燃氣管道定量風(fēng)險評價及其軟件研制

摘 要

摘要：論述了燃氣管道定量風(fēng)險評價的主要步驟及其方法，包括危害識別、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、風(fēng)險估計、風(fēng)險因素重要度分析風(fēng)險可接受性評判
摘要：論述了燃氣管道定量風(fēng)險評價的主要步驟及其方法，包括危害識別、管道失效概率分析、危害事件概率分析、危害事件后果分析、風(fēng)險估計、風(fēng)險因素重要度分析風(fēng)險可接受性評判、風(fēng)險減緩措施提示。給出了燃氣管道定量風(fēng)險評價流程，采用C++高級編程語言和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫編制了燃氣管道定量風(fēng)險評價軟件。該軟件能夠基于燃氣管網(wǎng)GIS運行，能夠評價燃氣管道失效概率、失效后果和風(fēng)險值，能識別主要風(fēng)險因素并給出風(fēng)險減緩措施建議。
關(guān)鍵詞：燃氣管道；定量風(fēng)險評價；軟件編制
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
    近年來我國城市燃氣業(yè)發(fā)展非常迅速，這一方面給更多城市提供優(yōu)質(zhì)能源，另一方面也帶來許多安全問題。最近幾年，有關(guān)燃氣泄漏爆炸的事故屢見報道，燃氣事故不僅給供氣企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，也給城市公眾造成恐慌，給城市形象帶來負面影響。從20世紀70年代起，風(fēng)險管理的概念在企業(yè)安全管理中開始流行，并慢慢被油氣長輸企業(yè)所接受和采用。近年來，國內(nèi)部分大型燃氣企業(yè)也開始著手建立風(fēng)險管理或完整性管理體系，以改善嚴峻的安全管理形勢、降低總成本，風(fēng)險評價技術(shù)正是這些管理體系的核心內(nèi)容。在這種背景下，重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院和新奧(廊坊)燃氣技術(shù)研究發(fā)展有限公司合作研制了城市燃氣管道定量風(fēng)險評價系統(tǒng)軟件，本文介紹該軟件的原理、功能和特點。
1 風(fēng)險管理和風(fēng)險評價技術(shù)簡介
    風(fēng)險管理是指企業(yè)通過風(fēng)險辨識、風(fēng)險評價確定系統(tǒng)的風(fēng)險因素及程度，并研究風(fēng)險對策，通過采用多種管理方法、技術(shù)手段對生產(chǎn)涉及的風(fēng)險進行有效控制。采取主動行動，創(chuàng)造條件，妥善處理風(fēng)險事故造成的不利后果，并對風(fēng)險控制措施進行監(jiān)控和信息反饋，以使風(fēng)險控制在較低的可接受水平和使工業(yè)生產(chǎn)的總成本控制在較低水平[1]。風(fēng)險管理技術(shù)的核心內(nèi)容是風(fēng)險評價。
    風(fēng)險評價是以系統(tǒng)安全為目的，按照科學(xué)的程序和方法，對系統(tǒng)中的危險因素、發(fā)生事故的可能性及損失與傷害程度進行調(diào)查研究和分析論證，從而評價總體的安全性以及為制定基本預(yù)防和防護措施提供科學(xué)的依據(jù)[1]。風(fēng)險評價按照定量的程度可以分為定性評價、半定量評價和定量評價，定量風(fēng)險評價是風(fēng)險評價的高級階段。定量風(fēng)險評價的一般過程見圖1[2]。
 

2 城市燃氣管道定量風(fēng)險評價方法和模型
2.1 定義系統(tǒng)
   所謂定義系統(tǒng)就是要明確評價的對象。本文的風(fēng)險評價對象是城市燃氣管道，泛指燃氣廠站(儲配站、調(diào)壓站等)之后，用戶引入管之前的所有管道、管道附屬設(shè)備及管道附件。
