城市综合管廊内燃气泄漏及应急预案模糊故障树分析

（江苏城乡建设职业学院 公用事业学院，江苏 常州 213147）

随着我国城镇化的大力推进，城市基础设施的供应压力日益增大，地下管线不断改建增容，造成许多城市出现“拉链路”。城市地下综合管廊就是一个将多种管线集中敷设在一起的公共廊道，以实现地下空间合理利用，方便所有市政管线的集中管理，以达到地下公共资源共享，为城市的整体建设规划提供了便捷。

天然气管道进入综合管廊在防止第三方破坏、方便管道外观检查及管道维护保养、降低杂散电流的腐蚀影响、避免道路开挖等方面都有好处，但综合管廊属密闭空间，天然气管道入廊后一旦发生泄漏后果严重。传统上采取直埋敷设方式的管道，土壤起到了隔离空气的作用，管线之间可以分开敷设，消防空间足够大，而在综合管廊内，所有管线集中布置处于狭小受限的封闭空间内，且管线均与空气直接接触，为火灾提供了空气源的条件。此外，天然气从管道裂缝或者小孔高速射流而出，进而向空间进行膨胀扩散，由于综合管廊内的独立舱室为受限空间，短时间内天然气将高浓度聚集，与空气混合易达到爆炸极限。因而天然气管道安全及入廊后的安全运行管理是国内外专家学者和天然气企业关注的重点。王璇[1]探讨了综合管廊的规划和建设目标，并对管廊所容纳的管线种类和安全问题进行了研究，为综合管廊的发展提供意见。胡敏华[2]利用甲烷代替天然气进行了实验研究，选取带有小孔的狭长的小盒子代替燃气共同沟，模拟天然气泄漏后的报警响应时间与探头的位置，得出报警响应曲线的一般经验公式。方自虎[3]采用模型试验与数值模拟相结合的方式，以深圳大同沟燃气管道为原型。建立了三组模型进行天然气泄漏扩散的实验，得出了天然气泄漏后报警响应时间的公式。谭连初等[4]将燃气管道进入城市综合管廊的危害因素分为爆炸、窒息、中毒、腐蚀等四个方面，并对爆炸的主要因素进行了分析。李海新[5]，詹武刚[6]等针对综合管廊内通风系统、管道泄漏口压力、形状和位置等方面进行了理论分析，探讨了燃气舱内及排风口外天然气爆炸的危害。李伯祺[7]，黎珍[8]等从工程技术角度对燃气管道的爆炸风险和管廊设计施工提出了十二条详细建议。陶子明、李世毅[9-10]分析了综合管廊内纳入天然气管道的可行性以及纳入后需要采取的安全措施，包括如何预防管道泄漏、如何防范潜在火源，加强施工和运行管理等方面的监控。

针对城市综合管廊内燃气管道的风险研究目前还处于起步阶段，理论研究成果还未有效应用于指导设计和施工，技术研究又由于缺乏理论指导，只能根据经验提出建议，在科学性、严谨性方面尚有不足。本文采用模糊故障树分析方法，从风险研究角度评估城市综合管廊内燃气管道泄漏的故障概率，识别出其中的主要风险点，同时针对燃气管道泄漏突发性强、场景复杂、维修难度大等特点，制定专用应急预案，并对应急预案的完备性进行评估。

一、 模糊故障树模型构建

燃气管道的风险评估可以分为概率风险评估、实效评估和事故后果评估三类[11]，本文选择采用概率风险评估方法。

在概率风险评估中，故障树分析是工业中被广泛认可的分析评估复杂系统可靠性行之有效的方法。首先设定系统中指定事件作为分析目标（顶事件），通过致因关系逐层向下查找所有可能的因素及事件，直至不能或无需分解为止。用故障树的逻辑门（符号）来描述系统中各种事件之间的内在关系，从而形成一个倒置的树状图，这个图称为故障树。从定性的角度，故障树分析法主要得出的结论是故障树中所有导致顶层事件发生的最小割集[12]。顶层事件可由故障树的一组基本事件组合发生，此最低限度的基本事件集合称为最小割集。此外，故障树中因某些事件不发生，而不会导致顶层事件的发生，则此最低限度的基本事件的集合称为最小径集。

