故障樹分析法在城市燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)我國的燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)體系進(jìn)行了分析。闡述了用于燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的一些方法，論述了故障樹分析法的應(yīng)用。根據(jù)燃?xì)夤艿朗鹿蕷w
摘要：介紹了燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)我國的燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)體系進(jìn)行了分析。闡述了用于燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的一些方法，論述了故障樹分析法的應(yīng)用。根據(jù)燃?xì)夤艿朗鹿蕷w納了泄漏影響因素，對(duì)不同的故障樹模型進(jìn)行描述，提出了以故障樹分析法為主的定性、定量安全評(píng)價(jià)工作程序，提出了改進(jìn)的建議。
關(guān)鍵詞：城市燃?xì)夤艿?；安全評(píng)價(jià)；故障樹分析；泄漏；案例
Application of Fault Tree Analysis to Urban Gas Pipeline Safety Assessment
GA0 Wen-xue，LI Jian-xun，WANG Qi，ZHAO Zi-jun，YAN Rong-song
Abstract：The current development situation of gas pipeline safety assessment technology is introduced. The gas pipeline safety assessment system in China is analyzed. Some methods used for gas pipeline safety assessment are expounded，and the application of fault tree analysis(FTA)is discussed. According to gas pipeline accidents，the leakage influence factors are induced，and different fault tree models are described. Based on the FTA，the qualitative and quantitative safety assessment procedures and some improvement suggestions are put forward.
Key words：urban gas pipeline；safety assessment；fault tree analysis；leakage；case
1 引言
    近年來，我國的燃?xì)馐聵I(yè)發(fā)展迅速。到2006年末，人工煤氣供應(yīng)總量為396.5×108m3，人工煤氣供氣管道總長度為50524km；天然氣供應(yīng)總量為244.8×108m3，天然氣供氣管道總長度為121498km；液化石油氣供應(yīng)總量為1264×104t，液化石油氣供氣管道總長度為17469km。用氣人口約2.95×108人，燃?xì)馄占奥蕿?9.1%[1]。
    燃?xì)夤艿赖陌踩u(píng)價(jià)有不同方法，應(yīng)用較多的定性定量分析方法是故障樹分析法。根據(jù)對(duì)相同燃?xì)夤艿朗Ｊ降牟煌盐蘸屠斫?，故障樹的建立有不同路徑。可以選擇不同的底事件和劃分單元，形成不同的中間事件和頂事件，得出的結(jié)論可能略有差異。因此，需要安全評(píng)價(jià)技術(shù)人員對(duì)燃?xì)夤こ痰臏?zhǔn)確理解和對(duì)安全評(píng)價(jià)知識(shí)的靈活運(yùn)用。
2 燃?xì)夤艿赖陌踩u(píng)價(jià)技術(shù)
2.1 技術(shù)沿革
   ① 國外情況
    20世紀(jì)70年代，美國首先開始借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)和其他工業(yè)領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)來評(píng)價(jià)油氣管道的安全性。PRCI(Pipeline Research Committee International)針對(duì)美國和歐洲的輸氣管道事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和分類，歸納出22種引起管道失效的失效因素，其中只有1種失效因素的本質(zhì)原因是未知的(即不能確定它的本質(zhì)特性)，其余21種失效因素按照它們的本質(zhì)特性又分為9項(xiàng)，并按照與時(shí)間的關(guān)系分為3類[2]。
