基于模糊Bow-tie的含硫化氢天然气管道泄漏风险的定量评价探讨

2019-08-01闫东东

安全、健康和环境 2019年6期

闫东东，李勇

(1.中国石化油田勘探开发事业部，北京 1007282.中国石化石油工程技术研究院，北京 100029)

0 前言

近年来，随着国家能源消费结构的调整，天然气在能源体系中的地位更加明确。未来一段时间内，国内天然气管道等基础设施仍将处于快速建设期[1]。现阶段，酸性气田开发不断深入，输气管道向大口径、高压力方向建设发展，国内管道建设工程技术不断取得突破。部分输送途径涉及复杂地形、输送介质含高浓度硫化氢，管材破坏及腐蚀、老化因素导致的泄漏，可能会造成人员急性中毒、燃烧爆炸等事故，带来严重后果。为进一步探索、丰富管道风险分析方法，本文以传统事故树、事件树结构性思维，提出了一种含硫化氢天然气管道的模糊Bow-tie定量分析方法。

1 Bow-tie模型

Bow-tie模型强调了风险分析的可视化，采取“事件-措施”对应的直观表达方式，分析事件原因及预防事件发生的控制方法，事件可能后果及减轻或降低后果影响的缓解措施[2]。

Bow-tie模型主要有两部分内容：①事故发展的逻辑链条，顶上事件作为多种危险源共同指向的中间事件，进一步发展导致事故发生；②安全屏障的设置，将屏障失效视为事件触发条件。Bow-tie分析中，将传统的顶上事件作为中间事件来分析，充分体现了基于风险的评价理念[3]。

1.1 事故树(FT)、事件树(ET)

事故树研究了引起事故发生的一些列直接或间接原因，根据先后次序和因果关系等建立逻辑关系，并以逻辑图的形式进行表达[4]。事件树是在给定一个初始事件的前提下，运用逻辑演绎的方法，按照事件发展的时间，设定影响初始事件的条件序列，分析初始事件在条件序列下的可能导致的事件结果[5]。

1.2 基于FT-ET的Bow-tie分析模型

传统的Bow-tie分析是基于直接因果关系图的单线程分析，仅关注初始、最终事件，未体现中间事件的逻辑关系，存在一定的信息缺失。因此考虑利用事故树、事件树的分析方法建立Bow-tie模型，既可以承接可量化性及与其他定量评估工具的可兼容性，又能充分融合了识别、评估、预防的风险管控过程，以及风险管控失效后转变为隐患的控制过程。

基于FT-ET结构的Bow-tie分析法是将失效作为屏障隐性地包含在事故树和事件树中[6]，可将事故树和事件树中的原因分为危险物质、能量的客观存在及控制失效，将失效作为屏障实现显性表达，如腐蚀导致的管道泄漏，腐蚀环境作为客观存在，而防腐层失效或阴极保护失效等作为失效显性表达在安全屏障中。

2 模糊逻辑

传统的专家评分法，虽然程序上较为简单，但存在一定的主观模糊性，为将主观模糊客观表达，可将基本事件视为模糊事件，模糊事件的发生概率为模糊概率，在事故树、事件树的逻辑下，进行模糊、聚合、去模糊化，得到最终事件的发生概率。

2.1 专家语言的模糊化

通过模糊分布，建立隶属度函数。本文选用三角模糊函数，其表达式如下：

(1)

a、b——三角模糊函数的左右分布参数。

通过专家评估，对三角模糊函数参数进行赋值。建立模糊专家评语集，按照严重程度，将事件分为5个等级。

表1 风险等级的三角模糊表达

2.2 事故树、事件树逻辑下的模糊推理[7]

与门模糊算子为：

(2)

或门模糊算子为：

(3)

由于事件树分析中，条件与初始事件是“与门”逻辑关系，即采用与门模糊算子计算。

2.3 模糊集的聚合

多专家评分是一个多维多重模糊逻辑系统，需要通过设置算子实现模糊结果的聚合。所选专家通常知识、经验无明显差距，加权平均算子能够充分利用信息，可用于聚合。

(4)

Wj——第j个专家的权重；

Pij——第j个专家对第i个基本事件设置的三角模糊数；

n，m——基本事件及专家数量。

2.4 去模糊化

将三角模糊数转化为概率值的过程即为去模糊化，即通过模糊集合的分解定理，取截集将模糊集切割为普通集，典型的方法有Shu-Jen Chen等[8]提出的模糊最大、最小集合法：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：sup——取上确界或最小上界；

求得三角模糊数A的模糊概率为：

(9)

而时间的概率包括真实概率与模糊概率，Onisawa T将两者统一转化为失效概率：

(10)

(11)

式中：Ffailure——失效概率；

Ffuzzy——模糊概率。

3 管道硫化氢泄漏风险分析

选择某气田某段含硫化氢集输管道进行分析，该管道为埋地管道，存在腐蚀环境，且管道穿越公路，有高压线横跨上方。

3.1 管道硫化氢泄漏的事故树分析

针对管道硫化氢泄漏的事故树分析，主要原因有：管道腐蚀、设备问题、安装问题和管道破坏。将泄漏形式分为由管道腐蚀、设备问题、安装问题导致的连续泄漏，以及由管道破坏导致的瞬时泄漏，分别建立事故树，见图1、图2。