    由于不同的管道系統(tǒng)類型和不同的輸送介質(zhì)類型的風(fēng)險評價模型有較大差別，因而在定義系統(tǒng)時，需要明確管道類型和輸送介質(zhì)。筆者為了最廣泛地滿足各類系統(tǒng)的需要，將系統(tǒng)按照管道設(shè)備類型和氣源種類進行分類，分別進行了風(fēng)險辨識，并建立了相適應(yīng)的失效概率評價模型和后果評價模型。考慮到管道設(shè)備的材料、敷設(shè)方式和功能對其失效概率有很大影響，將管道系統(tǒng)分為埋地鋼管、架設(shè)鋼管、埋地鑄鐵管、架設(shè)鑄鐵管、埋地PE管、閥門和凝水缸7類，法蘭、接頭等附件作為這7類管道設(shè)備的附件不單獨列出。本文所介紹的軟件分別按照這7類管道設(shè)備建立各自相應(yīng)的概率評價模型?？紤]到輸送介質(zhì)對內(nèi)腐蝕失效和后果有重大影響，將管道系統(tǒng)按輸送介質(zhì)分為天然氣管道、人工煤氣管道、液化石油氣管道和液化石油氣}昆空氣管道4類，在概率評價和后果評價時對4種氣源有相適應(yīng)的處理。
2.2 危害識別
    危害識別又稱風(fēng)險辨識，即識別城市燃氣管道系統(tǒng)可能帶來的危害以及影響這些危害的因素，所有這些因素可稱為風(fēng)險因素。風(fēng)險因素非常繁多，分類方法也多種多樣，因而危害識別時必須找到一條主線(或在一種思路下)，找出主要風(fēng)險因素即可，否則有可能識別的風(fēng)險因素存在重復(fù)信息或找出許多次要因素，影響風(fēng)險評價的可操作性。
    危害識別有許多方法，如安全檢查表、危險性預(yù)分析、危險與可操作性研究、故障樹、事件樹[3]?？紤]到故障樹和事件樹不僅能夠?qū)θ細夤艿赖奈：σ蛩剡M行識別，還能進行定量的概率分析，本軟件開發(fā)過程中采用了故障樹和事件樹相結(jié)合的方法[4]，即以燃氣泄漏為頂事件分別建立7種管道設(shè)備類型的故障樹模型以分析泄漏的各層次原因，再以燃氣泄漏為初因事件建立事件樹模型以導(dǎo)出泄漏的各種后果，從而全方面地辨識燃氣管道失效的危害。
2.3 失效概率分析
    失效概率能夠定量表達燃氣管道失效的可能性趨勢，精確評價管道失效概率是非常困難的，因而失效概率的評價結(jié)果應(yīng)當(dāng)保證相對準(zhǔn)確性并不斷向?qū)嵺`統(tǒng)計值逼近。失效概率評價也有許多方法，但無論采用什么方法都需要可靠的數(shù)據(jù)來源，主要有2類：歷史失效記錄數(shù)據(jù)和專家估計數(shù)據(jù)。由于目前國內(nèi)收集的相關(guān)歷史失效數(shù)據(jù)量較少，因此筆者采用專家估計法，聘請國內(nèi)12位專家在層次分析法[5]的框架下進行評分和判斷，并對這些數(shù)據(jù)進行整理和分析，得到故障樹概率分析所需的數(shù)據(jù)來源[6]。這些數(shù)據(jù)是主觀的，未必與實踐統(tǒng)計值吻合得很好，因此在概率計算時，筆者將這些主觀數(shù)據(jù)與客觀統(tǒng)計值關(guān)聯(lián)起來，使得大量管道失效概率的評價值的平均值總是與客觀統(tǒng)計平均值相接近[6]，并建立了一個燃氣管道失效與事故數(shù)據(jù)庫[7]用來記錄歷史失效和事故數(shù)據(jù)。
2.4 失效危害事件的概率分析
    在不同的失效模式、不同的工藝條件和不同的環(huán)境下，管道失效所導(dǎo)致的危害是完全不同的，筆者采用事件樹分析法導(dǎo)出了管道失效后泄漏燃氣以及造成的危害事件組合。這些后果事件組合都是由著火、射流火、受限空間爆炸、開敞空間爆炸、中毒與窒息、資源損失等幾類危害所造成的。危害事件組合的概率由事件樹初因事件(即管道失效)的概率和后續(xù)事件概率共同計算，后續(xù)事件概率計算方法與管道失效概率相同。
2.5 失效危害事件的后果分析
    所謂后果分析就是定量評價管道失效所導(dǎo)致的危害事件組合的嚴重程度，本軟件用貨幣化的直接經(jīng)濟損失表達這種嚴重程度。燃氣管道失效導(dǎo)致的經(jīng)濟損失有4個方面：人員傷亡經(jīng)濟損失、財物損毀經(jīng)濟損失、漏氣經(jīng)濟損失和系統(tǒng)恢復(fù)費用，這些經(jīng)濟損失都是由火災(zāi)、爆炸、中毒窒息及漏氣所導(dǎo)致的。因而后果分析需要確定事件樹分析得出的所有后果事件有關(guān)這4個方面的經(jīng)濟損失金額，也就需要確定每個后果事件的每種危害導(dǎo)致的人員傷亡半徑、財物毀壞半徑、燃氣泄漏量[8]、修復(fù)費用以及人口密度、財產(chǎn)分布密度等數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計出每個危害事件組合的直接經(jīng)濟損失總額，可參閱文獻[5]。