    1985年，美國的Battelle Columbus研究院發(fā)表了《風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查指南》，首先在管道風(fēng)險(xiǎn)分析方面運(yùn)用了評(píng)分法。1992年，W.K.Muhlbauer編著了《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》，詳細(xì)論述了管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模型和相關(guān)評(píng)價(jià)方法，是美國在前20年開展油氣管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究工作的成果總結(jié)，為世界各國普遍接受并作為開發(fā)安全評(píng)價(jià)軟件的重要依據(jù)。1996年再版時(shí)作者補(bǔ)充了不同條件下的管道安全評(píng)價(jià)修正模型，并在風(fēng)險(xiǎn)管理部分補(bǔ)充了成本與風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系的內(nèi)容，使該書更具實(shí)際指導(dǎo)意義[3]。2004年，該書的第3版豐富了原有風(fēng)險(xiǎn)管理方面內(nèi)容，以更清晰更具體的例子說明了建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本模型的程序，增加了穿越段油氣輸送管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立方法[4]。
    英國Advantica公司通過統(tǒng)計(jì)分析大量管道資料及進(jìn)行災(zāi)害模擬試驗(yàn)，在對(duì)天然氣管道的危害因素進(jìn)行概率分析和事故后果量化的基礎(chǔ)上，建立了輸氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，其專家分析軟件PIPESAFE已經(jīng)應(yīng)用于英國及世界多個(gè)國家的高壓天然氣管道。加拿大C-FFR公司也成功開發(fā)了管道維護(hù)和檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)分析軟件包，用于管道的失效概率分析、失效后果和總風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算[5]。
   ② 國內(nèi)情況
   20世紀(jì)90年代中期，我國已開展了油氣管道安全評(píng)價(jià)的研究及應(yīng)用試驗(yàn)工作。最早由潘家華教授在1995年全面介紹了美國的《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[6]。“九五”期間，中國石油天然氣總公司和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合組織了“油氣管道檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。“十五”國家科技攻關(guān)課題“城市埋地燃?xì)夤艿兰肮I(yè)特殊承壓設(shè)備安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究”(2001 BA803803)，將城市燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為重點(diǎn)研究內(nèi)容。“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題“城市市政管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)營管理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目(2006BAJ16803)，包含了城市燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的研究內(nèi)容。
    有些研究人員采用故障樹分析方法對(duì)管道液化石油氣的火災(zāi)爆炸原因和后果進(jìn)行分析，建立了燃?xì)庑孤┘盎馂?zāi)爆炸事故安全評(píng)價(jià)模型，提出了安全評(píng)價(jià)中的不確定性問題和解決方法[7]。還有研究人員利用模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法建立了天然氣管網(wǎng)失效因素和后果體系，對(duì)管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)可接受程度進(jìn)行了探討，較全面地研究了天然氣管網(wǎng)的失效可能性和失效后果嚴(yán)重度的影響因素，克服了僅依靠失效概率進(jìn)行安全評(píng)價(jià)而帶來的片面性和局限性[8]。在安全評(píng)價(jià)的工程應(yīng)用上，2000年西南石油學(xué)院和中國石油西南分公司聯(lián)合研制開發(fā)了輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件，對(duì)達(dá)臥線天然氣輸氣管道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)。2001年，研究人員應(yīng)用Muhlbauer評(píng)分體系法對(duì)烏魯木齊市燃?xì)夤艿拦こ踢M(jìn)行了安全評(píng)價(jià)[9]。
