摘要：闡述了我國進行燃氣管道風(fēng)險評估面臨的挑戰(zhàn)。用改進的故障樹法建立埋地燃氣管道陰極保護的風(fēng)險評估模型，將風(fēng)險評估模型的結(jié)果與現(xiàn)場實測、開挖結(jié)果相比較，二者基本一致。該風(fēng)險評估模型為管道的安全運行及防腐系統(tǒng)的修復(fù)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：埋地燃氣管道；風(fēng)險評估；故障樹； 陰極保護

　　燃氣管道，無論是初期使用的鑄鐵管還是目前普遍采用的優(yōu)質(zhì)鋼管，在使用一段時間后，都可能發(fā)生因腐蝕，超壓或第三方破壞等造成的燃氣泄漏或管道破裂事故。由于燃氣具有易燃、易爆的特點，所以燃氣事故威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。盡管燃氣公司在設(shè)計、施工和運行期間采取各種技術(shù)手段防止事故的發(fā)生，但由于管道所處環(huán)境復(fù)雜多變，常規(guī)的預(yù)防措施仍難以確保燃氣管道長期安全地運行。風(fēng)險評估技術(shù)正是在選種需求下被引入的一種新型管理技術(shù)。經(jīng)過近30a的開發(fā)研究與應(yīng)用實踐，管道風(fēng)險評估技術(shù)已在許多國家發(fā)揮了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，并越來越受到世界各國燃氣公司的重視。
　　由于燃氣管道的建設(shè)成本高，其成本的回收率除受輸送效率的影響外，還在很大程度上受管道事故損失的制約。因此嚴(yán)格地說，燃氣管道的風(fēng)險評估實質(zhì)上就是管道建設(shè)成本風(fēng)險分析與經(jīng)濟問題的階段評估^[1]。20世紀(jì)70年代，發(fā)達國家在二戰(zhàn)后興建的大量燃氣管道將進入老齡階段，這些管道承擔(dān)著國家的燃氣輸配任務(wù)，所以最大限度地減少燃氣管道的事故發(fā)生率和盡可能延長這些燃氣管道的使用壽命便成為各國關(guān)注的焦點，為了解決在一條管道上合理使用維護費用這一技術(shù)難題，美國的一些管道公司開始嘗試用經(jīng)濟學(xué)中的風(fēng)險分析技術(shù)來評估燃氣管道的風(fēng)險性^[2]，并在后來的研究與應(yīng)用實踐中逐步建立起了燃氣管道風(fēng)險評估體系和各種行之有效的評估方法。目前風(fēng)險評估的方法主要有：初步危險分析(PHA)、失效模型與影響分析(FMEA)、致命度分析(CA)、故障樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)、危險性與可能性研究(HOS)等。

1 我國燃氣管道風(fēng)險評估面臨的挑戰(zhàn)
　　根據(jù)管道風(fēng)險評估的定義，完整的風(fēng)險評估需要解決3方面的問題。首先是引起管道事故的因素有哪些：其次是這些因素誘發(fā)管道事故的可能性有多大；第三是管道事故的后果是什么。這3方面問題所包含的內(nèi)容既是管道風(fēng)險評估所依賴的基本信息，也是影響評估結(jié)果精度的數(shù)據(jù)源，所以上述3個問題是管道風(fēng)險評估的技術(shù)關(guān)鍵。然而，由于我國燃氣管道系統(tǒng)在裝備和管理水平上同國外燃氣管道系統(tǒng)存在一定的差距，所以要把國外成熟的管道風(fēng)險評估技術(shù)直接用于我國燃氣管道的風(fēng)險評估，在如下4個方面將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　①真實可靠的原始數(shù)據(jù)
