燃气管道定量风险评价及其软件研制

摘 要

摘要：论述了燃气管道定量风险评价的主要步骤及其方法，包括危害识别、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、风险估计、风险因素重要度分析风险可接受性评判
摘要：论述了燃气管道定量风险评价的主要步骤及其方法，包括危害识别、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、风险估计、风险因素重要度分析风险可接受性评判、风险减缓措施提示。给出了燃气管道定量风险评价流程，采用C++高级编程语言和SQL Server 2000数据库编制了燃气管道定量风险评价软件。该软件能够基于燃气管网GIS运行，能够评价燃气管道失效概率、失效后果和风险值，能识别主要风险因素并给出风险减缓措施建议。
关键词：燃气管道；定量风险评价；软件编制
Quantitative Risk Assessment of Gas Pipeline and Development of Its Software
HUANG Xiao-mei，PENG Shi-ni，ZHANG Cai-hua，WANG Shu-miao，YANG Jun-jie
Abstract：The major steps and methods for quantitative risk assessment of gas pipeline，including hazard identification，pipeline failure probability analysis，probability analysis of hazardous events，consequence analysis of hazardous events，risk evaluation，importance analysis of risk factors，risk acceptability judgment and presentation of risk mitigation measures，are introduced. The technological process of quantitative risk assessment of gas pipeline is given，and the corresponding software is programmed with Visual C++ programming language and SQL Server 2000 database. The software can be integrated with GIS for gas network，assess failure probability，failure consequence and risk value of gas pipeline，identify main risk factors and offer suggestion on risk mitigation measures.
Key words：gas pipeline；quantitative risk assessment；software programming
    近年来我国城市燃气业发展非常迅速，这一方面给更多城市提供优质能源，另一方面也带来许多安全问题。最近几年，有关燃气泄漏爆炸的事故屡见报道，燃气事故不仅给供气企业带来经济损失，也给城市公众造成恐慌，给城市形象带来负面影响。从20世纪70年代起，风险管理的概念在企业安全管理中开始流行，并慢慢被油气长输企业所接受和采用。近年来，国内部分大型燃气企业也开始着手建立风险管理或完整性管理体系，以改善严峻的安全管理形势、降低总成本，风险评价技术正是这些管理体系的核心内容。在这种背景下，重庆大学城市建设与环境工程学院和新奥(廊坊)燃气技术研究发展有限公司合作研制了城市燃气管道定量风险评价系统软件，本文介绍该软件的原理、功能和特点。
1 风险管理和风险评价技术简介