2.2 我國的燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)體系
   ① 安全評(píng)價(jià)方法體系
   我國在20世紀(jì)80年代后期開始推行安全評(píng)價(jià)，與發(fā)達(dá)國家相比雖然起步較晚，但在安全評(píng)價(jià)理論與方法的研究及應(yīng)用上發(fā)展較快。許多行業(yè)都制定了自己的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，廣泛開展了企業(yè)的安全評(píng)價(jià)。
    按照安全評(píng)價(jià)結(jié)果的量化程度，安全評(píng)價(jià)可以分為定性安全評(píng)價(jià)和定量安全評(píng)價(jià)。定性安全評(píng)價(jià)方法主要有安全檢查表法、專家現(xiàn)場(chǎng)詢問觀察法、因素圖分析法、事故引發(fā)和發(fā)展分析法、作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法、故障類型和影響性分析法、危險(xiǎn)可操作性研究法等[10]。定性安全評(píng)價(jià)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝、設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境、人員和管理等方面的狀況進(jìn)行定性的分析，評(píng)價(jià)的結(jié)果是一些定性的指標(biāo)，如是否達(dá)到某項(xiàng)安全指標(biāo)、事故類別和導(dǎo)致事故發(fā)生的因素等。
    定量安全評(píng)價(jià)方法分為概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、傷害(或破壞)范圍評(píng)價(jià)法和危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法等[10]。定量安全評(píng)價(jià)是運(yùn)用基于大量的試驗(yàn)結(jié)果和事故資料統(tǒng)計(jì)分析以獲得指標(biāo)或數(shù)學(xué)模型，對(duì)生產(chǎn)工藝、設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境、人員和管理等方面的狀況進(jìn)行定量計(jì)算。安全評(píng)價(jià)的結(jié)果是一些定量的指標(biāo)，如事故發(fā)生的概率、事故的傷害(或破壞)范圍、定量的危險(xiǎn)性、失效因素與事故的關(guān)聯(lián)度或重要度等。用失效因素的事故發(fā)生概率來計(jì)算整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的事故發(fā)生概率，稱為概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法，包括：故障類型及影響度分析、故障樹分析、邏輯樹分析、概率理論分析、馬爾科夫模型分析、模糊矩陣分析法、統(tǒng)計(jì)圖表分析法等。傷害(或破壞)范圍評(píng)價(jià)法包括：液體泄漏模型、氣體泄漏模型、氣體絕熱擴(kuò)散模型、池火火焰與輻射強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型、火球爆炸傷害模型、爆炸沖擊波超壓傷害模型、蒸氣爆炸超壓破壞模型、毒物泄漏擴(kuò)散模型和鍋爐爆炸傷害TNT當(dāng)量法等。常用的危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法有道化學(xué)公司火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法，蒙德火災(zāi)爆炸毒性指數(shù)評(píng)價(jià)法，易燃、易爆、有毒重大危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)法等。
   ② 燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)體系的發(fā)展
   城市燃?xì)夤艿腊踩绊懸蛩乇姸啵瑥脑O(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)到第三方破壞、腐蝕破壞等方面多達(dá)幾百個(gè)相關(guān)因素。我國城市燃?xì)夤艿雷越ㄔO(shè)初期并沒有建立相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)和原始設(shè)計(jì)資料庫，管道投入使用后的運(yùn)行情況基本依靠人工記錄，大量資料缺失，這些客觀情況增加了建立城市埋地燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)方法和模型的難度，削弱了城市燃?xì)夤艿涝紨?shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。目前在城市埋地燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)方面尚未形成系統(tǒng)、完整的安全評(píng)價(jià)技術(shù)體系[5]。
