基于改进风险矩阵法的配气站地震事件序列分析*

孟博杰，伍 颖，陈良若

(1.西南石油大学 土木工程与测绘学院，四川 成都 610500； 2.广元市天然气有限责任公司，四川 广元 628017)

0 引言

生命线工程指对社会生活、生产有重大影响的交通、通信、给排水、供电、供气、输油等工程系统。天然气配气站是燃气供应系统和输气管道系统重要组成部分，承担调度、调压、储存、分配等重要任务[1-3]。

地震灾害对生命线工程威胁较大[4]。以往发生多起地震灾害引发生命线工程安全功能丧失的案例：1994年1月17日美国洛杉矶发生里氏6.6级地震，导致燃气系统泄漏，燃气系统漏气点高达15×104处，同时引发数起火灾[5]；1995年1月17日，日本阪神地区发生里氏7.3级地震，导致煤气管道破裂，造成煤气泄漏，起火点459处，燃烧面积达数万平方米，造成大量人员伤亡[6]；2008年5月12日四川汶川发生里氏8.0级地震，都江堰市燃气管道损坏严重，地下管道破裂达10余处，需重建地下管道长达50 km，全市燃气输配系统经济损失约6 700万元[7]。因地震引发燃气输送系统损坏，导致燃气泄漏等事故，给人们的生命安全带来严重威胁。

某天然气公司下辖天然气配气站31座，位于四川盆地北部，地处龙门山地震带与长江中游地震带交界，是“5·12”汶川大地震重点灾区。为了对天然气配气站进行抗震安全评估，本文以某天然气配气站为研究对象，分析并构建事故序列模型，研究系统失效原因及失效概率，评估事件发生后果，为配气站抗震措施实施提供理论依据。

1 理论基础

1.1 序关系分析法

序关系分析法是经层次分析法改进形成的1种新的赋值方法，计算量显著减少，省略判断矩阵构建与一致性检查等步骤，可操作性强。对事件可接受程度进行计算和量化，并引入序关系法计算相关权重[8]。权重计算包括以下3个步骤：

1)确定指标间的序关系

根据各评价指标重要程度进行排序：若指标Xi比指标Xj重要，则Xi>Xj；结合专家评定建议，确定各指标重要性排序。

2)相邻指标间相对重要程度判断准则：由专家为评价指标Xk和Xk-1相对重要程度之比赋值，如式(1)所示：

(1)

表1 rk赋值参考表Table 1 Assignment reference of rk

3)指标权重ωk计算

专家为rk赋值，则权重ωk如式(2)～(3)所示：

(2)

ωk-1=rk·ωk(k=n，n-1,…,2)

(3)

式中：ri为评价指标重要程度之比，i取k～n。

1.2 改进的风险矩阵

美国石油协会(American Petroleum Institute，API)基于工程实践，提出风险等级划分方法，风险等级划分矩阵如图1所示[9]。由图1可知，矩阵中列表示失效后果，分为5个等级，等级AC1表示失效后果最小，等级AC5表示失效后果最大；风险矩阵行表示失效可能性，分为5个等级，等级AE1表示失效可能性最低，等级AE5表示失效可能性最高。

图1 风险等级划分矩阵Fig.1 Risk classification matrix based on API 581 standard

传统风险矩阵通俗易懂、操作简单、效果明显，但存在风险关联缺陷，原因是风险矩阵边界定义较尖锐[10-11]，在特定情况，不同风险可能具有相同风险等级。

改进的事件序列风险定义如式(4)所示：

A=a·X+b·Y

(4)

式中：A表示事件序列风险，A值越大，事件风险越大，越不容易被管理者接受；X表示事件导向风险；Y表示后果导向风险；a，b分别表示2种风险权重系数。

为消除传统矩阵风险关联缺陷，本文采用改进后的风险矩阵，如图2所示。

图2 改进后风险矩阵Fig.2 Improved risk matrix

图2(a)为风险定义表达式对应数学模型，随A取值不同，形成不同风险等级边界，能够有效缓解边界尖锐影响，消除风险关联缺陷；图2(b)为改进后风险矩阵评价模型，可通过式(4)中(X，Y)确定风险等级。

