改進的層次分析法在高壓輸氣管道泄漏風險分析中的應用

王婉青，呂淑然，張宇棟

(1.首都經濟貿易大學 管理工程學院， 北京 100070; 2.清華大學 公共管理學院, 北京 100084)

天然氣是一種無色、無味、熱值較煤炭和石油更高的清潔能源。近年來隨著我國經濟的飛速發展，政府越發重視生態環境的保護，因此全國范圍內對天然氣的依賴程度不斷增高，這使得我國天然氣行業呈現出飛速發展的趨勢[1-2]。但是天然氣需依靠高壓輸氣管道才能實現長距離運輸，壓力管道本身屬于特種設備，危險性極高。再者，天然氣是一種易燃、易爆、有毒及強腐蝕性氣體，一旦高壓輸氣管道發生泄漏極易引發如火災、爆炸、中毒等多種次生災害[3-6]。僅2018上半年就發生各類燃氣爆炸事故390起，共造成371人受傷，28人死亡。事故的發生使許多人失去了鮮活的生命和溫馨的家園，嚴重影響了社會的和諧穩定發展。因此，對高壓輸氣管道進行泄漏風險分析勢在必行。本文以天然氣高壓輸氣管道為研究對象，剖析影響高壓輸氣管道泄漏失效的基本影響因素，為高壓輸氣管道日常的安全管理、風險減緩措施的選擇提供合理的依據。

層次分析法(AHP)把對決策有影響的因素進行剖析，將其劃分為不同的目標層和準則層，并利用這些層次對系統進行定性和定量分析，運用9標度法建立判斷矩陣，但是在判斷過程中容易受個人主觀原因的干擾而導致誤差和邏輯混亂[7-8]。改進的層次分析法(IAHP)將事故樹方法引入到傳統的層次分析法中，首先進行事故原因分析，其次將致因因素進行歸類和中性化描述，最后將事故樹計算獲得的結構重要度Iφ的相互比較關系引入到層次分析法判斷矩陣的建立中。該方法在一定程度上克服了專家打分的主觀判斷所導致的誤差[9]。李亞蘭等[10]將改進的層次分析法應用于地下建筑火災安全評價研究中。應國柱等[11]將改進層次分析法應用到了地鐵施工風險評價中，計算出不同因素所占權重。張哲源[12]以某企業的液氨儲罐區為例應用改進層次分析法建立了層次分析模型。段若晨等[13]采用改進層次分析法綜合評估了500 kV 輸電線路的防雷改造效果。孫旋等[14]基于改進層次分析法對火災高危單位消防安全進行了評價研究。可以看出，以上學者運用改進層次分析法進行研究均取得了較好的效果。綜上，本文首先采用FTA模型對高壓輸氣管道發生泄漏的原因進行分析，旨在為高壓輸氣管道泄漏風險評估提出一套較為完整、清晰的風險評價指標體系；其次采用改進的層次分析法(IAHP)計算各指標體系的權重并排序。研究結果可為燃氣管道日常的安全管理提供可靠的依據，以期減少管道泄漏事故的發生。

1 基于事故樹的層次分析法

1.1 構建事故樹模型

經調查發現，大多數嚴重的高壓輸氣管道安全事故都是由于管道泄漏遇到點火源而引發的火災和爆炸。根據把對管道系統影響最大的事件作為分析對象的原則，本文將“管道泄漏失效”作為事故樹模型的頂事件進行分析；再依據天然氣事故調查和分析發現的管道穿透和破裂是引起管道泄漏失效最根本的原因，以這2個原因為次頂事件，結合危險源辨識對事件進行逐一分析直到找到最基本的底事件。圖1為高壓輸氣管道泄漏事故樹模型，表1為事件含義列表，該模型共考慮了26個基本事件。

1.2 高壓輸氣管道泄漏層次分析模型

根據圖1所建立的事故樹模型，對基本事件進行分類、整理及中性化描述后發現導致高壓輸氣管道泄漏的基本原因可分為第三方因素、腐蝕因素、誤操作因素及設備因素4個方面。從這4個方面出發建立了高壓輸氣管道泄漏層次分析模型，如圖2、表2所示。