    风险管理是指企业通过风险辨识、风险评价确定系统的风险因素及程度，并研究风险对策，通过采用多种管理方法、技术手段对生产涉及的风险进行有效控制。采取主动行动，创造条件，妥善处理风险事故造成的不利后果，并对风险控制措施进行监控和信息反馈，以使风险控制在较低的可接受水平和使工业生产的总成本控制在较低水平[1]。风险管理技术的核心内容是风险评价。
    风险评价是以系统安全为目的，按照科学的程序和方法，对系统中的危险因素、发生事故的可能性及损失与伤害程度进行调查研究和分析论证，从而评价总体的安全性以及为制定基本预防和防护措施提供科学的依据[1]。风险评价按照定量的程度可以分为定性评价、半定量评价和定量评价，定量风险评价是风险评价的高级阶段。定量风险评价的一般过程见图1[2]。
 

2 城市燃气管道定量风险评价方法和模型
2.1 定义系统
   所谓定义系统就是要明确评价的对象。本文的风险评价对象是城市燃气管道，泛指燃气厂站(储配站、调压站等)之后，用户引入管之前的所有管道、管道附属设备及管道附件。
    由于不同的管道系统类型和不同的输送介质类型的风险评价模型有较大差别，因而在定义系统时，需要明确管道类型和输送介质。笔者为了最广泛地满足各类系统的需要，将系统按照管道设备类型和气源种类进行分类，分别进行了风险辨识，并建立了相适应的失效概率评价模型和后果评价模型。考虑到管道设备的材料、敷设方式和功能对其失效概率有很大影响，将管道系统分为埋地钢管、架设钢管、埋地铸铁管、架设铸铁管、埋地PE管、阀门和凝水缸7类，法兰、接头等附件作为这7类管道设备的附件不单独列出。本文所介绍的软件分别按照这7类管道设备建立各自相应的概率评价模型。考虑到输送介质对内腐蚀失效和后果有重大影响，将管道系统按输送介质分为天然气管道、人工煤气管道、液化石油气管道和液化石油气}昆空气管道4类，在概率评价和后果评价时对4种气源有相适应的处理。
2.2 危害识别
    危害识别又称风险辨识，即识别城市燃气管道系统可能带来的危害以及影响这些危害的因素，所有这些因素可称为风险因素。风险因素非常繁多，分类方法也多种多样，因而危害识别时必须找到一条主线(或在一种思路下)，找出主要风险因素即可，否则有可能识别的风险因素存在重复信息或找出许多次要因素，影响风险评价的可操作性。
    危害识别有许多方法，如安全检查表、危险性预分析、危险与可操作性研究、故障树、事件树[3]。考虑到故障树和事件树不仅能够对燃气管道的危害因素进行识别，还能进行定量的概率分析，本软件开发过程中采用了故障树和事件树相结合的方法[4]，即以燃气泄漏为顶事件分别建立7种管道设备类型的故障树模型以分析泄漏的各层次原因，再以燃气泄漏为初因事件建立事件树模型以导出泄漏的各种后果，从而全方面地辨识燃气管道失效的危害。
2.3 失效概率分析
    失效概率能够定量表达燃气管道失效的可能性趋势，精确评价管道失效概率是非常困难的，因而失效概率的评价结果应当保证相对准确性并不断向实践统计值逼近。失效概率评价也有许多方法，但无论采用什么方法都需要可靠的数据来源，主要有2类：历史失效记录数据和专家估计数据。由于目前国内收集的相关历史失效数据量较少，因此笔者采用专家估计法，聘请国内12位专家在层次分析法[5]的框架下进行评分和判断，并对这些数据进行整理和分析，得到故障树概率分析所需的数据来源[6]。这些数据是主观的，未必与实践统计值吻合得很好，因此在概率计算时，笔者将这些主观数据与客观统计值关联起来，使得大量管道失效概率的评价值的平均值总是与客观统计平均值相接近[6]，并建立了一个燃气管道失效与事故数据库[7]用来记录历史失效和事故数据。
2.4 失效危害事件的概率分析
    在不同的失效模式、不同的工艺条件和不同的环境下，管道失效所导致的危害是完全不同的，笔者采用事件树分析法导出了管道失效后泄漏燃气以及造成的危害事件组合。这些后果事件组合都是由着火、射流火、受限空间爆炸、开敞空间爆炸、中毒与窒息、资源损失等几类危害所造成的。危害事件组合的概率由事件树初因事件(即管道失效)的概率和后续事件概率共同计算，后续事件概率计算方法与管道失效概率相同。
2.5 失效危害事件的后果分析