2 地震事件序列

2.1 基于事件树理论的地震事件序列建模

在核电厂地震风险评估过程中，建立事件序列数学模型，确定地震发生后，能够为核电厂抗震提供安全保障的系统及部件，了解系统及部件工作原理，并通过合理方法将系统和部件信息进一步呈现，为后续工作开展提供必要信息输入[12]。借鉴以上核电领域的思路，可将该方法引入天然气配气站抗震研究，并通过事件树方法构建配气站地震事件序列模型。

事件树(Event Tree Analysis,ETA)是事件序列的图形化表示，以始发事件为起点，按照事件发展进程分阶段、分步骤分析，最终推导出结果事件，事件树模型如图3所示。功能事件可能是某系统执行功能，也可能是上一后续事件造成的结果，结果仅包含2种状态：成功或失败，发生或不发生。

图3 事件树模型Fig.3 Schematic diagram of the event tree model

始发事件指事故未发生时，其发展过程中可能导致严重后果的危险事件，包括机器故障、设备损坏、人为操作失误等。本文主要研究管道或设备泄漏和因设备失效导致的非正常输气。

题头事件指始发事件发生时，由特定一线系统和保障系统共同维持系统安全运行的事件，对事故有缓解作用。有时功能事件可直接表示为完成上述安全功能的一线系统。

序列由1个始发事件、几个功能事件及连接两部分事件的分支共同组成。每个序列代表1种事件演化进程，简单序列可以根据后果事件数量判断序列数量，后果事件数量等于序列数量。

后果事件指序列最终状态[13]。

2.2 事件序列风险量化

风险定义由事件序列模型得出，当考虑事件导向风险和后果导向风险时，如式(5)所示：

A=α·AE+β·AC

(5)

式中：AE表示事件导向风险；AC表示后果导向风险；由序关系法计算得到α=0.4，β=0.6。

事件导向风险指，若事件树中题头事件表示某系统是否正常执行功能，事件发生为0，事件不发生为1；若题头事件为不期望事件(如立即点燃)，则事件发生记为1，不发生记为0。不同事件树中，题头事件所占权重不同，需要单独计算。若A题头事件的发生导致B、C、D题头事件的发生与否，不影响最终后果，则B、C、D题头事件“是否发生”值取1，所得风险偏大，最终结论更为安全。事件导向风险为各事件是否发生的加权数，如式(6)所示：

AE=100·∑γi·Pi

(6)

式中：γi表示题头事件所占权重，由序关系法计算得到;Pi表示题头事件是否发生的值，发生为1，不发生为0。为便于工程应用，乘系数100，使最终结果总分为100分。

事件后果风险评分为事件后果评价和措施是否有效评价2种。针对后果导向风险，如式(7)所示：

AC=η·Cj+λ·∑μj·Mj

(7)

式中：Cj表示事件后果严重程度；Mj表示事件措施是否有效程度；μj表示不同措施所占权重；η，λ分别为事件后果严重程度和措施是否有效程度所占权重，由序关系法计算得到，η=0.4，λ=0.6。

3 案例研究

3.1 配气站概况

某天然气公司配气站进站压力1.1～2.1 MPa，出站压力0.32 MPa，主要为城区用户供气，日供气量约0.6万m3，站内设备齐全，工艺流程如图4所示。对该地区地震危险性分析发现，该配气站处于龙门山地震带北东段-茶坝-林庵寺断裂附近，为全新世活动断裂，潜在地震能力等级为6.0级。

