基于改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)矩陣法的配氣站地震事件序列分析*

孟博杰，伍 穎，陳良若

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500； 2.廣元市天然氣有限責(zé)任公司，四川 廣元 628017)

0 引言

生命線工程指對(duì)社會(huì)生活、生產(chǎn)有重大影響的交通、通信、給排水、供電、供氣、輸油等工程系統(tǒng)。天然氣配氣站是燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)和輸氣管道系統(tǒng)重要組成部分，承擔(dān)調(diào)度、調(diào)壓、儲(chǔ)存、分配等重要任務(wù)[1-3]。

地震災(zāi)害對(duì)生命線工程威脅較大[4]。以往發(fā)生多起地震災(zāi)害引發(fā)生命線工程安全功能喪失的案例：1994年1月17日美國(guó)洛杉磯發(fā)生里氏6.6級(jí)地震，導(dǎo)致燃?xì)庀到y(tǒng)泄漏，燃?xì)庀到y(tǒng)漏氣點(diǎn)高達(dá)15×104處，同時(shí)引發(fā)數(shù)起火災(zāi)[5]；1995年1月17日，日本阪神地區(qū)發(fā)生里氏7.3級(jí)地震，導(dǎo)致煤氣管道破裂，造成煤氣泄漏，起火點(diǎn)459處，燃燒面積達(dá)數(shù)萬平方米，造成大量人員傷亡[6]；2008年5月12日四川汶川發(fā)生里氏8.0級(jí)地震，都江堰市燃?xì)夤艿罁p壞嚴(yán)重，地下管道破裂達(dá)10余處，需重建地下管道長(zhǎng)達(dá)50 km，全市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失約6 700萬元[7]。因地震引發(fā)燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)損壞，導(dǎo)致燃?xì)庑孤┑仁鹿剩o人們的生命安全帶來嚴(yán)重威脅。

某天然氣公司下轄天然氣配氣站31座，位于四川盆地北部，地處龍門山地震帶與長(zhǎng)江中游地震帶交界，是“5·12”汶川大地震重點(diǎn)災(zāi)區(qū)。為了對(duì)天然氣配氣站進(jìn)行抗震安全評(píng)估，本文以某天然氣配氣站為研究對(duì)象，分析并構(gòu)建事故序列模型，研究系統(tǒng)失效原因及失效概率，評(píng)估事件發(fā)生后果，為配氣站抗震措施實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 序關(guān)系分析法

序關(guān)系分析法是經(jīng)層次分析法改進(jìn)形成的1種新的賦值方法，計(jì)算量顯著減少，省略判斷矩陣構(gòu)建與一致性檢查等步驟，可操作性強(qiáng)。對(duì)事件可接受程度進(jìn)行計(jì)算和量化，并引入序關(guān)系法計(jì)算相關(guān)權(quán)重[8]。權(quán)重計(jì)算包括以下3個(gè)步驟：

1)確定指標(biāo)間的序關(guān)系

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度進(jìn)行排序：若指標(biāo)Xi比指標(biāo)Xj重要，則Xi>Xj；結(jié)合專家評(píng)定建議，確定各指標(biāo)重要性排序。

2)相鄰指標(biāo)間相對(duì)重要程度判斷準(zhǔn)則：由專家為評(píng)價(jià)指標(biāo)Xk和Xk-1相對(duì)重要程度之比賦值，如式(1)所示：

(1)

表1 rk賦值參考表Table 1 Assignment reference of rk

3)指標(biāo)權(quán)重ωk計(jì)算

專家為rk賦值，則權(quán)重ωk如式(2)～(3)所示：

(2)

ωk-1=rk·ωk(k=n，n-1,…,2)

(3)