    所谓后果分析就是定量评价管道失效所导致的危害事件组合的严重程度，本软件用货币化的直接经济损失表达这种严重程度。燃气管道失效导致的经济损失有4个方面：人员伤亡经济损失、财物损毁经济损失、漏气经济损失和系统恢复费用，这些经济损失都是由火灾、爆炸、中毒窒息及漏气所导致的。因而后果分析需要确定事件树分析得出的所有后果事件有关这4个方面的经济损失金额，也就需要确定每个后果事件的每种危害导致的人员伤亡半径、财物毁坏半径、燃气泄漏量[8]、修复费用以及人口密度、财产分布密度等数据，并统计出每个危害事件组合的直接经济损失总额，可参阅文献[5]。
2.6 风险估计和风险因素重要度分析
    将事件树中每个危害事件组合的概率和经济损失总额相乘(即求出经济损失数学期望)，再累加事件树中所有危害事件组合的经济损失数学期望，即得到该管道的风险值，其单位也是货币化经济损失额。风险因素重要度分析是指对系统风险的所有影响因素对风险贡献大小程度的分析。重要度分析的目的是找出风险的主要因素，从而确定燃气管网系统的薄弱环节，并可针对这些主要因素制定相对应的风险减缓措施。根据风险值的计算过程反向求解，确定各个风险因素对风险值的贡献程度，从而完成重要度分析。
2.7 风险可接受性评判
风险可接受性是指人们认识到某种实践活动的风险的存在并继续从事该项活动时，将这种风险作为获得有关利益和好处的代价而接受[9]。风险可接受性标准通常采用合理的尽可能低(As Low As Reasonably Practicable，英文缩写ALARP)[1、2]原则，图2为ALARP标准。确定风险可接受性准则时应充分考虑安全与成本之间的关系，风险可接受性准则制定得越严格，系统则越安全，但为此付出的成本也越高。在燃气企业风险管理中，通常将风险分为几个等级，风险等级按照风险可接受标准来划分，以代表风险是否能够被接受。在确定风险可接受性标准时，应充分结合燃气管网的运行状况，建议按照表1燃气管道风险等级划分标准划分风险等级。
 

表1 燃气管道风险等级划分标准
等级
可接受性
需要的措施
低
可忽略风险
无需增加措施
较低
可接受风险
日常巡线监视
中
可容忍风险
增大巡线频率，注意监控
较高
有条件的可容忍风险
增大巡线频率，必要时实施检查，严密监控
告
不能容忍风险
立即对管道进行检查，严密监控，尽快改造
很高
无法接受风险
立即检查、改造
2.8 风险减缓措施提示
    风险减缓是控制燃气管道风险的主要方式，风险减缓可以从减少失效和危害事件的概率以及减轻危害事件的后果两个方面入手。重要度分析能够找出主要的风险因素，软件将事先针对所有的风险因素制定出可采用的减缓措施储存在数据库中，在评价任意一条管道的风险之后，软件就能够根据找出的若干个主要风险因素显示出相应的对策，供维护人员参考。
3 城市燃气管道风险评价流程
    城市燃气定量风险评价软件的主要功能是提供定量的燃气管道风险评价过程和结果，为高风险管道识别出主要的风险因素，并提供相应减缓风险的参考措施。软件的风险评价流程见图3。
 

4 城市燃气管道定量风险评价软件的编制
① 开发工具
软件开发采用Microsoft开发的基于Windows的开发平台——Microsoft Visual Studio.NET 2003，开发语言采用非常成熟的标准C++语言(所有外部接口模块提供JAVA和C++接口)，软件界面采用Microsoft内部开发的ATL扩展WTL7.0。数据库采用Microsoft开发的SQL Server 2000，Microsoft SQL Server 2000是一个分布式的关系型数据库管理系统，具有客户机、服务器体系结构，采用了Transactsql的sql语言在客户机与服务器间传递客户机的请求与服务器的处理结果。
② 软件模块以及代码结构
软件有数据库模块、风险评价模块、管理模块3个业务模块，其中风险评价模块又由失效概率评价、危害事件概率评价、危害后果评价、风险评价4个子
    模块组成，这些子模块由若干个次子模块组成，例如危害事件概率评价子模块由泄漏模式判断、泄漏流量计算、扩散分析、立即点燃概率估算、聚集在受限空间概率估算、延迟点燃概率估算、产生冲击波概率估算、各后果事件概率计算等次子模块组成，见图3城市燃气管道风险评价流程。代码结构采用应用层与数据业务处理分开的模型结构，也就是说数据库读写的程序与应用层业务逻辑处理的程序相互独立，使得程序更具有可扩展性和可维护性。
③ 与管网GIS的集成
