情況基本相符，說明該方法有一定的實用價值。

表10 層次總排序

續(xù)表(表10)

3 結(jié)束語

將事故樹模型和層次分析法結(jié)合起來，根據(jù)事故樹模型來確定改進層次分析法的各個指標，使評判指標之間的關(guān)系更清晰，評判結(jié)果更符合客觀實際。

建立了高壓輸氣管道泄漏事故樹模型，該模型共考慮了26個基本事件，將事故樹的結(jié)構(gòu)重要度作為判斷因子進而得到各指標層的判斷矩陣，然后結(jié)合層次分析法對管道泄漏事故進行了定性識別與定量分析。

結(jié)果顯示，在準則層中腐蝕因素所占比例最大，在指標因素中初始缺陷、腐蝕檢測、管材抗蝕性、施工監(jiān)理為主要致災(zāi)因素。各因素評價結(jié)果與實際情況基本相符，說明該方法具有一定的實用價值，可為高壓輸氣管道日常的泄漏風險預(yù)防與控制提供一定的依據(jù)。