（一）泄漏因素分析

天然气具有易燃、易爆、易产生并积聚静电荷等特性，以下几种原因均可引发泄漏、火灾、爆炸事故。

1. 阀门、法兰破损造成的天然气泄漏。

2. 管道破损。

3. 管道腐蚀。

4. 焊接问题。

5. 管段制作不规范。

6. 可燃气体探测器失效。

7. 管道存在不稳定因素。如天然气与管壁发生接触后可能引起一系列化学反应，从而加重管道腐蚀。

8. 压缩机震动。

9. 后期维护。长期投入使用的燃气管道，会出现不同程度的腐化问题，虽然抗腐蚀材料加入会延长其抗腐蚀时限，但日常的检查不可忽视。当日常维护不到位，或是维护技术不专业、维护范围不全面时，也易出现燃气管道漏点问题。

10. 通风装置失效。

11. 温湿度传感器失效。

12. 管廊的不均匀沉降。

（二）模型建立

1.燃气泄漏故障树模型

综合天然气管路泄漏因素，根据模糊故障树分析理论，建立相关故障数学模型。T为顶事件，E为中间事件，底事件记为X。采用上行的数学方法建模，底层中间层顶层城市综合管廊内燃气泄漏故障树如图1所示，图中x1～x12为引发泄漏原因中对应的各因素。

图1 城市综合管廊内燃气泄漏故障树

根据计算得出共有12个积合项，故可获得12个1阶最小割集，分别为其中对于“或”门结构的故障树模型，根据理论[13]得出每个部件的结构重要度均为21-n。

2.应急预案故障树模型

针对应急预案失效可能性进行分析，设定城市综合管廊内燃气泄漏应急预案失效为故障树的顶事件，然后从应急预案准备、应急响应错误两个中间事件逐步展开。为避开引发应急预案失效底层单元事件庞杂性和无序性，分析方法关注于导致应急预案体系宏观故障的独立成因。分析出故障树最小割集为35个基本事件，构建故障树如图2所示。

定义应急预案完备性评估为目标层，决策层的指标通过故障树最小割集引用或转化得到，将决策层指标意义区别综合处四个因素。目标层：应急预案完备性评估。索引层&一级指标层：针对性B1，保障性B2，操作性B3，灵活性B4。

决策层&二级指标层：燃气公司规定C11，高层评估审批预案C12，特定环境C13，辨识重大危险源C14，预警监测C15，构建内外部应急指挥体系及岗位工作职责C21，日常应急监测及响应C22，应急预案定期更新C23，应急设备与监测设备配备与定期维护C24，应急预案不同情景演练C31，演练问题总结与提高 C32，外部救援及沟通演练C33，人员能力评估 C34，事故分级C41，事件情景失控后处置C42，多事件情景联合发生C43，规范事后恢复流程C44。

图2 城市综合管廊内燃气泄漏应急预案故障树

二、模糊故障分析

（一）分析步骤

进行定量化估算，获取顶事件的发生概率，得到底事件对顶事件的重要度。由于各底事件可能获得的有效信息较少，使得估算的精度较低，因此引入模糊集合及可能性理论。创建计算模型，通过模型运算计算顶事件的故障几率以及底事件对顶事件的重要程度[14]，获取较为精确的结果，其流程如图3所示。针对故障程度模糊数的概述，根据经验按照轻、中、重故障进行文字描述，故可以规化为0，0.5，1的数学模型数据。综合比较各种模糊数学模型的隶属函数，结果表明梯形模糊函数较为简便和直接。

（二）计算过程

采用专家建议法[15]，利用强制比较赋予不同的权值进行测算，最后根据专家意见进行加权平均计算[16]，专家组由n位组成，故存在N项影响因素，将各因素细分为s个级别，指定权系数集为级别权系数集为首位专家得分可通过式（1）计算得到。

