基于事件树的天然气管道风险定量分析

作者：黄小美李百战彭世尼杨茂华　　评论：　更新日期：2012年07月07日

摘要：提出了以事件树分析为主线，结合故障树分析的城镇天然气管道风险定量分析方法：将管道泄漏分为渗透泄漏、穿孔泄漏和开裂泄漏3种泄漏模式；以管道泄漏为故障树分析的顶事件，分析管道泄漏的原因和概率；以管道泄漏为事件树分析的初因事件，分析管道泄漏在各种情况下造成的后果序列；以故障树分析事件树中后续事件的概率，以初因事件的概率和后续事件的概率计算后果事件的概率；分别对各个后果事件进行后果危害程度分析和经济损失估计；累加每个后果事件的经济损失数学期望，得到整个管道系统的风险值。

关键词：城镇天然气管道；风险分析；事件树；故障树；后果分析

由于天然气的易燃易爆性、管道系统的易损性和城市人口、财物的密集性，城市天然气管道系统的风险必然存在。风险分析是采取一定的方法确定系统存在的危害，并定性或者定量地分析风险大小的过程。风险包含危害事件发生的可能性和危害事件产生的后果两个方面的含义。定量的风险分析至少应包括以下4个步骤：危害识别；危害事件概率分析；危害事件后果分析；风险值估算。

1 危害识别的方法

引起管道安全风险的直接危害事件是燃气泄漏。这里采用事件树与故障树相结合的方法分析管道泄漏的原因及后果，以辨识管道的风险因素，其中事件树用于分析管道泄漏所导致的后续事件和后果事件，而故障树则用于分析初因事件(即管道泄漏)和后续事件发生的原因。

① 管道泄漏事件树分析

事件树分析是一种逻辑演绎分析法，它在给定内一个初因事件的前提下，分析此初因事件可能导改的各种事件序列的结果^[1、2]。

由于天然气泄漏是造成管道安全风险的根本原因，本文选择天然气泄漏作为事件树分析的初因事件，将天然气管道泄漏韵渗透泄漏、穿孔泄漏和开裂泄漏这3种基本模式同时作为事件树分析的初因事件。图1为天然气管道系统泄漏事件树，图1中的代码为E₁～E₃的事件表示后续事件，其正下方的字母Y表示该事件发生，而N表示事件不发生。由于各后续事件是否发生而使得管道泄漏具有13种不同的后果，分别用代码C₁～C₁₃表示，各后果事件代码的意义见表1。

表1 各后果事件代码的意义

代码	意义	代码	意义
C₁	着火	C₈	无灾害
C₂	密闭爆炸	C₉	射流火灾
C₃	窒息	C₁₀	密闭爆炸
C₄	无灾害	C₁₁	窒息
C₅	射流火灾	C₁₂	气云爆炸
C₆	密闭爆炸	C₁₃	无灾害
C₇	窒息	—	—

天然气管道渗透泄漏包括天然气从管道直接渗透到空气中以及管道穿孔、开裂并经过土壤渗透到空气中两种情况，而穿孔泄漏和开裂泄漏则表示天然气由于管道穿孔或开裂而直接泄漏到空气中，燃气以何种模式泄漏由管道的敷设方式及失效原因决定。立即点燃泛指天然气泄漏后且未大量积聚前被点燃的情况，即不会导致爆炸、闪火、火球情况的点燃，而并非仅指燃气-泄漏就马上被点燃。燃气发生立即点燃后，由于燃气被消耗掉，因而也不会再发生泄漏到密闭空间或燃气被引爆的情况。渗透泄漏由于泄漏流量小，压力降低到较低水平，立即点燃后一般发生普通的着火，而不会发生射流火灾。而穿孔泄漏和开裂泄漏后的立即点燃，则会产生喷射火，从而导致射流火灾。天然气泄漏到密闭空间时，若被引爆，则会发生密闭空间爆炸，若密闭空间里面有人，即使不被引爆，也有可能导致窒息。天然气管道开裂，且泄漏流量特别大时，即使泄漏在开敞空间，也有可能被引爆，从而发生开敞空间气云爆炸。

② 初因事件及后续事件故障树分析^[1～6]

故障树是一种由结果到原因描述事故发生的有向逻辑树，是一种将系统故障的各种原因(包括硬件、环境、人为因素)由总体到部分，按倒置树枝状结构从上到下逐层细化的逻辑归纳分析方法，非常适合分析事件树中初因事件和后续事件的原因，故障树分析还可用于计算这些事件的概率。

2 概率分析

危害事件的概率分析是风险定量分析的必要步骤。图1中的后果事件是管道系统引起的危害事件，因此必须分析每个后果事件的概率。文献[1～5]给出了故障树定量计算方法，即能通过已知底事件的概率得出故障树顶事件的发生概率，而底事件的概率可以通过专家评分估计法、历史事故记录统计分析法等方法获得。如果3种泄漏模式下的初因事件和后续事件发生概率(或频率)均通过故障树定量计算求出，则后果事件的概率即为初因事件的发生概率(或频率)和各个后续事件的发生或不发生的概率(或频率)之积。例如：

P(C₁)=P(E₀_，1)P(E₁)[1-P(E₂)]·[1-P(E₃)] (1)

式中P(C₁)——后果事件C₁的发生概率(或频率)，其单位和初因事件的概率(或频率)单位相同

P(E₀_，1)——初因事件E₀_，1的发生概率(或频率)

P(E₁)——后续事件E₁的发生概率(或频率)

P(E₂)——后续事件E₂的发生概率(或频率)

P(E₃)——后续事件毛的发生概率(或频率)

3 后果分析

① 泄漏量分析

如果天然气直接泄漏到管道周围的空气中，则泄漏流量可由管道水力计算公式和泄漏小孔模型结合计算，泄漏流量与管内燃气压力、泄漏孔口尺寸有关，泄漏持续时间与人口密度、巡线质量、加臭效果及公众教育等因素有关，有关计算公式可参见文献[1]或[7]；若泄漏管道的上下游阀门被截断，则燃气流量逐渐减小，其泄漏流量及持续时间可参见文献[1]。若燃气从管道泄漏且经过土壤渗透到大气中，则泄漏流量随着管道压力、泄漏口面积、土壤透气系数的增加而增大，随着土壤厚度的增加而减小，可通过实验、现场测量确定其关系。

② 燃气泄漏扩散分析

燃气泄漏到大气中后，在泄漏源附近的燃气浓度符合射流扩散的规律。而随着距离的增长，射流效应逐渐减弱，当射流速度接近或等于风速时，扩散燃气就不再符合射流规律，此后可按高斯扩散公式模拟燃气的浓度^[7]。射流扩散计算公式及高斯扩散计算公式可参见文献[1、8、9]。

③ 着火

这里着火泛指燃气在较低压力和流量下点燃形成的扩散火焰。燃气从管道泄漏并经过土壤渗透到空气中或从管道渗漏出来被点燃时，通常都属于这种着火，这在实际工程中很常见。这种扩散火焰长度较短，热辐射强度较小，一般不会直接对附近的人或物品造成伤害。这里不讨论由于着火引燃其他易燃、易爆物品而产生的二次灾害。