图4 某配气站工艺流程Fig.4 Flowchart of instrument in a gas distribution station

定义配气站安全功能，为事故始发事件分组提供初步依据，为定义完整的系统响应集合和各始发事件相互关系提供理论依据[14]。地震事件序列建模过程中，安全功能指安全稳定供气，配气站安全功能及目的见表2。

表2 配气站安全功能及目的Table 2 Safety functions and corresponding purposes of gas distribution station

3.2 地震事件序列模型建立

从“站场泄漏”和“设备失效”2方面进行地震事件序列建模。本文以“站场泄漏”作为始发事件，相关保障系统作为功能事件主体，基于“立即点燃”与“延迟点燃”，利用事件树向右逻辑，推理气体泄漏后可能引发的危害事故。若事件树中有n个功能事件，将产生2n个事件序列，但鉴于事件间逻辑关系，仅保留部分有实际意义的序列，以简化分析过程[15]。

配气站发生泄漏时，站内保障系统执行相关功能，确保及时找到泄漏点，切断管道阀门，使泄漏气体安全扩散，但受地震影响，保障系统执行功能过程中，可能出现失效或故障。因此，建立配气站站场泄漏事件树模型，如图5所示。由图5可知，站场泄漏事件引发22个后果事件，产生32条事故序列，并伴随火灾、爆炸或天然气大量泄漏等危险事故；同时，站内供电系统、通信系统受地震影响发生断电事故，导致无法及时与上级有关部门或消防单位取得联系，最终导致事故进一步恶化。泄漏事件树后果见表3。

表3 配气站泄漏事件树后果描述Table 3 Incidental description for leakage event tree of gas distribution station

图5 站场泄漏事件树模型Fig.5 Leakage event tree of a gas distribution station

模型不考虑不同泄漏扩散模式和由此造成的火灾和爆炸机理；在后果事件中，不考虑喷射火、闪火、池火灾等不同的火灾爆炸事故。

3.3 风险量化分析

由式(5)～(7)可知，配气站地震事件序列风险由事件导向风险和后果导向风险共同决定。事件导向风险由题头事件决定，通过对每个题头事件权重赋值，结合专家调研所得事件相对重要度，采用序关系法得到配气站题头事件权重和泄漏事件树事件措施是否有效权重，见表4和表6。基于权重，计算得到事件序列风险量化结果，见表5。

表4 配气站泄漏事件树题头事件权重Table 4 Weight of event of leakage event in distribution station

表5 配气站泄漏事件树事件序列风险量化结果Table 5 Risk quantification results of event sequence in leakage event tree of gas distribution station

表6 配气站泄漏事件树事件措施是否有效权重Table 6 Weight of Effective Measures of Leakage Event Tree in Gas Distribution Station

式(5)中A值为风险界定值，根据英国焊接学会(The Welding Institute，TWI)提出的不同风险占比，结合某燃气公司专家讨论结果得出低风险∶较低风险∶中等风险∶较高风险∶高风险=3∶3∶7∶8∶4。由此计算站场泄漏事件可接受程度分级分界值：低可接受与较低可接受度分界点为23.64；较低可接受度与中等可接受度分界点为38.07；中等可接受度与较高可接受度分界点为64.06；较高可接受度与高可接受度分界点为78.49。最终风险矩阵如图6所示。

图6 配气站地震事件序列风险矩阵Fig.6 Risk matrix of seismic event sequence in gas distribution station

表3(续)

4 结论

1)基于某配气站建立事件树模型，分析配气站在地震影响下发生泄漏后事件发展情况，为地震概率安全评价奠定基础。

2)在地震失效数据不详实的情况下，结合序关系法，提出配气站地震事件序列风险计算方法。以某配气站为例计算事件风险值；其中，C5,C6事件风险相对较低，分别为18.75和15.24。

3)通过引入权重系数α和β，改进传统风险矩阵，提出由事件导向和后果导向共同决定的配气站地震事件序列风险矩阵模型，能有效降低尖锐边界条件影响，便于实际工程应用。