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 陳玉超，蔣宏業(yè)，吳瑤晗，姚安林，韓曉瑜

（1．西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；

2．油氣消防四川省重點實驗室，四川成都610500；

3．中國石化天然氣輸送管道分公司，湖北武漢430223）

摘要：根據(jù)近年來不斷發(fā)生的城鎮(zhèn)輸油管道泄漏爆炸事故，提出將Bow-tie模型引入到風(fēng)險評價中，將Bow-tie模型和改進(jìn)的層次分析法相結(jié)合得出各影響因素的權(quán)重并排序，對管道進(jìn)行風(fēng)險評價，便于提出合理的安全管理方案，減少事故的發(fā)生。通過計算得到第三方因素在管道失效影響因素中占主導(dǎo)，而在事故后果分析中安全后果和環(huán)境后果因素影響較大，基本符合事故實際狀況，說明該方法對于城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險分析有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)輸油管道；風(fēng)險評價；Bow-tie模型；改進(jìn)層次分析法

0  引言

 近年來，城鎮(zhèn)輸油管道安全問題逐漸引起公眾的重視，2013年青島“11·22”原油泄漏事故的發(fā)生使城鎮(zhèn)輸油管道安全成為全國關(guān)注的焦點。城鎮(zhèn)內(nèi)本不該有輸油管道，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家推進(jìn)城市建設(shè)，管道周邊環(huán)境復(fù)雜，人員密集，建筑物也很多，越來越多的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施對管道形成了占壓。同時，城市地方政府推進(jìn)城市基礎(chǔ)管網(wǎng)建設(shè)，通訊、熱力、燃?xì)�、供水、排水等各種類型管線交叉敷設(shè)，又涉及不同的分管部門，規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)管、維護(hù)等方面存在漏洞，城鎮(zhèn)輸油管道逐漸成為致災(zāi)隱患，一旦發(fā)生泄漏，將會造成環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等嚴(yán)重后果。

 現(xiàn)有的油氣管道安全評價方法主要是就管道失效可能性或者失效后果影響因素單獨進(jìn)行風(fēng)險分析，很少將二者結(jié)合在一起對管道進(jìn)行風(fēng)險評價。筆者首次引入Bow-tie模型，將風(fēng)險分析中的故障樹和事件樹聯(lián)系起來對管道進(jìn)行風(fēng)險評價。因為傳統(tǒng)的層次分析法在構(gòu)建判斷矩陣時是采用的專家打分法，專家的意見在很多情況下有主觀性，所以其結(jié)果的可信度也就降低了。因此，筆者結(jié)合Bow-tie模型的特點，基于改進(jìn)層次分析法，先根據(jù)Bow-tie模型確定準(zhǔn)則層和評判指標(biāo)層的影響因素，再建立判斷矩陣，計算得出各因素的權(quán)重分配并排序，以期客觀準(zhǔn)確地辨識管道的薄弱環(huán)節(jié)并確定事故后果嚴(yán)重性，為制定科學(xué)合理的風(fēng)險緩解措施提供依據(jù)。

1  Bow-tie模型

 1979年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)首次提出了Bow-tie模型，殼牌石油公司最開始將其用于商業(yè)實踐。因為該模型具有直觀、簡明的特點，近年來被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外石油安全領(lǐng)域的風(fēng)險分析與安全管理。

 Bow-tie模型是將故障樹分析方法和事件樹分析方法融合為一體，全面分析某一事件的發(fā)生原因和事故后果的事故建模方法。圖1為該模型主要組成部分，分別為事故危險源、預(yù)防措施、頂上事件、恢復(fù)措施和事故結(jié)果。預(yù)防措施即為了預(yù)防事故發(fā)生而存在的，而頂上事件就是指事故本身，恢復(fù)措施是指事故發(fā)生后有關(guān)部門為了降低損失而采取的應(yīng)急搶險舉措或者為了恢復(fù)正常而采取的辦法，結(jié)果是指事故發(fā)生后對周邊的影響。而預(yù)防措施和恢復(fù)措施共同構(gòu)成了安全屏障，從事故源頭到末端控制事故發(fā)生及后果。

由圖1可以看出，建立某一事故的Bow-tie模型主要分為兩步：第一步通過危險源辨識建立以事故的發(fā)生為頂上事件的故障樹，這一過程稱為故障樹分析，從而得到該事故Bow-tie模型的左半部分；第二步根據(jù)事故發(fā)生后可能的結(jié)果來建立事故發(fā)生的事件樹，這一過程稱為事件樹分析，從而得到該事故Bow-tie模型的右半部分。

 可以看出，該方法能讓人們準(zhǔn)確直觀的分析事故發(fā)生的起因和后果，并能幫助人們在事故發(fā)生前后分別采取有效的措施來預(yù)防事故發(fā)生及控制事故后果。

2  改進(jìn)層次分析法

2.1  改進(jìn)層次分析法與層次分析法比較

 層次分析法和改進(jìn)的層次分析法都是把所研究的問題層次化，每個層次分解為不同的要素，形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較重要度構(gòu)造判斷矩陣，通過計算得到指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行風(fēng)險分析。

 二者不同的是，層次分析法一般采用采用9標(biāo)度法建立判斷矩陣，專家的主觀因素占主導(dǎo)地位，得出的結(jié)果有時會與實際的結(jié)果偏離，從而對最后的決策產(chǎn)生較大的影響。同時，傳統(tǒng)層次分析法還有另外一個弊端，就是在進(jìn)行矩陣一致性檢驗時，如果判斷矩陣不具有一致性，需要進(jìn)行多次的調(diào)整才能滿足要求，因此對于組成因素較多，層次比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，無疑增加了計算量。