式中：ri為評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度之比，i取k～n。

1.2 改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣

美國(guó)石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute，API)基于工程實(shí)踐，提出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣如圖1所示[9]。由圖1可知，矩陣中列表示失效后果，分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)AC1表示失效后果最小，等級(jí)AC5表示失效后果最大；風(fēng)險(xiǎn)矩陣行表示失效可能性，分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)AE1表示失效可能性最低，等級(jí)AE5表示失效可能性最高。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣Fig.1 Risk classification matrix based on API 581 standard

傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣通俗易懂、操作簡(jiǎn)單、效果明顯，但存在風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)缺陷，原因是風(fēng)險(xiǎn)矩陣邊界定義較尖銳[10-11]，在特定情況，不同風(fēng)險(xiǎn)可能具有相同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

改進(jìn)的事件序列風(fēng)險(xiǎn)定義如式(4)所示：

A=a·X+b·Y

(4)

式中：A表示事件序列風(fēng)險(xiǎn)，A值越大，事件風(fēng)險(xiǎn)越大，越不容易被管理者接受；X表示事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)；Y表示后果導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)；a，b分別表示2種風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重系數(shù)。

為消除傳統(tǒng)矩陣風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)缺陷，本文采用改進(jìn)后的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后風(fēng)險(xiǎn)矩陣Fig.2 Improved risk matrix

圖2(a)為風(fēng)險(xiǎn)定義表達(dá)式對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型，隨A取值不同，形成不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)邊界，能夠有效緩解邊界尖銳影響，消除風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)缺陷；圖2(b)為改進(jìn)后風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)價(jià)模型，可通過式(4)中(X，Y)確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2 地震事件序列

2.1 基于事件樹理論的地震事件序列建模

在核電廠地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，建立事件序列數(shù)學(xué)模型，確定地震發(fā)生后，能夠?yàn)楹穗姀S抗震提供安全保障的系統(tǒng)及部件，了解系統(tǒng)及部件工作原理，并通過合理方法將系統(tǒng)和部件信息進(jìn)一步呈現(xiàn)，為后續(xù)工作開展提供必要信息輸入[12]。借鑒以上核電領(lǐng)域的思路，可將該方法引入天然氣配氣站抗震研究，并通過事件樹方法構(gòu)建配氣站地震事件序列模型。

事件樹(Event Tree Analysis,ETA)是事件序列的圖形化表示，以始發(fā)事件為起點(diǎn)，按照事件發(fā)展進(jìn)程分階段、分步驟分析，最終推導(dǎo)出結(jié)果事件，事件樹模型如圖3所示。功能事件可能是某系統(tǒng)執(zhí)行功能，也可能是上一后續(xù)事件造成的結(jié)果，結(jié)果僅包含2種狀態(tài)：成功或失敗，發(fā)生或不發(fā)生。

圖3 事件樹模型Fig.3 Schematic diagram of the event tree model

始發(fā)事件指事故未發(fā)生時(shí)，其發(fā)展過程中可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的危險(xiǎn)事件，包括機(jī)器故障、設(shè)備損壞、人為操作失誤等。本文主要研究管道或設(shè)備泄漏和因設(shè)備失效導(dǎo)致的非正常輸氣。

題頭事件指始發(fā)事件發(fā)生時(shí)，由特定一線系統(tǒng)和保障系統(tǒng)共同維持系統(tǒng)安全運(yùn)行的事件，對(duì)事故有緩解作用。有時(shí)功能事件可直接表示為完成上述安全功能的一線系統(tǒng)。

序列由1個(gè)始發(fā)事件、幾個(gè)功能事件及連接兩部分事件的分支共同組成。每個(gè)序列代表1種事件演化進(jìn)程，簡(jiǎn)單序列可以根據(jù)后果事件數(shù)量判斷序列數(shù)量，后果事件數(shù)量等于序列數(shù)量。

后果事件指序列最終狀態(tài)[13]。

2.2 事件序列風(fēng)險(xiǎn)量化

風(fēng)險(xiǎn)定義由事件序列模型得出，當(dāng)考慮事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)和后果導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，如式(5)所示：

A=α·AE+β·AC

(5)

