【正文】 dopting the threeelement connection number to evaluate the risk of city gas transmission and distribution pipeline, we introduce quantitative elements into conventional risk matrix and propose a new risk representation method. Therefore, a threeelement connection number of the risk object can be obtained by the multiplication of threeelement connection number of failure probability and failure consequence, hence to determine the tendency grade of evaluation object, the risk size and its developing trend. Key words： city gas transmission and distribution pipeline。 （ 5） 運用 集對理論的三元聯(lián)系數(shù)進行城市燃氣輸配管道 風(fēng)險評價時 ，提出了三元聯(lián)系數(shù)矩陣的風(fēng)險表征新方法，在 傳統(tǒng)的風(fēng)險矩陣中引入了定量元素。 （ 4） 考慮到 城市燃氣輸配管道 風(fēng)險評價時信息的確定與不確定的特征，以及常規(guī)方法風(fēng)險評價時的靜態(tài)性，運用集對分析方法研究了城市燃氣輸配管道的風(fēng)險評價，提出了基于五元聯(lián)系數(shù)的風(fēng)險評價方法 。 從二個方面 即 產(chǎn)品危害和擴散影響入手，建立了城市燃氣輸配管道失效 后果的評價指標體系及其等級的劃分。 （ 2） 為分析 輸配管道燃氣泄漏的后果， 闡述 了 城市 燃氣 輸配管道的泄漏、爆炸及傷害模型；通過實例 模擬了 燃氣泄漏 后擴散的濃度范圍 ， 以及根據(jù)泄漏量確定出 其 爆炸后的 傷害半徑 。 Doctoral Dissertation 論文題目 城市燃氣 輸配 管道 風(fēng)險 評價方法及應(yīng)用研究 摘 要 隨著我國城市 化進程的加快，城市燃氣事業(yè)獲得了長足的發(fā)展，但與此同時，城市燃氣輸配管道的泄漏與爆炸事故也頻繁發(fā)生，這不僅給國家和人民群眾的生命與財產(chǎn)造成了極大損失，而且也嚴重影響城市燃氣事業(yè)的健康發(fā)展，如何科學(xué)識別、評價、控制城市燃氣輸配管道風(fēng)險已成為城市燃氣工程急需研究的重要課題之一。 在系統(tǒng)分析城市燃氣輸配管道風(fēng)險評價研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合運用城市燃氣輸配工程、風(fēng)險評價、模糊 數(shù)學(xué)、集對分析等相關(guān)理論、方法和技術(shù)對城市燃氣輸配管道風(fēng)險識別方法、 評價方法進行了較為深入地研究，以期為城市燃氣輸配管道的建設(shè)和運營管理提供決策和技術(shù)支持，主要研究成果如下： （ 1）在綜合 分析城市燃氣 輸配管道結(jié)構(gòu)及其特點的基礎(chǔ)上，運用故障樹分析法建立了城市燃氣輸配管道失效因素 分析的故障樹，并以梯形模糊數(shù)為基礎(chǔ)給出了城市燃氣輸配管道基本 事件的重要度計算公式。 （ 3） 從 四個方面 即 第三方破壞、腐蝕、 設(shè)計和操作入手，建立了城市燃氣輸配管道失效 因素的 評價指標體系 及其等級的劃分。 以判斷矩陣廣義一致性變換為基礎(chǔ)給出了城市燃氣輸配管道各個 評價 指標的權(quán)重確定方法。該方法不僅可以對風(fēng)險 態(tài)勢 進行 風(fēng)險分析，也可對風(fēng)險的發(fā)展趨勢給出預(yù)測。