    在管网GIS的数据库中增加新的数据库表来满足风险评价软件的需要，增加的新数据库表以及GIS数据库中原有的数据库表一起作为风险评价计算的支撑数据库。支撑数据库包括：管道参数及环境参数数据、管道失效与事故数据、风险影响因素及其权重、具体情况及其分值数据、各种风险因素相对应的风险减缓措施等数据。
    将风险评价计算的结果相关的数据表字段(包括：腐蚀失效概率、第三方失效概率、其他原因失效概率、失效总概率、失效等级、风险值、风险等级、主要风险因素、风险减缓措施等)导入到GIS数据库的管道参数主表中，使得通过GIS支持的二次开发功能以图形或属性的方式输出风险评价的相关结果。
5 软件的主要功能
   ① 软件管理功能
   软件具有用户管理功能，能够新增、删除软件用户、修改用户密码，能为用户设置相应的权限；能够导出风险评价结果；能够对风险等级、失效概率等级进行设置；能够显示风险参数默认值的修改日志等。
   ② 管道设备数据管理功能
   能够查询、统计、添加、删除、编辑、保存管道设备记录；能够统计、查询管道设备的评价结果；能够批量录入、保存同类型管道设备的风险参数；提供与GIS集成的接口，能够从GIS中实时读取和写入管道数据。
   ③ 风险评价功能
   能够单独或批量计算各管道设备的以下参数：总失效概率、腐蚀失效概率、第三方破坏概率、其他失效概率(除腐蚀失效和第三方破坏以外)、泄漏流量、泄漏量、射流火危害半径、爆炸危害半径、中毒危害半径、闪火危害半径、人员伤亡经济损失、财产损毁经济损失、漏气经济损失、系统恢复经济损失、风险值(以期望经济损失表达)等。
    ④ 风险评判和风险减缓措施建议
    能够根据设置的风险等级判断管道的风险等级，并找出主要的风险因素，显示相对应的风险减缓措施。
    ⑤ 风险因素默认值修改
    能够根据实际应用情况，对参与计算过程的风险因素在各种具体状态下的默认分值、默认权值或默认取值进行修改，以不断修正风险评价的结果。
6 软件的主要特点
   ① 界面友好性和可操作性
   软件具有良好的人机交互界面，为了避免大量的管道及其属性参数的手工录入，软件采用了和GIS相同的分段策略，可直接从GIS读取已有的属性数据。对于GIS没有的参数则都设置了默认值(大部分管道都是取默认值的)，并提供下拉选单，操作人员可修改参数。为了减少改选和录入的工作量，软件提供了批量录入功能，即对于相同参数取相同值的同类管道设备，可以一次性选择后统一录入。
   ② 广泛的适用性
   软件分别为7类管道设备建立了失效模型，并考虑了4种气源在风险评价上的差异，涵盖了国内主要的管材、管道附属设备和主要的气源类型；失效分析和后果分析中几乎考虑了所有可能遇到的失效原因和后果及其组合的类型。因而软件具有广泛的适用性。
   ③ 可持续性和可移植性
   评价所使用的数据源(风险因素的分值、权值、取值以及实际平均失效概率统计值)均可以不断修正，因而可不断持续地改进风险评价结果的准确性。软件各模块之间保持高内聚、松耦合，并提供接口规范，当需要重新开发或者升级某模块时，第三方软件开发人员可以很容易地开发出新的功能模块或升级该模块。
7 结论
    风险评价是燃气管道风险管理和完整性管理的核心内容，是安全管理工作的有力支撑。笔者所开发的燃气管道定量风险评价软件符合国际通用的定量风险评价流程，软件开发前进行了较为完整的风险辨识，风险评价过程较为全面地考虑了各种对象(即适用于各种气源的管材、敷设方式和管道附属设备等)、各种失效原因、各种后果组合。软件功能完善且具有良好的可操作性、可持续性和可移植性。尽管软件的实际使用效果还有待长期实践检验，软件可能还需根据使用情况进行调整，但可以预计该软件不仅能够作为管网日常安全管理的工具，更能为安全管理工作带来有效和可靠的决策支持。
参考文献：
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[9] 郭仲伟.风险分析与决策[M].北京：机械工业出版社，1987.
 
(本文作者：黄小美1 彭世尼1 张才华2 王书淼3 杨俊杰3 1.重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045；2.成都卫士通信息产业股份有限公司 四川成都 610041；3.新奥(廊坊)燃气技术研究发展有限公司 河北廊坊 065001)