图1 含硫化氢天然气管道连续泄漏事故树

图2 含硫化氢天然气管道瞬时泄漏事故树

以连续泄漏为例，管道腐蚀的环境因素主要为土壤环境，屏障失效原因可为防腐层失效或阴极保护失效。设备问题的客观原因可为设备本质安全因素，屏障失效原因可为安全附件或监测检测失效。安装问题的客观原因可为安装质量不足，屏障失效原因可为未按照标准施工。管道破坏主要分为自然破坏和第三方破坏两种形式，前者发生的客观原因可为自然因素，由于自然灾害的不确定性、难预测性，预警成功的概率较低，因此不设置屏障，视为自然灾害发生便导致管道破坏，通过泄漏监测、紧急关断等措施来控制泄漏事态发展，避免演化事故；后者将法律或道德因素作为客观原因，屏障失效原因可为监管失效。

3.2 管道硫化氢泄漏的事件树分析

含硫化氢管道泄漏后，可能造成燃烧、爆炸及人员中毒。其中，按照事件树的过程推演，将事故演化的过程分为监测关断、立即点燃、延迟点燃3个阶段，对应事故细化为爆燃、喷射火、蒸气云爆炸、人员中毒，具体可见图3、图4。分析发现，有效关断可阻断事故演化，而其余事故条件下均可能造成人员中毒，因此可将燃烧、爆炸与人员中毒分类分析，前者按照阶段，在关断失效后，可将屏障设置为第一时间避免火源接触，后期避免火源接触；后者则以人为设置对象，从疏散、个体防护的角度设置屏障。

图3 连续泄漏事件树

图4 瞬时泄漏事件树

3.3 Bow-tie模型建立

结合事故树、事件树分析，得出含硫化氢管道泄漏的Bow-tie模型，见图5、图6。

4 基于模糊概率的Bow-tie定量分析

4.1 计算三角模糊数

由专家对每个基本事件进行赋值，得到各基本事件及诱发事件的三角模糊数见表2、表3。

经过式(2)、(3)进行逻辑推演，得到顶上事件的模糊数为T=(0.73，0.86，0.97)。以顶上事件作为输入事件，根据计算得出的模糊数，按照事件树逻辑推演，求得泄漏造成的最终事件的模糊数。

4.2 计算最终事件的模糊概率

按照式(2)、(3)计算连续泄漏及瞬时泄漏下的最终事件模糊概率，去模糊化后，得出模糊失效概率，结果如表4、表5所示。

图5 连续泄漏事件树

图6 瞬时泄漏事件树

中间事件编号中间事件基本事件编号事件名称专家1专家2三角模糊数A1管道腐蚀X1土壤自然因素79(0.6,0.7,0.8)X2防腐层选择不当33(0.1,0.2,0.3)X3涂层剥离23(0.05,0.15,0.25)X4涂层老化86(0.5,0.6,0.7)X5涂层变薄86(0.5,0.6,0.7)X6涂层起泡23(0.05,0.15,0.25)X7存在杂散电流75(0.4,0.5,0.6)X8保护距离小43(0.15,0.25,0.35)X9保护电位小57(0.4,0.5,0.6)X10保护方法不当45(0.25,0.35,0.45)X11保护材料失效55(0.3,0.4,0.5)A2设备问题X12设备选型不当34(0.15,0.25,0.35)X13设备老化57(0.4,0.5,0.6)X14监测失效45(0.25,0.35,0.45)X15检维修不及时64(0.3,0.4,0.5)X16安全附件失效65(0.35,0.45,0.55)A3安装问题X17未按标准安装24(0.1,0.2,0.3)X18焊接存在问题55(0.3,0.4,0.5)X19埋深不足32(0.05,0.15,0.25)X20穿跨越不合规54(0.25,0.35,0.45)X21密封存在问题35(0.2,0.3,0.4)A4管道破坏X22自然灾害99(0.7,0.8,0.9)X23法律因素42(0.1,0.2,0.3)X24报警系统失效53(0.2,0.3,0.4)X25巡检力度不足44(0.2,0.3,0.4)X26法律因素64(0.3,0.4,0.5)X27报警系统失效45(0.25,0.35,0.45)X28道德因素43(0.15,0.25,0.35)

表3 连续泄漏条件下诱发事件模糊概率

表4 连续泄漏条件下最终事件模糊概率

可见该段管道在连续泄漏时，发生蒸气云爆炸的可能性较大，是因为埋地管道泄漏后，可燃气体随土壤空隙向上运移，与空气充分混合形成气团；在瞬时泄漏时，气体大量泄漏，未与空气充分混合，遇点火源则会发生燃烧，同时硫化氢气体量较连续泄漏大，发生人员中毒的可能性加大。

表5 瞬时泄漏条件下最终事件模糊概率

4.3 中国石化安全风险矩阵评估

连续泄漏与瞬时泄漏为独立事件，得出该管段发生泄漏的模糊失效概率为3.07×10-2，发生存在燃烧隐患及发生燃烧、蒸气云爆炸、人员中毒窒息事故的模糊失效概率分别为8.54×10-4、3.13×10-4、2.56×10-5、3.28×10-5。

根据中国石化安全风险矩阵[8]，对含硫管道泄漏引起的火灾、爆炸和人员中毒事件进行分析。管道发生泄漏事件的可能性应选为5，对应概率为10-3～10-2；而由于管道泄漏导致的爆炸、硫化氢中毒事故发生的可能性应选3或4，对应概率为10-5～10-4或10-4～10-3，基于Bow-tie的模糊分析得出的失效概率位于此概率区间，故符合实际情况。