    目前，對(duì)于燃?xì)夤艿赖陌攵堪踩u(píng)價(jià)方法大部分是以楊嘉瑜等翻譯的《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[3]為基礎(chǔ)，核心是各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重確定。確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重方法有2種：基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)法和專家估計(jì)法。在燃?xì)夤艿赖亩堪踩u(píng)價(jià)研究上，技術(shù)發(fā)展主要集中在管道的故障可能性研究，由最初的單一研究腐蝕引起的管道壽命預(yù)測(cè)，發(fā)展到考慮內(nèi)壓、溫度、外部荷載、管道彎曲、管壁變薄、新缺陷的生成等多種因素共同作用下，管道的可靠性預(yù)測(cè)[11]。對(duì)故障后果的研究主要有對(duì)燃?xì)夤艿辣ǖ膫霭霃?、爆炸沖擊波超壓計(jì)算及幾種燃?xì)獾男孤┠Ｊ降亩坑?jì)算等，但是由于受到各種客觀條件的制約，定量研究進(jìn)展相對(duì)較慢，理論模型和計(jì)算方法還有待進(jìn)一步完善。
    總體而言，我國的燃?xì)夤艿牢ｋU(xiǎn)源評(píng)價(jià)和安全評(píng)價(jià)技術(shù)仍處于起步階段，沒有制定出針對(duì)我國燃?xì)夤艿缹?shí)際情況的安全評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有相應(yīng)的管道信息數(shù)據(jù)庫的支持。需要在今后的研究和實(shí)際應(yīng)用中，不斷積累和總結(jié)?；谀壳叭?xì)夤艿老到y(tǒng)的現(xiàn)狀及各城市燃?xì)夤艿兰夹g(shù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的特殊性、獨(dú)立性，在安全評(píng)價(jià)上應(yīng)用較多、發(fā)展較快的是以故障樹分析法為主的定性、半定量安全評(píng)價(jià)方法。若擬進(jìn)行安全評(píng)價(jià)城市的相關(guān)基礎(chǔ)資料、歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)行維護(hù)文件較為完整、可靠，則可以進(jìn)行該城市燃?xì)夤艿赖亩吭u(píng)價(jià)。
3 故障樹分析法
3.1 故障樹分析法基本概念
    故障樹分析法是美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室于1962年為研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性問題而研究開發(fā)的，它為解決導(dǎo)彈系統(tǒng)偶然事件的預(yù)測(cè)問題做出了貢獻(xiàn)[10]。故障樹分析法是把要分析的目標(biāo)函數(shù)作為故障樹的頂事件，以方框符號(hào)表示；經(jīng)分析找盡導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有直接原因，作為中間事件，以方框符號(hào)表示；作為邏輯門輸入信號(hào)，將邏輯門輸出信號(hào)與頂事件相連接形成因果關(guān)系；再跟蹤找出導(dǎo)致每個(gè)中間事件發(fā)生的所有直接原因作為下一級(jí)中間事件，用邏輯門與上一級(jí)中間事件連接；以此程序直追溯到導(dǎo)致組成系統(tǒng)所有部件故障發(fā)生的全部直接原因，作為故障樹的底事件，以圓形符號(hào)表示，用邏輯門與上一級(jí)中間事件相連接，最終形成倒置的樹狀邏輯圖[12]。然后定性或定量地分析事件發(fā)生的各種可能途徑及發(fā)生的概率，找出避免事故發(fā)生的各種方案并選出最佳安全對(duì)策。
    頂事件通常是由故障假設(shè)、危險(xiǎn)與可操作性研究法等危險(xiǎn)分析方法識(shí)別出來的。故障樹模型是原因事件(即故障)的組合(稱為故障模式或失效模式)，這種組合導(dǎo)致頂事件。這些故障模式稱為割集，最小的割集是原因事件的最小組合。要使頂事件發(fā)生，最小割集中的所有事件必須全部發(fā)生。根據(jù)底事件的組合個(gè)數(shù)，最小割集分為一階最小割集、二階最小割集等。故障樹分析包括定性分析和定量分析。