　　首先，我國很多燃氣管道系統(tǒng)，無論是長輸還是礦場集輸管道，在設(shè)計時一般沒有考慮采用SCADA系統(tǒng)。管道投運后，工作參數(shù)全由人工定時記錄，導(dǎo)致這些記錄的許多數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性。其次，許多不重視技術(shù)資料歸檔的單位很難找全管道的所有歷史工作參數(shù)。即使評估所需的全部歷史工作參數(shù)都能收齊，必須花費大量人力將其錄入數(shù)據(jù)庫才可使用。所有這些，不僅削弱了我國燃氣管道原始數(shù)據(jù)的可靠性，還增加了采集評估原始數(shù)據(jù)的難度和工作量^[3]。另外，我國管道燃氣的組成有一定差異，尤其是一些天然氣長輸管道，設(shè)計時是按商品天然氣考慮的，而實際運行中卻常將未經(jīng)處理的濕酸氣混入長輸管道。由于有濕酸氣不定期地進入長輸管道，輸氣管道內(nèi)腐蝕的規(guī)律性極難掌握，這無疑給腐蝕指標(biāo)的評估造成困難。
　?、陲L(fēng)險影響因素的確定
　　管道系統(tǒng)風(fēng)險值由管道發(fā)生事故的可能性與事故損失后果的乘積來確定。由于燃氣管道的工作環(huán)境復(fù)雜多變，所以誘發(fā)管道事故的影響因素既是多方面的，又是多層次的。設(shè)想把一切可能導(dǎo)致燃氣管道事故的影響因素都納入風(fēng)險評估的考慮中，固然可以提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確程度，但是這會增加管道風(fēng)險評估的成本。因此，從大量影響因素中篩選出對評估結(jié)果最敏感的風(fēng)險要素將是管道風(fēng)險評估中的重要環(huán)節(jié)。由于我國的大部分埋地管道都是人工挖溝敷設(shè)的，其覆土厚度不僅存在各處不一的問題，而且許多地段的埋深并未達到設(shè)計埋深的要求；另外，后來地面的變遷導(dǎo)致某些地段管道的實際覆土厚度與初建時差距很大，所以埋地管道的覆土厚度的歸類必須慎重處理。由于我國許多管道所輸介質(zhì)的一致性較差，所以管輸介質(zhì)的腐蝕性也是一個變化的因素。此外，我國一些燃氣管道在建成投運后，其管道的施工帶便退耕還林，管道沿線的路權(quán)狀況明顯比北美地區(qū)差，由此導(dǎo)致許多通常不會改變的環(huán)境影響因素受到第三方生產(chǎn)活動的影響而改變。所有這些不利條件無疑會增加對風(fēng)險要素分類的難度。
　?、垭S機因素的概率模型
　　定量風(fēng)險評估是管道風(fēng)險評估的高級階段。它通過考慮如設(shè)備故障和安全系統(tǒng)失靈這樣的單個事件，可以算出最終事故的發(fā)生概率，被認為是確定絕對事故頻率的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法。使用這種評估方法首先需要將各類影響因素處理成隨機過程或隨機變量。由于我國的燃氣管道都是按容許應(yīng)力法設(shè)計的，過去基本上沒有對燃氣管道所受各種載荷的概率模型做過任何系統(tǒng)的研究，所以要實現(xiàn)對燃氣管道的定量風(fēng)險評估，就面臨著用什么概率模型去描述燃氣管道的各種隨機載荷，以及這些載荷因素對管道的結(jié)構(gòu)完整性影響遵從什么樣的隨機過程等難題。根據(jù)我國燃氣管道的實際環(huán)境狀況，要使用定量風(fēng)險評估方法來評估各類長輸或集輸燃氣管道，就必須通過大量的實測研究工作來確定主要隨機因素的概率模型。
　?、苣：蛩氐挠绊?br /> 　　管道風(fēng)險評估是一個多因素綜合評定的過程，國外的應(yīng)用研究實踐表明，在評估過程中對引起管道發(fā)生事故的因素考慮越全面，則評估結(jié)果的準(zhǔn)確性就越高。由于燃氣管道的工作環(huán)境條件千差萬別，所以在誘發(fā)管道事故的因素中除了有前面提到的隨機因素外，還包括管道的設(shè)計、施工、運行和維護期間存在的許多模糊因素的影響。這些因素不僅客觀存在，而且在某種程度上先天性地降低了燃氣管道的結(jié)構(gòu)完整性并削弱了防護措施的有效性，但又往往被人們所忽視。比如燃氣管道設(shè)計單位的設(shè)計經(jīng)驗就是一個典型的模糊因素。