 改進(jìn)的層次分析法區(qū)別于層次分析法的根本在于它采用3標(biāo)度法建立初始矩陣，這使得專家更容易判斷哪個因素更重要并做出決策，同時不需要進(jìn)行一致性檢驗。此外，該方法中迭代次數(shù)也隨之減少，收斂速度也隨之提高，使結(jié)果更加精確。

2.2  改進(jìn)層次分析法的步驟

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2)建立比較矩陣A。匯總專家評分，采用三標(biāo)度法，每組指標(biāo)兩兩比較得出相對重要度，進(jìn)而得出比較矩陣：

 所以有A。=1或Aj=1。

3)計算重要性排序指數(shù)r．。重要性排序指數(shù)r．的計算公式為：

 式中：r．為矩陣A中第i行各因素之和。取rmax=max{r．)，r。i。=min{r)。

4)計算得出判斷矩陣B。，其元素bi按照以下算法計算得出：

 9)總排序。利用單層次排序結(jié)果進(jìn)行總層次排序。例如若一級指標(biāo)權(quán)重為o，其下二級指標(biāo)因素的權(quán)重分別為（W，W：，…，W。）T，則這些二級指標(biāo)因素在總層次中的權(quán)重分別為aW。（i=1，2，…，n）。按照此方法得到各個因素的最終排序。

3  城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險分析

 取我國東部某城市的輸油管道進(jìn)行案例分析，該管道1986年投產(chǎn)，輸送介質(zhì)為輕質(zhì)原油，采用地埋方式敷設(shè)，管道外壁防腐層采用石油瀝青布防腐，管道地處的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)于1984年批準(zhǔn)成立，沿線常住人口近80萬人。

3.1Bow-tie模型的建立

完成現(xiàn)場資料采集之后，建立相應(yīng)的Bow-tie模型，如圖3。

該模型中故障樹事件表，如表1所示。

3.2事故后果指標(biāo)體系的建立

3.2.1  城鎮(zhèn)輸油管道失效指標(biāo)體系

根據(jù)3.1中建立的Bow-tie模型，對基本事件進(jìn)行歸類，可以構(gòu)造出層次分析模型，如圖4。

3.2.2  城鎮(zhèn)輸油管道泄漏后果指標(biāo)體系

基于Bow-tie模型右端的事故發(fā)展趨勢，結(jié)合實際事故現(xiàn)場的周邊環(huán)境，城鎮(zhèn)輸油管道一旦泄漏會給人員、財產(chǎn)、環(huán)境帶來不同程度的影響，因此從這三個方面分析，建立事故后果指標(biāo)體系，如圖5。

3.3計算權(quán)重

參照上文2.2改進(jìn)層次分析法的計算步驟，再結(jié)合專家打分，層層遞進(jìn)，計算每個指標(biāo)的權(quán)重，并排序，由于篇幅所限，涉及指標(biāo)眾多且復(fù)雜，直接給出計算結(jié)果，即每個因素的權(quán)重值，如表2、表3所示。

 由表2可知，一級指標(biāo)中，第三方因素占主要作用；二級指標(biāo)中，自然災(zāi)害、施工因素、防腐層狀況以及最小覆土厚度四個因素權(quán)重大。據(jù)統(tǒng)計，由于該城市推廣城市規(guī)劃建設(shè)，管道上方施工頻繁，再加上市政管道、排水暗渠等與管道交叉敷設(shè)，使管道防腐層破壞嚴(yán)重，各因素評價結(jié)果與實際情況相符，說明該方法有一定的實用價值�？傊�，從此表可以清楚的了解影響城鎮(zhèn)輸油管道泄漏的主要因素和次要因素，便于相關(guān)部門制定風(fēng)險緩解措施，給管道的安全管理提出合理意見。

 由表3可知，一級指標(biāo)中安全后果和環(huán)境后果較為嚴(yán)重；二級指標(biāo)中人員死亡、大氣污染和地下水污染為主導(dǎo)因素。由于該管道地處人口眾多的城市，又是埋地敷設(shè)，所以一旦泄漏，首先會造成大量的人員傷亡。其次，若油蒸氣達(dá)到爆炸極限發(fā)生爆炸，會造成嚴(yán)重的大氣污染。另外，油品滲漏到土壤，會造成地下水污染，評價結(jié)果與實際相符，再一次驗證了該方法的科學(xué)合理性。

4  結(jié)論

 1) Bow-tie模型綜合故障樹和事件樹兩種分析方法的優(yōu)勢，分析具有雙向性和全面性，不僅可以清晰的找出事故發(fā)生的原因，還可以把事故發(fā)生的后果展現(xiàn)出來，便于后續(xù)風(fēng)險評價研究。

 2)改進(jìn)的層次分析法采用3標(biāo)度法相比較9標(biāo)度法，減少了專家評分的主觀性，使評價結(jié)果更符合實際，并且計算結(jié)果不需要一致性檢驗，大大減少了計算量，對于層次復(fù)雜，影響因素較多的指標(biāo)體系無疑是個好的選擇。

 3)本文將Bow-tie模型和改進(jìn)的層次分析法結(jié)合起來，根據(jù)B ow -tie模型來確定改進(jìn)的層次分析法的各個指標(biāo)，使評判指標(biāo)之間的關(guān)系更清晰，評判結(jié)果更符合客觀實際。