2.6 風(fēng)險估計和風(fēng)險因素重要度分析
    將事件樹中每個危害事件組合的概率和經(jīng)濟損失總額相乘(即求出經(jīng)濟損失數(shù)學(xué)期望)，再累加事件樹中所有危害事件組合的經(jīng)濟損失數(shù)學(xué)期望，即得到該管道的風(fēng)險值，其單位也是貨幣化經(jīng)濟損失額。風(fēng)險因素重要度分析是指對系統(tǒng)風(fēng)險的所有影響因素對風(fēng)險貢獻大小程度的分析。重要度分析的目的是找出風(fēng)險的主要因素，從而確定燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并可針對這些主要因素制定相對應(yīng)的風(fēng)險減緩措施。根據(jù)風(fēng)險值的計算過程反向求解，確定各個風(fēng)險因素對風(fēng)險值的貢獻程度，從而完成重要度分析。
2.7 風(fēng)險可接受性評判
風(fēng)險可接受性是指人們認識到某種實踐活動的風(fēng)險的存在并繼續(xù)從事該項活動時，將這種風(fēng)險作為獲得有關(guān)利益和好處的代價而接受[9]。風(fēng)險可接受性標(biāo)準(zhǔn)通常采用合理的盡可能低(As Low As Reasonably Practicable，英文縮寫ALARP)[1、2]原則，圖2為ALARP標(biāo)準(zhǔn)。確定風(fēng)險可接受性準(zhǔn)則時應(yīng)充分考慮安全與成本之間的關(guān)系，風(fēng)險可接受性準(zhǔn)則制定得越嚴格，系統(tǒng)則越安全，但為此付出的成本也越高。在燃氣企業(yè)風(fēng)險管理中，通常將風(fēng)險分為幾個等級，風(fēng)險等級按照風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)來劃分，以代表風(fēng)險是否能夠被接受。在確定風(fēng)險可接受性標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)充分結(jié)合燃氣管網(wǎng)的運行狀況，建議按照表1燃氣管道風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分風(fēng)險等級。
 

表1 燃氣管道風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
等級
可接受性
需要的措施
低
可忽略風(fēng)險
無需增加措施
較低
可接受風(fēng)險
日常巡線監(jiān)視
中
可容忍風(fēng)險
增大巡線頻率，注意監(jiān)控
較高
有條件的可容忍風(fēng)險
增大巡線頻率，必要時實施檢查，嚴密監(jiān)控
告
不能容忍風(fēng)險
立即對管道進行檢查，嚴密監(jiān)控，盡快改造
很高
無法接受風(fēng)險
立即檢查、改造
2.8 風(fēng)險減緩措施提示
    風(fēng)險減緩是控制燃氣管道風(fēng)險的主要方式，風(fēng)險減緩可以從減少失效和危害事件的概率以及減輕危害事件的后果兩個方面入手。重要度分析能夠找出主要的風(fēng)險因素，軟件將事先針對所有的風(fēng)險因素制定出可采用的減緩措施儲存在數(shù)據(jù)庫中，在評價任意一條管道的風(fēng)險之后，軟件就能夠根據(jù)找出的若干個主要風(fēng)險因素顯示出相應(yīng)的對策，供維護人員參考。
3 城市燃氣管道風(fēng)險評價流程
    城市燃氣定量風(fēng)險評價軟件的主要功能是提供定量的燃氣管道風(fēng)險評價過程和結(jié)果，為高風(fēng)險管道識別出主要的風(fēng)險因素，并提供相應(yīng)減緩風(fēng)險的參考措施。軟件的風(fēng)險評價流程見圖3。
 