同時由三元聯(lián)系數(shù)的乘法運算，由 失效可能性和失效后果的三元聯(lián)系數(shù) 的乘積，能夠得出研究 對象風(fēng)險大小的三元聯(lián)系數(shù)， 由此可以確定 評價對象所處的勢級，判斷風(fēng)險大小以及其風(fēng)險發(fā)展的趨勢。 risk assessment。 fuzzy consistency matrix。大力發(fā)展城市燃氣，不僅 能夠極大 提高工業(yè)生產(chǎn)水平、 方便群眾生活，而且能夠顯著減少城市大氣污染，改善城市居住環(huán)境， 提升城市環(huán)境質(zhì)量， 對我國城市的 “節(jié)能減排，低炭經(jīng)濟” 及 可持續(xù)發(fā)展有著重要 作用。 截至 2020 年，我國各種城市燃氣管道的總長已經(jīng)超過12萬公里 [2]。 這些措施與規(guī)劃，必將導(dǎo)致我國 城 市燃氣的迅速發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)、人民生活提供更多的優(yōu)質(zhì)能源。 目前我國 60%的大型城市都埋設(shè)了大量燃氣管道，并且大多數(shù) 城市的燃氣管道已經(jīng)運行 20 多年 [3]， 許多 管道已經(jīng)老化，腐蝕嚴重，極易發(fā)生燃氣的泄漏。 伴隨著 城市 燃氣設(shè)施的迅速增加， 燃氣 使用的量越來越多，范圍也越來越廣，在城市 燃氣系統(tǒng)中發(fā)生的泄漏、火災(zāi)與爆炸等事故的數(shù)量和等級也在不斷上升， 城市燃氣安全問題越來越突出。 2020 年 3月 12日，寧波江北區(qū)青林灣小區(qū)附近的一 個工地上發(fā)生管道燃氣泄露事故，遠遠地就能聞到一股濃烈的煤氣味，極 易引發(fā)中毒，燃氣濃度一度達到爆炸極限，并造成周圍道路長時間封閉，整條環(huán)城北路幾乎癱瘓，經(jīng)燃氣搶修人員與消防官兵多次努力，險情才得以化解。 2020 年 3月 15日，在武漢漢口黃浦大街建設(shè)大道路口附近二環(huán)線施工工地，由于施 工方的疏忽，挖掘機將一根直徑 400 毫米的天然氣 管道挖破，大量天然氣帶著壓力噴薄而出，爆燃起火，燒毀旁邊一住戶 家中的大半財物 ，雖然沒有造成人員傷亡，但數(shù)千群眾被緊急疏散。 主要原因是 連續(xù)強降雨影響， 地下 磚砌雨水方溝泄漏，使路面下方土體流失，引起地面塌陷所致。 2020 年 1 月 9 日凌晨 2 點左右，溫州市區(qū)月湖小區(qū) 燃氣泄漏 發(fā)生爆炸，由于該處店鋪林立，比較繁華，導(dǎo)致 200 多位居民撤離疏散，所幸沒 有人員傷亡。 事故共造成 3 人死 亡、 28 人 受 傷的慘劇。 2020 年 2月 22日清晨，重慶市大渡口區(qū)法院食堂 由于天然氣泄漏發(fā)生爆炸事故，部分大樓受損，造成 5 人輕傷，爆炸波及到附近百余戶民用建筑。有三趟列車從天然氣噴起的氣 柱中穿過。 ?? 這些 燃氣泄漏與爆炸事故，不僅 給國家和人民群眾的生命與財產(chǎn)造成了極大的損失，而且 給社會 公共 安全與穩(wěn)定帶來了極大的負面影響，從一定程度上影響了燃氣事業(yè)的 發(fā)展。 城市燃氣輸配管道 風(fēng)險 評價 技術(shù) 研究 現(xiàn)狀及其存在的問題 國內(nèi)外 研究綜述 人類在遠古時期，就有了風(fēng)險意識的萌芽，對于無法解釋的自然現(xiàn)象或不能治愈的疾病，人們通過拜祭神靈，祈求平安，這是一種樸素的風(fēng)險規(guī)避與管理意識。 到 20 世紀 60 年代，開始了全面 、系統(tǒng)的研究企業(yè)設(shè)施和裝置的風(fēng)險評價， 在這一時期，美國道化學(xué)公司 于 1964 年 開創(chuàng) 地提出 了評價化工生產(chǎn)的火災(zāi)、爆炸指數(shù)法。 在上世紀 80 年代， 美國 Battelle Columbus 組織 力量對管道風(fēng)險評價方法進行了研究，在對其 工作總結(jié) 基礎(chǔ)上， 1992 年， Muhlbauer 編寫了《管道風(fēng)險管理手冊》[5]，在 該手冊中，作者闡述了如何進行管道風(fēng)險評價的指數(shù)評分法， 書中提出了可操作西南石油大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 3 性的評價模 型。