孟博杰，伍 穎，陳良若

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

0 引言

生命線工程指對社會生活、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)。天然氣配氣站是燃氣供應系統(tǒng)和輸氣管道系統(tǒng)重要組成部分，承擔調(diào)度、調(diào)壓、儲存、分配等重要任務[1-3]。

地震災害對生命線工程威脅較大[4]。以往發(fā)生多起地震災害引發(fā)生命線工程安全功能喪失的案例：1994年1月17日美國洛杉磯發(fā)生里氏6.6級地震，導致燃氣系統(tǒng)泄漏，燃氣系統(tǒng)漏氣點高達15×104處，同時引發(fā)數(shù)起火災[5]；1995年1月17日，日本阪神地區(qū)發(fā)生里氏7.3級地震，導致煤氣管道破裂，造成煤氣泄漏，起火點459處，燃燒面積達數(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級地震，都江堰市燃氣管道損壞嚴重，地下管道破裂達10余處，需重建地下管道長達50 km，全市燃氣輸配系統(tǒng)經(jīng)濟損失約6 700萬元[7]。因地震引發(fā)燃氣輸送系統(tǒng)損壞，導致燃氣泄漏等事故，給人們的生命安全帶來嚴重威脅。

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江中游地震帶交界，是“5·12”汶川大地震重點災區(qū)。為了對天然氣配氣站進行抗震安全評估，本文以某天然氣配氣站為研究對象，分析并構建事故序列模型，研究系統(tǒng)失效原因及失效概率，評估事件發(fā)生后果，為配氣站抗震措施實施提供理論依據(jù)。

1 理論基礎

1.1 序關系分析法

序關系分析法是經(jīng)層次分析法改進形成的1種新的賦值方法，計算量顯著減少，省略判斷矩陣構建與一致性檢查等步驟，可操作性強。對事件可接受程度進行計算和量化，并引入序關系法計算相關權重[8]。權重計算包括以下3個步驟：

1)確定指標間的序關系

根據(jù)各評價指標重要程度進行排序：若指標Xi比指標Xj重要，則Xi>Xj；結合專家評定建議，確定各指標重要性排序。

2)相鄰指標間相對重要程度判斷準則：由專家為評價指標Xk和Xk-1相對重要程度之比賦值，如式(1)所示：

(1)

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

3)指標權重ωk計算

專家為rk賦值，則權重ωk如式(2)～(3)所示：

(2)

ωk-1=rk·ωk(k=n，n-1,…,2)

(3)

式中：ri為評價指標重要程度之比，i取k～n。

1.2 改進的風險矩陣

美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute，API)基于工程實踐，提出風險等級劃分方法，風險等級劃分矩陣如圖1所示[9]。由圖1可知，矩陣中列表示失效后果，分為5個等級，等級AC1表示失效后果最小，等級AC5表示失效后果最大；風險矩陣行表示失效可能性，分為5個等級，等級AE1表示失效可能性最低，等級AE5表示失效可能性最高。

圖1 風險等級劃分矩陣Fig.1 Risk classification matrix based on API 581 standard

傳統(tǒng)風險矩陣通俗易懂、操作簡單、效果明顯，但存在風險關聯(lián)缺陷，原因是風險矩陣邊界定義較尖銳[10-11]，在特定情況，不同風險可能具有相同風險等級。

改進的事件序列風險定義如式(4)所示：

A=a·X+b·Y

(4)

式中：A表示事件序列風險，A值越大，事件風險越大，越不容易被管理者接受；X表示事件導向風險；Y表示后果導向風險；a，b分別表示2種風險權重系數(shù)。

為消除傳統(tǒng)矩陣風險關聯(lián)缺陷，本文采用改進后的風險矩陣，如圖2所示。

圖2 改進后風險矩陣Fig.2 Improved risk matrix

圖2(a)為風險定義表達式對應數(shù)學模型，隨A取值不同，形成不同風險等級邊界，能夠有效緩解邊界尖銳影響，消除風險關聯(lián)缺陷；圖2(b)為改進后風險矩陣評價模型，可通過式(4)中(X，Y)確定風險等級。

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

在核電廠地震風險評估過程中，建立事件序列數(shù)學模型，確定地震發(fā)生后，能夠為核電廠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，按照事件發(fā)展進程分階段、分步驟分析，最終推導出結果事件，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)事件造成的結果，結果僅包含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，其發(fā)展過程中可能導致嚴重后果的危險事件，包括機器故障、設備損壞、人為操作失誤等。本文主要研究管道或設備泄漏和因設備失效導致的非正常輸氣。