4 城市燃氣管道定量風(fēng)險評價軟件的編制
① 開發(fā)工具
軟件開發(fā)采用Microsoft開發(fā)的基于Windows的開發(fā)平臺——Microsoft Visual Studio.NET 2003，開發(fā)語言采用非常成熟的標(biāo)準(zhǔn)C++語言(所有外部接口模塊提供JAVA和C++接口)，軟件界面采用Microsoft內(nèi)部開發(fā)的ATL擴展WTL7.0。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft開發(fā)的SQL Server 2000，Microsoft SQL Server 2000是一個分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有客戶機、服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，采用了Transactsql的sql語言在客戶機與服務(wù)器間傳遞客戶機的請求與服務(wù)器的處理結(jié)果。
② 軟件模塊以及代碼結(jié)構(gòu)
軟件有數(shù)據(jù)庫模塊、風(fēng)險評價模塊、管理模塊3個業(yè)務(wù)模塊，其中風(fēng)險評價模塊又由失效概率評價、危害事件概率評價、危害后果評價、風(fēng)險評價4個子
    模塊組成，這些子模塊由若干個次子模塊組成，例如危害事件概率評價子模塊由泄漏模式判斷、泄漏流量計算、擴散分析、立即點燃概率估算、聚集在受限空間概率估算、延遲點燃概率估算、產(chǎn)生沖擊波概率估算、各后果事件概率計算等次子模塊組成，見圖3城市燃氣管道風(fēng)險評價流程。代碼結(jié)構(gòu)采用應(yīng)用層與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理分開的模型結(jié)構(gòu)，也就是說數(shù)據(jù)庫讀寫的程序與應(yīng)用層業(yè)務(wù)邏輯處理的程序相互獨立，使得程序更具有可擴展性和可維護性。
③ 與管網(wǎng)GIS的集成
    在管網(wǎng)GIS的數(shù)據(jù)庫中增加新的數(shù)據(jù)庫表來滿足風(fēng)險評價軟件的需要，增加的新數(shù)據(jù)庫表以及GIS數(shù)據(jù)庫中原有的數(shù)據(jù)庫表一起作為風(fēng)險評價計算的支撐數(shù)據(jù)庫。支撐數(shù)據(jù)庫包括：管道參數(shù)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、管道失效與事故數(shù)據(jù)、風(fēng)險影響因素及其權(quán)重、具體情況及其分值數(shù)據(jù)、各種風(fēng)險因素相對應(yīng)的風(fēng)險減緩措施等數(shù)據(jù)。
    將風(fēng)險評價計算的結(jié)果相關(guān)的數(shù)據(jù)表字段(包括：腐蝕失效概率、第三方失效概率、其他原因失效概率、失效總概率、失效等級、風(fēng)險值、風(fēng)險等級、主要風(fēng)險因素、風(fēng)險減緩措施等)導(dǎo)入到GIS數(shù)據(jù)庫的管道參數(shù)主表中，使得通過GIS支持的二次開發(fā)功能以圖形或?qū)傩缘姆绞捷敵鲲L(fēng)險評價的相關(guān)結(jié)果。
5 軟件的主要功能
   ① 軟件管理功能
   軟件具有用戶管理功能，能夠新增、刪除軟件用戶、修改用戶密碼，能為用戶設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限；能夠?qū)С鲲L(fēng)險評價結(jié)果；能夠?qū)︼L(fēng)險等級、失效概率等級進行設(shè)置；能夠顯示風(fēng)險參數(shù)默認值的修改日志等。
   ② 管道設(shè)備數(shù)據(jù)管理功能
   能夠查詢、統(tǒng)計、添加、刪除、編輯、保存管道設(shè)備記錄；能夠統(tǒng)計、查詢管道設(shè)備的評價結(jié)果；能夠批量錄入、保存同類型管道設(shè)備的風(fēng)險參數(shù)；提供與GIS集成的接口，能夠從GIS中實時讀取和寫入管道數(shù)據(jù)。