1.3 事故樹結構重要度構建判別矩陣

根據所建立的“管道泄漏事故樹”，運用布爾代數法計算得到最小割集32個，最小徑集56個。由于最小徑集數量過多，用于計算結構重要度過于復雜，因此本文選用最小割集計算，最小割集如表3所示。

事故樹的結構重要度是一個反映基本事件對頂上事件影響程度的指標，而層次分析法中的指標層各因素的權重同樣反映了其對目標層的重要程度。將各基本事件結構重要度Iφ作為指標層各因素的判斷因子χ(i)，結果見表4。結構重要度的計算公式見式(1)。

(1)

式中：k為事故樹分析所得的最小割或徑集數目；m為包含第i個基本事件的最小割集或徑集的數目；Rj為包含第i個基本事件的第j個最小割集或徑集中的基本事件的數目。

表2 高壓輸氣管道泄漏失效評價指標體系

表3 最小割集

圖2 管道泄漏層次分析模型

指標因素123456789判斷因子χ(i)1/321/321/321/641/6417/2803/321/203/32指標因素101112131415161718判斷因子χ(i)1/281/283/641/281/101/161/641/641/64指標因素1920212223242526判斷因子χ(i)1/643/1123/1123/1123/1123/1123/1123/112

(2)

式中：m、n為各準則層下指標層的數目；i、j為判斷矩陣aij的下標，分別表示第i行和第j列。每個準則層下都包含不同數量的指標因素，對指標因素進行兩兩比較，得到指標層的判斷矩陣：

(3)

式中：i、j為判斷矩陣aij的下標，分別表示第i行和第j列。

根據式(2)(3)可以得到準則層以及各指標層的判斷矩陣，然后運用傳統的層次分析法計算出各因素的權重值，具體計算步驟見文獻[16]，最后對矩陣的一致性進行檢驗。經計算所有矩陣的CI值均小于0.1，符合一致性檢驗，詳見表5～9。

表5 準則層判斷矩陣

運用式(3)對各準則層下的指標層進行兩兩對比，可得出第三方因素、腐蝕因素、誤操作因素及設備因素下各指標因素的判斷矩陣和權重值，計算結果如表6～9所示。

表6 第三方因素判斷矩陣(B1)

表7 腐蝕因素判斷矩陣(B2)

表8 誤操作因素判斷矩陣(B3)

表9 設備因素判斷矩陣(B4)

2 層次總排序

依據表10的層次總排序可以看出：管道初始缺陷所占比例最大達到總比例的10.11%，說明天然氣管道運營公司在投產之前必須對管道質量進行嚴格檢查，避免管道存在初始缺陷；其次，日常的管道腐蝕檢測與管材抗腐蝕性也十分重要，占到總比例的9.57%，所以在天然氣管道的日常管理中應加強管道腐蝕檢測工作，并在管道設計階段選取抗腐蝕性較強的管材以保證管道日常的安全運行；管道施工階段的監理工作非常關鍵，占到了總比例的6.1%，因此企業應認真做好管道施工階段的監理工作，避免施工階段的錯誤操作，確保管道施工質量，并須強化工作人員的技能培訓和安全教育，增強工作人員的責任心，保證員工日常工作質量。管道安全管理部門可依據表10的權重值并結合模糊綜合評價等科學方法定期對管道進行泄露風險評估，找出風險的薄弱環節并制定合理的管控措施，將管道泄漏事故防患于未然。綜上所述，各因素評價結果與實際情況基本相符，說明該方法有一定的實用價值。

表10 層次總排序

續表(表10)

3 結束語

將事故樹模型和層次分析法結合起來，根據事故樹模型來確定改進層次分析法的各個指標，使評判指標之間的關系更清晰，評判結果更符合客觀實際。

建立了高壓輸氣管道泄漏事故樹模型，該模型共考慮了26個基本事件，將事故樹的結構重要度作為判斷因子進而得到各指標層的判斷矩陣，然后結合層次分析法對管道泄漏事故進行了定性識別與定量分析。

結果顯示，在準則層中腐蝕因素所占比例最大，在指標因素中初始缺陷、腐蝕檢測、管材抗蝕性、施工監理為主要致災因素。各因素評價結果與實際情況基本相符，說明該方法具有一定的實用價值，可為高壓輸氣管道日常的泄漏風險預防與控制提供一定的依據。