式中：AE表示事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)；AC表示后果導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)；由序關(guān)系法計(jì)算得到α=0.4，β=0.6。

事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)指，若事件樹中題頭事件表示某系統(tǒng)是否正常執(zhí)行功能，事件發(fā)生為0，事件不發(fā)生為1；若題頭事件為不期望事件(如立即點(diǎn)燃)，則事件發(fā)生記為1，不發(fā)生記為0。不同事件樹中，題頭事件所占權(quán)重不同，需要單獨(dú)計(jì)算。若A題頭事件的發(fā)生導(dǎo)致B、C、D題頭事件的發(fā)生與否，不影響最終后果，則B、C、D題頭事件“是否發(fā)生”值取1，所得風(fēng)險(xiǎn)偏大，最終結(jié)論更為安全。事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)為各事件是否發(fā)生的加權(quán)數(shù)，如式(6)所示：

AE=100·∑γi·Pi

(6)

式中：γi表示題頭事件所占權(quán)重，由序關(guān)系法計(jì)算得到;Pi表示題頭事件是否發(fā)生的值，發(fā)生為1，不發(fā)生為0。為便于工程應(yīng)用，乘系數(shù)100，使最終結(jié)果總分為100分。

事件后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分為事件后果評(píng)價(jià)和措施是否有效評(píng)價(jià)2種。針對(duì)后果導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)，如式(7)所示：

AC=η·Cj+λ·∑μj·Mj

(7)

式中：Cj表示事件后果嚴(yán)重程度；Mj表示事件措施是否有效程度；μj表示不同措施所占權(quán)重；η，λ分別為事件后果嚴(yán)重程度和措施是否有效程度所占權(quán)重，由序關(guān)系法計(jì)算得到，η=0.4，λ=0.6。

3 案例研究

3.1 配氣站概況

某天然氣公司配氣站進(jìn)站壓力1.1～2.1 MPa，出站壓力0.32 MPa，主要為城區(qū)用戶供氣，日供氣量約0.6萬m3，站內(nèi)設(shè)備齊全，工藝流程如圖4所示。對(duì)該地區(qū)地震危險(xiǎn)性分析發(fā)現(xiàn)，該配氣站處于龍門山地震帶北東段-茶壩-林庵寺斷裂附近，為全新世活動(dòng)斷裂，潛在地震能力等級(jí)為6.0級(jí)。

圖4 某配氣站工藝流程Fig.4 Flowchart of instrument in a gas distribution station

定義配氣站安全功能，為事故始發(fā)事件分組提供初步依據(jù)，為定義完整的系統(tǒng)響應(yīng)集合和各始發(fā)事件相互關(guān)系提供理論依據(jù)[14]。地震事件序列建模過程中，安全功能指安全穩(wěn)定供氣，配氣站安全功能及目的見表2。

表2 配氣站安全功能及目的Table 2 Safety functions and corresponding purposes of gas distribution station

3.2 地震事件序列模型建立

從“站場(chǎng)泄漏”和“設(shè)備失效”2方面進(jìn)行地震事件序列建模。本文以“站場(chǎng)泄漏”作為始發(fā)事件，相關(guān)保障系統(tǒng)作為功能事件主體，基于“立即點(diǎn)燃”與“延遲點(diǎn)燃”，利用事件樹向右邏輯，推理氣體泄漏后可能引發(fā)的危害事故。若事件樹中有n個(gè)功能事件，將產(chǎn)生2n個(gè)事件序列，但鑒于事件間邏輯關(guān)系，僅保留部分有實(shí)際意義的序列，以簡(jiǎn)化分析過程[15]。