    故障樹的定性分析僅按照故障樹的結(jié)構(gòu)和事故的因果關(guān)系進(jìn)行，分析過程中不考慮各事件的發(fā)生概率，或認(rèn)為各事件的發(fā)生概率相等。內(nèi)容包括求底事件的最小割集、最小徑集及其結(jié)構(gòu)重要度，求取方法有質(zhì)數(shù)代入法、矩陣法、行列法、布爾代數(shù)法簡法等[13]。定量分析是確定所有原因的發(fā)生概率，標(biāo)在故障樹上，進(jìn)而求出頂事件(事故)發(fā)生概率，一般包括對(duì)頂事件發(fā)生概率的計(jì)算及對(duì)底事件重要度分析。
故障樹分析的基本步驟：確定頂事件；確定底事件；調(diào)查事故原因；確定目標(biāo)值；構(gòu)造故障樹；定性評(píng)價(jià)；定量評(píng)價(jià)；制定預(yù)防事故(改進(jìn)系統(tǒng))的措施。故障樹分析流程見圖1。
 

    故障樹分析法形象、清晰、邏輯性強(qiáng)，能對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。該法應(yīng)用比較廣，非常適合于重復(fù)性大的系統(tǒng)。不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入提示事故的潛在原因，因此在工程設(shè)計(jì)階段、事故查詢或編制新的操作方法時(shí)，都可以使用這個(gè)方法對(duì)它們的安全性做出評(píng)價(jià)[14]。
3.2 故障樹底事件發(fā)生概率確定
    常規(guī)基于布爾代數(shù)和概率論的系統(tǒng)故障樹分析的理論研究已取得了較大成功，工程應(yīng)用也取得了一定成果。但是，現(xiàn)有的理論和方法需要將故障樹頂事件和底事件發(fā)生的概率視為精確值，在實(shí)際中由于頂事件和底事件發(fā)生概率存在隨機(jī)性和模糊性，因而針對(duì)這些不確定性問題，應(yīng)該選擇更合適的高等數(shù)學(xué)分析理論和方法來解決。底事件重要度分析是故障樹定量分析中的重要部分，重要度表現(xiàn)為系統(tǒng)中某底事件發(fā)生時(shí)對(duì)頂事件發(fā)生概率的貢獻(xiàn)，概率重要度是頂事件發(fā)生概率對(duì)某底事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)。
    此外，模糊性是故障樹分析的客觀特性，采用數(shù)學(xué)模糊集理論結(jié)合專家調(diào)查方法來確定事件的發(fā)生概率，可以克服傳統(tǒng)故障樹分析中把底事件的發(fā)生概率當(dāng)作精確值時(shí)帶來的誤差。為了保證確定的故障率和模糊故障率之間的一致性，需把模糊可能性值轉(zhuǎn)化為模糊故障率[15]。
4 城市燃?xì)夤艿赖墓收蠘浣⒑头治?/span>
    管道運(yùn)行期一般可分為3個(gè)階段：初期、平穩(wěn)期和老齡期。在不同的運(yùn)行階段，安全評(píng)價(jià)時(shí)建立故障樹的底事件及底事件的結(jié)構(gòu)重要度不同，分析時(shí)要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和計(jì)算，而不能機(jī)械地套搬安全評(píng)價(jià)案例。
4.1 城市燃?xì)夤艿拦收嫌绊懸蛩亟y(tǒng)計(jì)分析
    城市埋地燃?xì)夤艿烙捎诙喾笤O(shè)在人口稠密的城區(qū)地下，管道破損漏氣而引發(fā)的爆炸、火災(zāi)、中毒等惡性事故，會(huì)給城市居民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，給社會(huì)帶來不良影響。故障影響因素的劃分和確定，需要根據(jù)不同城市的事故案例報(bào)告，針對(duì)事故情況進(jìn)行歸納和統(tǒng)計(jì)分析，以得出引發(fā)失效故障的重要影響源。下面就幾個(gè)城市的簡單燃?xì)馐鹿拾咐?，進(jìn)行故障影響因素分析。
    ① 城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)事故案例
    長沙市燃?xì)夤镜募夹g(shù)人員統(tǒng)計(jì)了已運(yùn)行10年的燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)事故。其中，1993年—2000年燃?xì)馐鹿式y(tǒng)計(jì)見表1[16]。
    遼寧省某市的燃?xì)夤芫W(wǎng)始建于1909年，全市燃?xì)夤艿揽傞L約2232km，其中中壓燃?xì)夤艿篱L202km，低壓燃?xì)夤艿篱L2030km。該市于2002年1月—2004年6月對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏事故的統(tǒng)計(jì)見表2[17]。
    北方某城市對(duì)2000年—2006年燃?xì)庀到y(tǒng)的泄漏事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按故障樹分析法進(jìn)行分類(見表3)[18]。
表1 1993年—2000年長沙市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)事故統(tǒng)計(jì)
燃?xì)庀到y(tǒng)
事故原因
事故數(shù)量/次