題頭事件指始發(fā)事件發(fā)生時，由特定一線系統(tǒng)和保障系統(tǒng)共同維持系統(tǒng)安全運行的事件，對事故有緩解作用。有時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個始發(fā)事件、幾個功能事件及連接兩部分事件的分支共同組成。每個序列代表1種事件演化進程，簡單序列可以根據(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 事件序列風險量化

風險定義由事件序列模型得出，當考慮事件導向風險和后果導向風險時，如式(5)所示：

A=α·AE+β·AC

(5)

式中：AE表示事件導向風險；AC表示后果導向風險；由序關系法計算得到α=0.4，β=0.6。

事件導向風險指，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，題頭事件所占權重不同，需要單獨計算。若A題頭事件的發(fā)生導致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，所得風險偏大，最終結論更為安全。事件導向風險為各事件是否發(fā)生的加權數(shù)，如式(6)所示：

AE=100·∑γi·Pi

(6)

式中：γi表示題頭事件所占權重，由序關系法計算得到;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。為便于工程應用，乘系數(shù)100，使最終結果總分為100分。

事件后果風險評分為事件后果評價和措施是否有效評價2種。針對后果導向風險，如式(7)所示：

AC=η·Cj+λ·∑μj·Mj

(7)

式中：Cj表示事件后果嚴重程度；Mj表示事件措施是否有效程度；μj表示不同措施所占權重；η，λ分別為事件后果嚴重程度和措施是否有效程度所占權重，由序關系法計算得到，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)設備齊全，工藝流程如圖4所示。對該地區(qū)地震危險性分析發(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，為全新世活動斷裂，潛在地震能力等級為6.0級。

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)響應集合和各始發(fā)事件相互關系提供理論依據(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“站場泄漏”和“設備失效”2方面進行地震事件序列建模。本文以“站場泄漏”作為始發(fā)事件，相關保障系統(tǒng)作為功能事件主體，基于“立即點燃”與“延遲點燃”，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個功能事件，將產(chǎn)生2n個事件序列，但鑒于事件間邏輯關系，僅保留部分有實際意義的序列，以簡化分析過程[15]。

配氣站發(fā)生泄漏時，站內(nèi)保障系統(tǒng)執(zhí)行相關功能，確保及時找到泄漏點，切斷管道閥門，使泄漏氣體安全擴散，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，建立配氣站站場泄漏事件樹模型，如圖5所示。由圖5可知，站場泄漏事件引發(fā)22個后果事件，產(chǎn)生32條事故序列，并伴隨火災、爆炸或天然氣大量泄漏等危險事故；同時，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，導致無法及時與上級有關部門或消防單位取得聯(lián)系，最終導致事故進一步惡化。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散模式和由此造成的火災和爆炸機理；在后果事件中，不考慮噴射火、閃火、池火災等不同的火災爆炸事故。

3.3 風險量化分析

由式(5)～(7)可知，配氣站地震事件序列風險由事件導向風險和后果導向風險共同決定。事件導向風險由題頭事件決定，通過對每個題頭事件權重賦值，結合專家調(diào)研所得事件相對重要度，采用序關系法得到配氣站題頭事件權重和泄漏事件樹事件措施是否有效權重，見表4和表6。基于權重，計算得到事件序列風險量化結果，見表5。

表4 配氣站泄漏事件樹題頭事件權重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險量化結果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重Table 6 Weight of Effective Measures of Leakage Event Tree in Gas Distribution Station

式(5)中A值為風險界定值，根據(jù)英國焊接學會(The Welding Institute，TWI)提出的不同風險占比，結合某燃氣公司專家討論結果得出低風險∶較低風險∶中等風險∶較高風險∶高風險=3∶3∶7∶8∶4。由此計算站場泄漏事件可接受程度分級分界值：低可接受與較低可接受度分界點為23.64；較低可接受度與中等可接受度分界點為38.07；中等可接受度與較高可接受度分界點為64.06；較高可接受度與高可接受度分界點為78.49。最終風險矩陣如圖6所示。

圖6 配氣站地震事件序列風險矩陣Fig.6 Risk matrix of seismic event sequence in gas distribution station

表3(續(xù))

4 結論

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，為地震概率安全評價奠定基礎。

2)在地震失效數(shù)據(jù)不詳實的情況下，結合序關系法，提出配氣站地震事件序列風險計算方法。以某配氣站為例計算事件風險值；其中，C5,C6事件風險相對較低，分別為18.75和15.24。

3)通過引入權重系數(shù)α和β，改進傳統(tǒng)風險矩陣，提出由事件導向和后果導向共同決定的配氣站地震事件序列風險矩陣模型，能有效降低尖銳邊界條件影響，便于實際工程應用。