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基于三角模糊樹的油氣管線爆炸事故的FTA分析

文檔作者：修連強(qiáng)，胡傳順，殷麗秋高震蔣立軍文檔來源：遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月17日
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第44卷第1期
2015年1月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．44．No．1
January，201 5
基于三角模糊樹的油氣管線爆炸事故的FTA分析
修連強(qiáng)，胡傳順，殷麗秋，高震，蔣立軍
(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，遼寧捌[匣113001)
摘 要：管道爆炸的現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以收集整理，事故發(fā)生的概率難以確定。引入模糊評價方法中的三角模糊
理論來描述難以計算的管道爆炸事故的概率，確定頂上事件的模糊概率區(qū)間；為了確定引起事故發(fā)生的組合模
式，通過Fault Tree Analysis(事故樹)簡稱FTA分析法，應(yīng)用Boolean algebra method(布爾代數(shù)法)求得事
故樹的最小割集；通過中間值法的應(yīng)用，確定各個引起事故的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，通過對各個基本事件的
結(jié)構(gòu)重要度的整理，確定影響頂上事件．事故發(fā)生的重要因素的先后順序，可以對排列靠前的影響較重的因素進(jìn)
行改善。
關(guān)鍵詞：老舊油氣管道；三角模糊理論；事故樹；最小割集；結(jié)構(gòu)重要度
中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671—0460(2015)01—0107—03
FTA Analysis of Oil and Gas Pipeline Explosive
Accidents Based on Triangular Fuzzy Number Theory
XIULian—qiang，HU Chuan—shun，YINLi—qiu，GAO Zhen，JIANG Li-jun
(School ofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning 113001，China)
Abstract：Site data of the pipeline explosion iS di伍cult to collect．the probability of an accident iS difi cult to
determine．In this Paper’the triangular fuzzy number theory in fuzzy evaluation method was used to describe the
probability of pitIeline explosion to determ ine the fuzzy interval of the top event．In Order to determ ine the combination
mode to cause the accident，F(xiàn)ault Tree Analysis(FTA analysis)and Boolean algebra method were used to obtain the
minimal cut set of fault tree．Then the interm ediate value meth0d was used to determine the structural importance of
basic events to cause the accident；through analyzing the structural importance of basic events，the sequence of the top
events．important factors in the accident was determined．
Key words：Old oil and gas pipelines；Triangular fuzzy theory；Fault tree；Minimal cut set；Structural importance
在國家油氣管道的運營過程中，部分管道逐年
老化，有的油氣管道運營時間長達(dá)20 a以上，但是
因為種種原因，管道更換和維護(hù)的難度較大，老舊
油氣管線的各方面事故頻頻發(fā)生。油氣管道的事故
中，泄漏事故是最常見的事故，如果油氣管線泄漏
后，未及時人為的進(jìn)行處理，會釀成重大安全事故。
所以對油氣體管道泄漏爆炸事故進(jìn)行安全分析是具
有一定的實用意義和價值，事故樹分析法是一種可
靠全面的安全評價方法Ll J，在分析的過程中確定管
道泄漏沿線發(fā)生爆炸即為頂上事件，并細(xì)化各個中
間事件，完善各個中間事件的各基本事件。應(yīng)用
Triangular fuzzy tree(~角模糊樹)與FTA【2J相結(jié)合的