所占比例/%
備注
埋地管道
機(jī)械或其他外部影響
68
46.9
其中施工損壞60次
連接套管質(zhì)量原因破裂
29
20.0
—
施工質(zhì)量影響
20
13.8
—
地基沉降引起折斷
16
11.0
—
管材有氣孔或砂眼
10
6.9
—
不正確操作
2
1.4
—
表2 2002年—2004年燃?xì)夤艿佬孤┦鹿式y(tǒng)計(jì)
序號(hào)
事故原因
后果
事故數(shù)量/次
所占比例/%
1
引入管斷裂
7人中毒
445
25.8
2
鑄鐵管接口泄漏
無人員傷亡
651
37.7
3
管道斷裂
7人死亡，42人中毒
117
6.8
4
施工挖斷管道
無人員傷亡
190
11.0
5
凝水缸泄漏
無人員傷亡
72
4.2
6
閥門泄漏
無人員傷亡
250
14.5
合計(jì)
—
—
1725
100.0
表3 2000年—2006年北方某城市燃?xì)庀到y(tǒng)泄漏事故統(tǒng)計(jì)
類別
發(fā)生泄漏原因
事故數(shù)量/次
所占比例/%
分類所占比例/%
外力破壞
施工外力破壞燃?xì)夤艿?/span>
126
30.7
42.3
超重車輛碾壓燃?xì)夤艿?/span>
40
9.7
違章建筑物占?jí)喝細(xì)夤艿?/span>
1
0.2
偷盜燃?xì)庠O(shè)施
7
1.7
日常管理
日常管理不到位
5
1.2
3.6
違章操作
10
2.4
施工原因
燃?xì)夤艿朗┕げ划?dāng)
18
4.4
7.1
燃?xì)夤艿啦馁|(zhì)選用不當(dāng)
11
2.7
自然因素
燃?xì)夤艿栏g
121
29.4
35.0
燃?xì)夤艿赖刭|(zhì)條件變化
19
4.6
其他自然因素
4
1.0
使用不當(dāng)
用戶使用燃?xì)庠O(shè)施不當(dāng)
49
12.0
12.0
總計(jì)
411
100.0
100.0
    ② 城市燃?xì)夤艿拦收嫌绊懸蛩胤治?/span>
    從表1可知，對(duì)于長沙市的埋地燃?xì)夤艿?，第三方破?機(jī)械或其他外部影響、地基沉降)導(dǎo)致的故障率占57.9%；材料和施工原因(連接套管質(zhì)量原因、施工質(zhì)量影響、管材有氣孔或砂眼)引起的故障率為40.7%；誤操作(不正確操作)原因引起的故障率為1.4%。由于管道已運(yùn)行10年，屬于平穩(wěn)期，尚未發(fā)生因腐蝕引發(fā)的事故。
    從表2可知，第三方破壞(施工挖斷管道)引起的泄漏事故占總泄漏事故的11.0%；施工和材料引起的泄漏(引入管斷裂、鑄鐵管接口泄漏、管道斷裂、凝水缸泄漏、閥門泄漏)占總泄漏事故的89.0%。
    從表3可知，第三方破壞(外力破壞)是燃?xì)庀到y(tǒng)發(fā)生泄漏的主要原因，占故障率的42.3%；自然因素是燃?xì)庀到y(tǒng)發(fā)生泄漏的重要原因之一，占故障率的35.0%；用戶使用不當(dāng)占故障率的12.0%；這三者的總和占故障率的89.3%[18]。
    綜合以上3個(gè)燃?xì)馐鹿式y(tǒng)計(jì)案例可知，燃?xì)夤艿佬孤┦鹿拾l(fā)生的主要原因有5個(gè)方面：第三方破壞、腐蝕、誤操作、材料和施工、其他因素等，這構(gòu)成了燃?xì)夤艿老到y(tǒng)故障樹的主要失效因素。根據(jù)我國國情和城市管道的特點(diǎn)，按照城市埋地燃?xì)夤艿乐卮笪ｋU(xiǎn)源評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以將故障原因歸納為5類：第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)及操作不當(dāng)、管道材料和施工、地質(zhì)條件及其他影響等，這5種主要影響因素比較全面地形成了燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)模型的次頂事件。
4.2 城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)故障樹的建立
4.2.1燃?xì)夤艿老到y(tǒng)故障樹分析法的實(shí)踐
    對(duì)于燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)故障樹建立時(shí)頂事件的確定原則，可以選擇不同的故障失效模式作為頂事件。根據(jù)頂事件的劃分，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因事件按因果邏輯關(guān)系逐層列出，形成次頂事件、中間事件、底事件，構(gòu)成樹形的邏輯模型；從而確定原因事件(底事件)及原因事件的最小組合——底事件的最小割集，然后定性或定量地分析事件發(fā)生的各種可能途徑和概率，從而對(duì)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)進(jìn)行合理、全面、可靠的安全評(píng)價(jià)。應(yīng)充分分析和研究這些影響因素的產(chǎn)生原因和導(dǎo)致后果，列出并劃分正確、充足的底事件群，構(gòu)成最符合工程運(yùn)行實(shí)際、最具邏輯性的故障樹。