其中：i为项目序列，i=1，2…N；j为级别序列，j=1，2…s；l为专家序列，l=1，2…n。

首位专家意见的重要度可以通过式（2）计算得到。

根据理论，专家组意见的重要度之和为1，则首位专家意见重要度数学模型归化后如式（3）所示。

第n位专家对事件k的加权平均模糊数Mk如式（4）所示。

例如获取“阀门、法兰破损造成的天然气泄漏”底事件结果，根据上述方法选择15位有经验的专家组成专家组进行主观判断。根据式（5），综合应用截集法或代数运算法，获得 15位专家意见的平均模糊数Y：

平均模糊数Y的关系函数为：

由于不同的隶属函数可以由同一个模糊数表示，因此很难对最终的结果进行比较。为解决上述问题，将模糊数规划成一个清晰值的模糊可能性值，其涵义指专家组成员对事件发生可能性的信任度，并界定获得的模糊集集合为f，最大值和最小值可通过公式（6）计算得到：

模糊数Y的左右模糊可能性值分别为0.8389（左），0.2814（右），则模糊Y的模糊可能性值按照式（7）计算得到是0.2176。

考虑到一部分底事件发生概率已经明确，另一部分一般是由模糊集理论和专家判断法相结合确定。综合上述得到模糊数Y的模糊失效率是3.0181×10-4，即阀门、法兰破损造成的天然气泄漏的概率为3.0181×10-4。

（三）结果分析

认为各底事件因素彼此独立，依照顶事件T的真值函数（见式（1）），估算出对应顶事件概率模糊数qT=（0.006 71,0.012 84，0.021 65， 0.041 05）。采用二位数0或1对故障树底事件的模糊数进行描述。根据上面提及的重要度描述，采用模糊重要度的概念，得到可度量底事件对顶事件重要程度大小的指标，如表1所示。

由表1中重要度大小可知，焊接问题、管段制作不规范、后期维护不当和管廊的不均匀沉降是导致城市综合管廊内燃气泄漏的主要原因。采用模糊故障树理论，定量计算出系统顶事件出现几率，从而可采用量化的方式快速、简便、多方面确定危险（关键）底事件对顶事件发生的危害重要度。采用上述方法既可以评价系统的可靠性，指导整个系统的设计，又可以通过量化指标获得大体的故障点，为复杂系统的维护维修及改良提供依据，有效指导维护保障工作。

表1 底事件的模糊重要度

三、应急预案完备性分析

以某天然气公司的应急预案为例进行分析，采用德尔菲法[17]，邀请十位天然气安全从业者对各一级指标中二级指标进行两两权重对，来收集评估体系中指标比对值。求得并验算判断矩阵，得到指标表权重见表2。

表2 应急预案案例评估结果

结合检查表单方法进行城市综合管廊内燃气泄漏应急预案完备性评估，现场检查并评估应急预案中不符合项，与得出的层次分析法二级评估指标集及其权重值相结合，最终得到包含评估比例的完整评价结果，见表2。案例应急预案整体完成率只有53.58%，明显处于不完备状况。若干项点完全没有考虑和涉及，如“外部救援及沟通演练C33”和“规范事后恢复流程C44”；案例应急预案不能满足多数检查表单所包含指标，在17个项点中只有5个项点大于70%完成度，预案亟需改进和提高；案例应急预案“保障性B2”与“针对性B1”评估结果相对较好，而“执行性B3”与“灵活性B4”明显低于可接受水平。

四、结语

采用模糊故障树理论，可以有效对城市综合管廊内燃气泄漏进行有效评估。通过模糊集合论、多种模糊数等算法，规一化给出一个定量概率值，再综合利用专家经验判断、可靠性大数据等可以获得一个较为精确的故障区间，具有较大的灵活性和适应性。

采用故障树评估方法，结合广泛使用的检查表单的方法，将书面性的应急预案转化为影响预案体系的节点或事件，将评估过程有机结合定性分析和定量评价两种常见方式，为企业钻井应急预案完备性评估中引入定量评价做了一个有益尝试。