方法進(jìn)行分析，具有一定的可靠性和全面性。
1 三角模糊樹理論及其運用方法
1．1 三角模糊樹概述
設(shè)由一個對象所組成的論域 那么在論域【，
上的一個模糊數(shù) 定義為一個隸屬函數(shù)：
：uo[0，1 ( )
( )：1
(x - m +
1)
，
／
，
l
x <
x
m
≤
))
‘ (2)
1 “T“一
，， ‘ 其他+“
式(2)中： ： 的核，l+u： 的盲度，如
圖1所示，這樣的模糊數(shù)稱為三角模糊數(shù)，計為
(，， ， )
圖1 三角模糊數(shù)
Fig．1 Triangle fuzzy number
收稿日期： 2014-06—30
作者簡介： 修連強(qiáng)(1987一)，男，河北承德人，碩士學(xué)位，研究方向：汽提塔冷凝氣安全分析。E-mail：453475699@qq．com。
化 工 201 5年1月
三角模糊數(shù)的代數(shù)運算公式L3J是根據(jù)模糊數(shù)
的運算法則推導(dǎo)出的廣義的運算公式，假設(shè)分別由
( ，I『l， )和( ，12， ：)來表示有三角模糊數(shù) 和 ，
那么三角模糊數(shù)的運算法則如下：
g1 0 q2：(m1+，卯2，‘+12，／1+／12) f 3)
q～2
： ( 一m2卜f2，“ 一“：) (4)
g1 o q2：(ml×m2，‘×f2，“1×I,t2) f s 1
C o ql：(Cml，Cll，Cu1) f 6 1
1．2 應(yīng)用三角模糊理論的FTA分析基本步驟
(1尉整個研究系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險識別、風(fēng)險分析，
確定各個潛在的風(fēng)險因素，明確各個風(fēng)險因素之間
的邏輯關(guān)系。
(2)完成事故樹的繪制，列出頂上事件、各個
基本事件、邏輯門，按照一定的邏輯關(guān)系繪制樹狀
圖，通過布爾代數(shù)法求得頂上事件的最小割集，然
后進(jìn)行定性的失效分析。
(3)確定各個基本事件模糊概率，進(jìn)行定量分
析 。
事故樹中的基本事件的概率分為有精確概率統(tǒng)
計的基本事件和無精確概率統(tǒng)計的基本事件，對于
有精確統(tǒng)計概率的基本事件可以進(jìn)行直接計算；對
于無精確統(tǒng)計概率的基本事件，采用專家打分方法
對無法獲得精確概率的基本事件進(jìn)行評分，一般選
定一個評估小組，由三名專家組成。采用3 O法對
專家給出的概率值進(jìn)行模糊處理，得到每個基本事
件概率的方差為3 O，均值為m，設(shè)a=b=3，又設(shè)各
基本事件的概率值分布為正態(tài)分布，將各個基本事
件的概率模糊表示為：<3 o，m，3 0> 應(yīng)用三
角模糊的運算法則進(jìn)行計算頂上事件的模糊概率。
一
— ～
√D(x) ， r 71
、／ Σ，[xk—E( )]
'托= l
式中第k項的概率值為 ，根據(jù)離散概率公式
得：只： (．j}：1,2，3，．．?．， )
模糊與門的計算公式：
q～AND：qm~q2~? o (1AND,m D~AND)一
(8)
模糊或門的計算公式：
％R (1OR,mOR， OR)=1一(卜．兀
= [一．
1 I1／i)，11．
mj)，1．
I 1
．
=[ “f)] (9) 一(1一
，一(一
n )，一(1一
“ )] 、
= 1 f=1 =1 ’
(4)模糊重要度分析
事故樹分析過程中的重要度分析是非常重要
的，對圖1，有如下定義， =
，
) ，
： C )dx， = +A2存在點Z，使經(jīng)過該點的
分界線把模糊曲線下的整個區(qū)域分成左右面積相等
的兩塊區(qū)域，則z點所取的數(shù)值為中間值『6】：
從而：
當(dāng) ，時，那么
C， + = ，
得： ， ： +√“2一 ， (11)
當(dāng) ：，時，那么 ’： (12)
記為其頂上事件的中位數(shù)， ’為基本事件
的中位數(shù)，Si： 一 ’為其基本事件 的模糊重要
度，若Si>S，，則認(rèn)為Xi比 對系統(tǒng)的影響程度小，
利用模糊重要度的在老舊油氣管線評價的方法，確
定各個基本事件對頂上事件的影響程度，并將影響
程度按照大小排列順序，提出優(yōu)先的、可靠的改進(jìn)
措施【7Jc
2 三角模糊樹對老舊油氣管線應(yīng)用
2．1 確定各個風(fēng)險因素
對于新建投產(chǎn)期間的油氣管線，泄漏往往是由
于法蘭、密封等連接部位，泄漏程度較輕，一般不
會造成較嚴(yán)重的事故。但是對于老舊管線來說，引
起管線泄漏的原因很多，如：(1)老管線原來建在
偏僻的野外，隨著城市的發(fā)展，居民區(qū)及廠區(qū)逐漸
發(fā)展，占用老管線的地面用地，對老管線形成占壓，
對老管線的運營具有相當(dāng)大的危險，容易形成第三
方破壞；(2)由于老舊的油氣管線運行時間較長，
防腐層及陰極保護(hù)系統(tǒng)需要更換或修復(fù)，但是由于
城區(qū)的覆蓋，往往更換修復(fù)的難度較大，這樣，容
易引起管道的腐蝕泄漏，以至于管道泄漏的產(chǎn)生·9
(3培線在設(shè)計的過程中存在缺陷也會引起泄漏情
況的發(fā)生，如管道工藝設(shè)計的缺陷或管道材質(zhì)初始
缺陷均能引起泄漏的產(chǎn)生；(4)如果油氣管道發(fā)生