   ③ 風(fēng)險評價功能
   能夠單獨或批量計算各管道設(shè)備的以下參數(shù)：總失效概率、腐蝕失效概率、第三方破壞概率、其他失效概率(除腐蝕失效和第三方破壞以外)、泄漏流量、泄漏量、射流火危害半徑、爆炸危害半徑、中毒危害半徑、閃火危害半徑、人員傷亡經(jīng)濟損失、財產(chǎn)損毀經(jīng)濟損失、漏氣經(jīng)濟損失、系統(tǒng)恢復(fù)經(jīng)濟損失、風(fēng)險值(以期望經(jīng)濟損失表達)等。
    ④ 風(fēng)險評判和風(fēng)險減緩措施建議
    能夠根據(jù)設(shè)置的風(fēng)險等級判斷管道的風(fēng)險等級，并找出主要的風(fēng)險因素，顯示相對應(yīng)的風(fēng)險減緩措施。
    ⑤ 風(fēng)險因素默認值修改
    能夠根據(jù)實際應(yīng)用情況，對參與計算過程的風(fēng)險因素在各種具體狀態(tài)下的默認分值、默認權(quán)值或默認取值進行修改，以不斷修正風(fēng)險評價的結(jié)果。
6 軟件的主要特點
   ① 界面友好性和可操作性
   軟件具有良好的人機交互界面，為了避免大量的管道及其屬性參數(shù)的手工錄入，軟件采用了和GIS相同的分段策略，可直接從GIS讀取已有的屬性數(shù)據(jù)。對于GIS沒有的參數(shù)則都設(shè)置了默認值(大部分管道都是取默認值的)，并提供下拉選單，操作人員可修改參數(shù)。為了減少改選和錄入的工作量，軟件提供了批量錄入功能，即對于相同參數(shù)取相同值的同類管道設(shè)備，可以一次性選擇后統(tǒng)一錄入。
   ② 廣泛的適用性
   軟件分別為7類管道設(shè)備建立了失效模型，并考慮了4種氣源在風(fēng)險評價上的差異，涵蓋了國內(nèi)主要的管材、管道附屬設(shè)備和主要的氣源類型；失效分析和后果分析中幾乎考慮了所有可能遇到的失效原因和后果及其組合的類型。因而軟件具有廣泛的適用性。
   ③ 可持續(xù)性和可移植性
   評價所使用的數(shù)據(jù)源(風(fēng)險因素的分值、權(quán)值、取值以及實際平均失效概率統(tǒng)計值)均可以不斷修正，因而可不斷持續(xù)地改進風(fēng)險評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。軟件各模塊之間保持高內(nèi)聚、松耦合，并提供接口規(guī)范，當(dāng)需要重新開發(fā)或者升級某模塊時，第三方軟件開發(fā)人員可以很容易地開發(fā)出新的功能模塊或升級該模塊。
7 結(jié)論
    風(fēng)險評價是燃氣管道風(fēng)險管理和完整性管理的核心內(nèi)容，是安全管理工作的有力支撐。筆者所開發(fā)的燃氣管道定量風(fēng)險評價軟件符合國際通用的定量風(fēng)險評價流程，軟件開發(fā)前進行了較為完整的風(fēng)險辨識，風(fēng)險評價過程較為全面地考慮了各種對象(即適用于各種氣源的管材、敷設(shè)方式和管道附屬設(shè)備等)、各種失效原因、各種后果組合。軟件功能完善且具有良好的可操作性、可持續(xù)性和可移植性。盡管軟件的實際使用效果還有待長期實踐檢驗，軟件可能還需根據(jù)使用情況進行調(diào)整，但可以預(yù)計該軟件不僅能夠作為管網(wǎng)日常安全管理的工具，更能為安全管理工作帶來有效和可靠的決策支持。
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(本文作者：黃小美1 彭世尼1 張才華2 王書淼3 楊俊杰3 1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；2.成都衛(wèi)士通信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司 四川成都 610041；3.新奧(廊坊)燃氣技術(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001)