    國內(nèi)燃?xì)忸I(lǐng)域相關(guān)專家學(xué)者對(duì)燃?xì)夤艿赖陌踩u(píng)價(jià)進(jìn)行了豐富實(shí)踐，建立了不同層級(jí)、不同規(guī)模、不同次頂事件(或中間事件)及底事件的故障樹[5、12、14、18～26]。
    北京建工學(xué)院畢彥勛等對(duì)高、中壓管網(wǎng)構(gòu)成的環(huán)狀分段管網(wǎng)中，某低壓燃?xì)庥脩敉獾墓收夏Ｊ剑⒘?4級(jí)、24個(gè)邏輯門、29個(gè)底事件的故障樹[12]。結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，計(jì)算出供氣可靠度。
    同濟(jì)大學(xué)何淑靜等以埋地燃?xì)怃摴艿男孤槔?，選擇輸配管網(wǎng)故障作為頂事件。引起管網(wǎng)故障的直接原因可以按管道故障和附屬設(shè)備故障劃分，以這2個(gè)原因?yàn)榇雾斒录?。得出的燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)失效故障樹考慮29個(gè)基本事件，有24個(gè)最小割集，其中的21個(gè)一階最小割集是管網(wǎng)運(yùn)行管理中的薄弱環(huán)節(jié)[19]，并對(duì)該故障樹進(jìn)行了定性和定量分析。
    西南石油學(xué)院廖柯熹等建立以天然氣管道失效為頂事件的故障樹。通過對(duì)其分析，得到了故障樹的各階最小割集，故障樹的相應(yīng)底事件可劃分為69個(gè)。天然氣管道失效故障樹由47個(gè)一階最小割集、77個(gè)二階最小割集、12個(gè)三階最小割集、12個(gè)四階最小割集組成。47個(gè)一階最小割集直接影響著系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)[20]。
    天津大學(xué)張甫仁等按燃?xì)饣馂?zāi)爆炸事故建立了故障樹模式，故障樹包括44個(gè)危險(xiǎn)源因素，該樹以危險(xiǎn)源的分類描述為中間事件，以危險(xiǎn)源為底事件，以邏輯門符號(hào)相連接。在實(shí)際應(yīng)用過程中，分析了故障樹的智能繪制，并利用模擬結(jié)果，分析了各指標(biāo)危險(xiǎn)性重要度指數(shù)，量化了每個(gè)危險(xiǎn)源在事故致災(zāi)中的貢獻(xiàn)，也得到了整個(gè)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，為制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施提供了參考[22]。
    山東建筑大學(xué)張?jiān)鰟偟冉⒘顺鞘腥細(xì)廨斉湎到y(tǒng)的故障樹模型。針對(duì)系統(tǒng)的事件發(fā)生概率不確定的情況，將模糊數(shù)學(xué)引入到故障樹分析中，給出了燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的模糊故障樹安全評(píng)價(jià)方法。將城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)劃分為儲(chǔ)配站、輸配管網(wǎng)和用戶3個(gè)部分，在對(duì)城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)某部分故障分析的基礎(chǔ)上，建立了三組次頂事件的城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)故障樹模式，得出的故障樹底事件有48個(gè)[24]。
4.2.2故障樹分析法在燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的應(yīng)用
    基于前文的事故案例分析，并總結(jié)前人的研究成果，筆者提出按第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)及操作不當(dāng)、管道材料與施工、地質(zhì)條件與其他影響等5種燃?xì)夤艿朗鹿驶蚴г蜻M(jìn)行重大危險(xiǎn)源劃分歸類，依此5種事故原因作為次頂事件建立故障樹的模式，進(jìn)行燃?xì)夤艿赖亩ㄐ?、定量安全評(píng)價(jià)。燃?xì)夤艿拦收蠘涠ㄐ?、定量分析工作程序如下?/span>
    ① 以故障樹分析方法為主、其他方法為輔，列出可能導(dǎo)致燃?xì)夤艿拦收匣蚴鹿拾l(fā)生的所有底事件。
    ② 進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析，從故障樹結(jié)構(gòu)上分析各底事件的重要度，利用最小割集分析判斷結(jié)構(gòu)重要度大小，按重要性排列出導(dǎo)致事故發(fā)生的各底事件的順序，列出重大危險(xiǎn)源。
    ③ 按第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)及操作不當(dāng)、管道材料與施工、地質(zhì)條件與其他影響等5種燃?xì)夤艿朗鹿驶蚴г蜻M(jìn)行重大危險(xiǎn)源劃分歸類，依此5種事故原因作為次頂事件建立新的故障樹。