配氣站發(fā)生泄漏時(shí)，站內(nèi)保障系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)功能，確保及時(shí)找到泄漏點(diǎn)，切斷管道閥門，使泄漏氣體安全擴(kuò)散，但受地震影響，保障系統(tǒng)執(zhí)行功能過程中，可能出現(xiàn)失效或故障。因此，建立配氣站站場(chǎng)泄漏事件樹模型，如圖5所示。由圖5可知，站場(chǎng)泄漏事件引發(fā)22個(gè)后果事件，產(chǎn)生32條事故序列，并伴隨火災(zāi)、爆炸或天然氣大量泄漏等危險(xiǎn)事故；同時(shí)，站內(nèi)供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)受地震影響發(fā)生斷電事故，導(dǎo)致無法及時(shí)與上級(jí)有關(guān)部門或消防單位取得聯(lián)系，最終導(dǎo)致事故進(jìn)一步惡化。泄漏事件樹后果見表3。

表3 配氣站泄漏事件樹后果描述Table 3 Incidental description for leakage event tree of gas distribution station

圖5 站場(chǎng)泄漏事件樹模型Fig.5 Leakage event tree of a gas distribution station

模型不考慮不同泄漏擴(kuò)散模式和由此造成的火災(zāi)和爆炸機(jī)理；在后果事件中，不考慮噴射火、閃火、池火災(zāi)等不同的火災(zāi)爆炸事故。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)量化分析

由式(5)～(7)可知，配氣站地震事件序列風(fēng)險(xiǎn)由事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)和后果導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)共同決定。事件導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)由題頭事件決定，通過對(duì)每個(gè)題頭事件權(quán)重賦值，結(jié)合專家調(diào)研所得事件相對(duì)重要度，采用序關(guān)系法得到配氣站題頭事件權(quán)重和泄漏事件樹事件措施是否有效權(quán)重，見表4和表6?；跈?quán)重，計(jì)算得到事件序列風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果，見表5。

表4 配氣站泄漏事件樹題頭事件權(quán)重Table 4 Weight of event of leakage event in distribution station

表5 配氣站泄漏事件樹事件序列風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果Table 5 Risk quantification results of event sequence in leakage event tree of gas distribution station

表6 配氣站泄漏事件樹事件措施是否有效權(quán)重Table 6 Weight of Effective Measures of Leakage Event Tree in Gas Distribution Station

式(5)中A值為風(fēng)險(xiǎn)界定值，根據(jù)英國(guó)焊接學(xué)會(huì)(The Welding Institute，TWI)提出的不同風(fēng)險(xiǎn)占比，結(jié)合某燃?xì)夤緦＜矣懻摻Y(jié)果得出低風(fēng)險(xiǎn)∶較低風(fēng)險(xiǎn)∶中等風(fēng)險(xiǎn)∶較高風(fēng)險(xiǎn)∶高風(fēng)險(xiǎn)=3∶3∶7∶8∶4。由此計(jì)算站場(chǎng)泄漏事件可接受程度分級(jí)分界值：低可接受與較低可接受度分界點(diǎn)為23.64；較低可接受度與中等可接受度分界點(diǎn)為38.07；中等可接受度與較高可接受度分界點(diǎn)為64.06；較高可接受度與高可接受度分界點(diǎn)為78.49。最終風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖6所示。

圖6 配氣站地震事件序列風(fēng)險(xiǎn)矩陣Fig.6 Risk matrix of seismic event sequence in gas distribution station

表3(續(xù))

4 結(jié)論

1)基于某配氣站建立事件樹模型，分析配氣站在地震影響下發(fā)生泄漏后事件發(fā)展情況，為地震概率安全評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

2)在地震失效數(shù)據(jù)不詳實(shí)的情況下，結(jié)合序關(guān)系法，提出配氣站地震事件序列風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法。以某配氣站為例計(jì)算事件風(fēng)險(xiǎn)值；其中，C5,C6事件風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，分別為18.75和15.24。

3)通過引入權(quán)重系數(shù)α和β，改進(jìn)傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，提出由事件導(dǎo)向和后果導(dǎo)向共同決定的配氣站地震事件序列風(fēng)險(xiǎn)矩陣模型，能有效降低尖銳邊界條件影響，便于實(shí)際工程應(yīng)用。