泄漏，當(dāng)油氣濃度達(dá)到爆炸極限時候，遇到靜電起
火、機(jī)械火星、人為點火等點火源時，容易導(dǎo)致爆
炸事故的發(fā)生，從而造成很嚴(yán)重的后果，人民的生
命、財產(chǎn)會受到嚴(yán)重的威脅。
第44卷第1期 修連強(qiáng)，等：基于三角模糊樹的油氣管線爆炸事故的FTA分析 1O9
2．2 對事故產(chǎn)生原因的定性分析
繪制管道爆炸事故的事故樹，T-管道泄漏發(fā)生
爆炸； ．遇點火源；M2一石油或天然氣泄漏；M3一
腐蝕穿孔；尬一管道存在缺陷；M5．第三方施工或破
壞通過對事故樹的最小割集的求解，可以表示系統(tǒng)
的危險陛，求出最小割級可以掌握事故發(fā)生的各種
可能，為事故調(diào)查和事故預(yù)防提供方便L7 J。根據(jù)布
爾代數(shù)法，求得最小割集共有36個(圖2 o
圖2油氣管道事故樹
Fig．2 Fault tree of Oil and gas pipelines
{ 1，X2，X8}， 1， 2，X9}，xIJ 2， l0}，{xl，X2,x11}，xl， 2， 12}，{ 1
，X2，X13}，{Xl，X3，xs}，{xl，X3，xg}，xl， 3，XlO}，{xl， 3，XI1}，Xl，X3，xn}，{ 1
，X3，X13}，{Xl，X4,X8}，{xl，X4,X9}，{XI，X4,XlO}，{XI，X4,Xll}，{X1，X4，X12}，缸l
，X4，XI3}，{Xl，X5，xs}，{xl，X5，x9}，{xl，X5，xlo}，{xl， 5，Xll}，{Xl，X5，X12}，{Xl
，X5，X13}，{xl，X6,X8}，{Xl，X6，X9}，{xl，X6，Xlo}， 1，X6，XIO)，{xl，X6,Xll}，{xl
，X6,X12}， l，X6，xls}， l，X7,X8}， 1，X7,X9}，， “X7,XIO}， ，X7,X11}，
1， 7，X2}，{X1,x7，X13)
由最小割集可知，只要 1發(fā)生，并且 ，M2，M3
中基本事件必須有一個與 1同時發(fā)生，才能引起頂上
事件發(fā)生，可以看出基本事件 對事發(fā)生所產(chǎn)生的影
響是最大的，所以為了避免爆炸事故的發(fā)生，應(yīng)采取
緊急措施避免可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到爆炸極限。
2．3 對事故產(chǎn)生原因的定量分析(表1)
表1 各個基本事件模糊概率表
Table 1 The fuzzy probability of each basic event
運用模糊與門的計算公式(8)和模糊或門的計
算公式(9)，來計算頂事件的模糊概率。
頂上事件模糊概率的可能性分布【 】
= 廠( ， ，X3人Xn)
將表中數(shù)據(jù)帶人得：
蘄=(1．94057x10-5,1．26504x10-4,1．82194x10 )
根據(jù)公式(10)、(11)、(12)：
， ，
= 1．21706×10 =0．01732 =0．04088
： 0．00051 =0．00322 =0．00736
= 0．00087 =0．03396 =0．00473
0 =0．002519 = 0．00257 rl1 = 0．01053
2 =0．00237 rx3 ：0．02817
由于 作為頂上事件的重要度，是不改變的，
PAfl；Z~S,= 一 公式中，只要比較 ’就可以了，
也就是說 ‘越大， 越小，對頂事件的發(fā)生影響程
度就越大，反之， 。越小， 就越大，表明其對頂
事件發(fā)生影響程度就越小[ ?？傊?，由低到高排序
一
， ， ， ， ， ， ， ，
后， < T6 < 2 < < < r9 < < 1
< < 0 < 3 < <
3 結(jié)論
把其基本事件概率重要度按由低到高排序：
， ， ， ， ， ， ， ，
S2 < < 3 < 0 < < S1h < S5 < S9 <
， ， ， ， ，
S4s< s s< s 2s< s6
s
< s s
由結(jié)構(gòu)重要度可知違章動火、泄漏沿線汽車火
花塞火星、第三方施工或破壞、管道年限過長管壁
腐蝕過薄等，這些危險因素是造成管道泄漏并且發(fā)
生爆炸的最主要原因，要加大對這些風(fēng)險因素的投
資成本，加大對這些風(fēng)險因素優(yōu)先控制，才能有效
的避免老舊油氣管道泄漏而釀成爆炸事故[9】。事實
上這些因素與近幾年來管道發(fā)生爆炸的主要因素比
較相符。例如：泄漏后空氣中油氣濃度達(dá)到爆炸極
限對頂上事件發(fā)生的影響是最直接的，影響最大，
若在管道泄漏之初，立即組織管道工作人員進(jìn)行搶
修，避免使可燃?xì)怏w濃度到達(dá)爆炸極限，從而使老
舊油氣管道爆炸事故得到有效預(yù)防治。
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(下轉(zhuǎn)第113頁)
第44卷第1期 王紅民，等：垃圾填埋氣的資源化利用 113
年來興起的，在清潔機(jī)制下，利用國外先進(jìn)技術(shù)和
資金對我國的垃圾填埋氣進(jìn)行資源化利用或許會成
為近期內(nèi)一個較為可行方式。但是長遠(yuǎn)來看，加大
填埋氣應(yīng)用的科研投入，掌握核心技術(shù)，探索新型
資源化利用方式等，顯得更為重要。
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