    ④ 設(shè)各次頂事件權(quán)重各為20%，對(duì)上述劃分歸類的5種事故原因的相應(yīng)底事件，采用專家估測(cè)、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)等方法得出各底事件(重大危險(xiǎn)源)在相應(yīng)原因中的權(quán)重，形成基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型。通過以上程序，定性得出影響燃?xì)夤艿罁p壞或失效故障樹頂事件的全部底事件的權(quán)重或結(jié)構(gòu)重要度大小，可以確定導(dǎo)致頂事件發(fā)生的主要底事件，即影響事故發(fā)生的重大危險(xiǎn)源。
    ⑤ 定量計(jì)算各次頂事件對(duì)應(yīng)的底事件(重大危險(xiǎn)源)的權(quán)重大小。
    a. 修正模型1的建立
    根據(jù)擬進(jìn)行安全評(píng)價(jià)城市燃?xì)夤艿赖臍v年事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料，按第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)及操作不當(dāng)、管道材料與施工、地質(zhì)條件與其他影響等5種事故原因，作為次頂事件，進(jìn)行歸類與分析，將燃?xì)夤艿罋v年事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得出各次頂事件發(fā)生的統(tǒng)計(jì)權(quán)重系數(shù)，定義新的統(tǒng)計(jì)修正模型為修正模型1。將修正模型1中各底事件的修正權(quán)重系數(shù)分別乘以基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型中相應(yīng)各底事件的權(quán)重，得出修正模型1下各底事件的權(quán)重。
    b. 修正模型2的建立
    根據(jù)評(píng)價(jià)城市燃?xì)夤艿赖囊?guī)劃、施工、運(yùn)行、管理、維護(hù)等實(shí)際情況，對(duì)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型下的各次頂事件發(fā)生的底事件權(quán)重，進(jìn)行進(jìn)一步修正和調(diào)整，確定新的底事件實(shí)際修正權(quán)重，得到修正模型2。
    c. 修正后底事件及各級(jí)事件權(quán)重分值的確定
    將修正模型1中各底事件的修正權(quán)重系數(shù)分別乘以修正模型2中相應(yīng)各底事件的權(quán)重，得出經(jīng)修正后的各底事件的實(shí)際修正權(quán)重。
    ⑥ 定量計(jì)算各頂事件發(fā)生的概率。
5 建議
    ① 燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的故障事件比油氣管道更復(fù)雜，具體工作需要我國燃?xì)庑袠I(yè)相關(guān)人員共同努力，爭(zhēng)取建立故障信息數(shù)據(jù)庫和城市燃?xì)夤艿肋\(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)庫。
    ② 定量分析時(shí)，可以采用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法和專家調(diào)查法進(jìn)行分析，最大限度地削弱主觀性的影響，得出底事件過去的發(fā)生概率并以此預(yù)測(cè)現(xiàn)在或?qū)淼陌l(fā)生概率，以制定相應(yīng)的維護(hù)方案和措施。
    ③ 引入模糊數(shù)學(xué)的概念進(jìn)行燃?xì)夤艿赖陌攵炕蚨糠治?，并充分認(rèn)識(shí)故障因素量化和相互之間關(guān)系的模糊性，是進(jìn)行燃?xì)夤艿腊踩u(píng)價(jià)的有效方法。
   ④ 計(jì)算程序是進(jìn)行安全評(píng)價(jià)定量計(jì)算必不可少的工具，為了加強(qiáng)計(jì)算的精度，需要從數(shù)學(xué)方法上加大研究力度，為相關(guān)計(jì)算提供理論方法支持。
    ⑤ 針對(duì)燃?xì)夤艿拦收蠘湓u(píng)價(jià)的實(shí)際需要，結(jié)合其他安全評(píng)價(jià)理論和方法，形成一套成熟的安全評(píng)價(jià)程序，對(duì)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)進(jìn)行更加完善合理的安全評(píng)價(jià)。建立一種能處理諸多風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性，主要是參數(shù)的不確定性，以及其相互之間的影響作用的綜合評(píng)價(jià)方法體系。
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(本文作者：高文學(xué) 李建勛 王啟 趙自軍 嚴(yán)榮松 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)