假設(shè)甲、乙兩個設(shè)計院都具有設(shè)計某條燃氣管道工程的資質(zhì)，但甲院已有類似管道工程多次的設(shè)計經(jīng)驗，而乙院卻無類似工程的設(shè)計經(jīng)驗，盡管它們都采用同一規(guī)范來設(shè)計，但其結(jié)果可能是甲院完成的設(shè)計方案會比乙院的更好。同樣管道施工單位的經(jīng)驗和管道運行單位的經(jīng)驗都具有類似的模糊影響。然而，在目前國外通用的管道風(fēng)險評估基本模型中，基本上沒有考慮這些模糊影響因素，為了彌補管道風(fēng)險評估技術(shù)在這方面的不足，我國有必要借用模糊分析技術(shù)的研究成果把影響燃氣管道事故發(fā)生可能性的模糊因素納入管道風(fēng)險評估體系中。這樣，不僅可以提高管道風(fēng)險評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，也是對管道風(fēng)險評估技術(shù)的進一步完善和發(fā)展。

2 燃氣管道陰極保護系統(tǒng)風(fēng)險評估模型
　　故障樹分析是一種主要的安全風(fēng)險分析方法^[4]，是由美國貝爾電話實驗室的A.B .米倫斯在1962年首次提出的。我國于1976年開始引進這種方法，并在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為提高產(chǎn)品的安全性和可靠性發(fā)揮了重要作用。故障樹由若干節(jié)點和連接這些節(jié)點的線段組成，每個節(jié)點表示某一具體事件，而連線則表示事件之間的某種特定關(guān)系。
　　燃氣管道的故障樹分析可分為3個階段：①故障樹的編制階段——定性分析階段；②故障樹的量化階段，根據(jù)設(shè)備故障率和作業(yè)人員的差錯發(fā)生率計算事故發(fā)生的概率；③當(dāng)計算結(jié)果超過目標(biāo)值時，要擬定事故防止對策。
　　由于受數(shù)據(jù)數(shù)量的限制，同時本項目主要是針對埋地燃氣管道的陰極保護系統(tǒng)而設(shè)計，因此采取故障樹分析作為本項目的風(fēng)險評估模型。
　　標(biāo)準(zhǔn)的故障樹評估模型需要實現(xiàn)通過充分研究各種事故發(fā)生的可能概率以及事故之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用邏輯推理的方法找出事故發(fā)生的原因和可能的概率，這需要事先對大量的不同的數(shù)據(jù)進行分析、推理。但是，由于數(shù)據(jù)量的限制和項目時間的關(guān)系，我們對故障樹模型加以改進，引入了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，形成一種我們稱為決策故障樹的分析模型(見圖1)。
　　國際上普遍把-0.85V作為判斷陰極保護系統(tǒng)是否正常工作的標(biāo)準(zhǔn)，因此在模型中把-0. 85V作為開始判斷的標(biāo)準(zhǔn)。如是存在大于0.85V的測量數(shù)據(jù)，則認為管道局部存在欠保護狀態(tài)，調(diào)用HAR(Historic Access Risk．歷史評估)模塊，對管道的歷史數(shù)據(jù)和防腐層進行進一步的分析和評估；如果不存在大于-0.85V的數(shù)據(jù)，則再進一步判斷管道管齡是否大于20a，調(diào)用當(dāng)前風(fēng)險評估模塊ACR(Access Current Risk，風(fēng)險評估)模塊，對管道管齡進行風(fēng)險加權(quán)，分析防腐層，從而得出相應(yīng)的評估結(jié)論。
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圖1 決策故障樹的分析模型
Fig. 1 Anelysis model of deoision fault tree

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