嚴格來說，這本書中介紹的方法是一種半定量的風(fēng)險評價方法。 對于燃氣管道， 國外 已經(jīng)有了比較成熟的定量研究， 如 Kiefner 和 Vieth 對管道表面缺陷進行了定量評估 [7， 8]，最終被美國 ASME 的 B31G 用來評價管道的表面缺陷 [9]； Duane在考慮了管道周邊 多種因素 共同作用的情況下， 對管道的可靠性預(yù)測進行了研究 [10]；Bernd 通 過直接讓燃氣管道運營專家參與的情況下，在統(tǒng)計專家意見的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險評估模型，從而解決了失效數(shù)據(jù)缺乏這一難題 [11]； 為了合理地組織不同專家的意見，文獻 [12]運用貝葉斯統(tǒng)計方法來解決這個問題； Damousis 等通過專家運用模糊語言，評判失效因素引起的燃氣管道失效程度，最終評價出了燃氣管道的風(fēng)險等級 [13]； 由于 燃氣管道中人的可靠性 對系統(tǒng)安全具有重要作用，因此 Rinaldo 定量分析 了 人的可靠性；文獻 [15]通過假設(shè)管道 內(nèi)氣體做 一維穩(wěn)態(tài)絕熱流動，提出了高壓燃氣管道 泄漏率 的 簡化模型，并計算得到了由噴火而導(dǎo)致的 社會風(fēng)險和個人風(fēng)險值； 文獻 [16]研究了 管道發(fā)生天然氣泄漏后所產(chǎn)生的各種 危害后果； 文獻 [17]研究了管道斷裂泄漏模型并給出一個簡易的計算泄漏率和泄露速度的公式 ； Jane 和 David 針對事故概率 [18]，研究了最大可接受風(fēng)險值和事故發(fā)生的最大可接受概率之間的關(guān)系等 。 目前，國 外的風(fēng)險評價 技術(shù)正向成熟階段過渡，并且已開發(fā)了 風(fēng)險評估的軟件。 我國的風(fēng)險評價工作起源于 20世紀 80年代，在油氣管道上的應(yīng)用， 最早是由著名的油氣儲運專 家潘家華 [2325]于 1995 年在《油氣儲運》上詳細介紹了肯特的 《管道風(fēng)險管理手冊》 ，此后，風(fēng)險分析評價技術(shù)逐漸引起了我國油田企業(yè)的重視。 運用于工程實踐 方面 。所有這些工作，對 我國 燃氣管道 的風(fēng)險評價起到了重要的 推動 作用。該方法 對所研究對象的失效 因素 按照“發(fā)生”或者“不發(fā)生”來進行評價，在評價時不需建立精確的數(shù)學(xué)模型及計算方法，主要是依據(jù)政府或企業(yè)的有關(guān)法規(guī)、規(guī)范以及標準，依據(jù)評價人員在工作中 的實踐 經(jīng)驗和直觀判斷能力，依靠 分析過程中的邏輯推理關(guān)系 ，最終來確定所有危害事件的關(guān)系及其對安全的影響。但該方法主觀性較強，評價結(jié)果容易受參評人員專業(yè)知識背景、深度和經(jīng)驗的影響。 （ 2） 半定量的風(fēng)險評價 方法 半定量的風(fēng)險評價方法 主要 是 在實際工作 經(jīng)驗 的基礎(chǔ)上，通過給 識別出的風(fēng)險因素合理打分，然后把分值或 發(fā)生的概率分值 與事故 的嚴重度 相乘 或相除 ， 從而形成了一個相對的風(fēng)險指標， 最后進行風(fēng)險的分級評價。 包括概率風(fēng)險評價方法、 MES 評價法 ，肯特法 ，模糊綜合評價法 ，灰色 評價 法 等。它是用與系統(tǒng) 風(fēng)險有關(guān)的三個因素指標值的乘積來對系統(tǒng)中人員的傷亡風(fēng)險進行評價，這三個因素分別為： L 為事故發(fā)生可能性的大小； E 為人體 暴露在這種危險環(huán)境中頻繁程度； C 為一旦發(fā)生事故后造成的損失后果。 該方法簡便實用，但易受分析評價人員主觀因素影響 。該方法適用范圍較廣，不受專業(yè)的限制，可看作 LEC 方法的改進。 該方法是目前最完整且最系統(tǒng)的方法，容易掌握及便 于推廣，能集中操作人員、工程技術(shù)人員和管理人員等多方面的意見。 模糊綜合評價法是 通過專家使用模糊語言 ， 對失效因素引起管道失效的程度做出評判， 然后 構(gòu)造權(quán)重向量和關(guān)系矩陣，得到模糊評判向量，從而對燃氣管道的風(fēng)險等級做出評價。 灰色 評價 法 是指把系統(tǒng)安全或事故看作灰色系統(tǒng)，利用建模和關(guān)聯(lián)分析，使灰色系 統(tǒng)“白化”，從而對系統(tǒng)的安全進行 評價 。該方法主要是在定性評價的基礎(chǔ)上，對識別出的較高風(fēng)險水平的故障類型進行詳細的定量評價。定量 風(fēng)險評價 結(jié)果 的精確性取決于收集的原始數(shù)據(jù)是否完整，建立的數(shù)學(xué)模型是否精確，評價方法是否合理。 定量 風(fēng)險評價技術(shù)是建立在數(shù)據(jù)庫和實驗研究的基礎(chǔ)上，不僅促進了量化的風(fēng)險評價趨勢，而且實現(xiàn)了管道風(fēng)險評價的自動化。 現(xiàn)有風(fēng)險評價方法存在的缺陷 縱觀上述的文獻綜述，可以得出以下的結(jié)論： （ 1）過強的評價主觀 性 [38]。為了克服這種主觀性，人們把模糊數(shù)學(xué)引進 城市燃氣輸配管道的 風(fēng)險評價之中，但當涉及到評價矩陣和權(quán)重的確定時，又不可避免地帶有很強的 個人 主觀性。 研究對象每時每刻都在發(fā)生變化，甚至可能發(fā)生突變 ， 城市燃氣輸配管道風(fēng)險評價方法及應(yīng)用研究 6 城市燃氣輸配管道也不例外 。 然而系統(tǒng)現(xiàn)在的風(fēng)險是比評價的結(jié)果大了還是小了，風(fēng)險是向好的還是向 壞的方向發(fā)展了，這對有效地采取相應(yīng)對策可能比單純的一個風(fēng)險評價 結(jié)果更有參考價值。 所謂“確定”，即明確而肯定；“不確定”即不明確、不 肯定。 對于所研究的 城市 燃氣 輸配 管道來說，其各個因素的參數(shù)是人為設(shè)計給定的，在運行之前是一個確定性系統(tǒng)，當對其進行風(fēng)險評價時，由于有人參與，必然涉及到人、 燃氣輸配 管道及其之間的相互作用， 這使得人們難以獲得有關(guān)管道特性的精確量化結(jié)果 ； 同時人類對管道系統(tǒng)的作用也難以獲得準確的量化 值 。 研究的目的與意義 在系統(tǒng)分析城市燃氣輸配管道的 特點、風(fēng)險評價研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合運用城市燃氣 輸配 工程、風(fēng)險管理、模糊數(shù)學(xué)、集對 分析等相關(guān)理論、方法和技術(shù)探討城市燃氣輸配管道風(fēng)險評價的新方法、 新技術(shù)，為城市燃氣輸配管道的建設(shè)和運營管理提供決策依據(jù)和技術(shù)支持。 研究 的 思路 和方法 研究 的 思路 在系統(tǒng)分析城市燃氣輸配管道風(fēng)險評價研究現(xiàn)狀及其存在 問題的基礎(chǔ)上，綜合運用城市 燃氣 輸配 工程、風(fēng)險管理 、模糊數(shù)學(xué)、集對分析的相關(guān)理論方法和技術(shù)，首先分析和研究城市燃氣輸配管道的結(jié)構(gòu)及其風(fēng)險特點，給出城市燃 氣輸配管道評價的原則和步驟； 其次 運用故障樹分析方法識別城市燃氣輸配管道涉及到的風(fēng)險， 然后定量 風(fēng)險 評估燃氣泄漏 模型、擴散模型、燃燒、爆炸和傷害模型； 在給出城市燃氣輸配管道風(fēng)險評價指標及其等級劃分、并運用廣義一致性變換求解指標權(quán)重的基礎(chǔ)上，最后運用集對分析方法中的五元聯(lián)系數(shù)與三元聯(lián)系數(shù)研究了 基于集對分析的城市燃氣輸配管道 風(fēng)險 評價方法。 西南石油大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 7 圖 11 本文的技術(shù)路線 研究 的 方法