CN110020758B - 天然气输气管道固有危险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气输气管道固有危险评估方法，主要解决现有技术中评估准确性较差的问题。本发明通过采用一种天然气输气管道固有危险评估方法，首先通过事故库，统计管道火灾爆炸事故关键致因，确定可能引发事故的关键因素，然后采取德菲尔法，统计专家意见，利用解释结构模型，将打分结果进行分级处理，确定事故贡献度层级的技术方案较好地解决了上述问题，可用于天然气输气管道固有危险评估中。

Description

天然气输气管道固有危险评估方法

技术领域

本发明涉及一种天然气输气管道固有危险评估方法。

背景技术

随着清洁能源技术的发展，越来越多的天然气输气管道项目已投入建设或生产运行中。由于管道输送的介质为易燃易爆物品，且输气管线一般较长，输送压力较高，一旦发生管线破裂，则会引发火灾爆炸、群体性中毒等重大事故。因此，准确评价管道固有危险度，及时采取针对性预防措施对于天然气输气管道的安全运行至关重要。

蒙德法是英国帝国化学公司在美国道化学公司方法(第三版)的基础上提出的，该方法既肯定了道化学指数法，又在其定量评价的基础上做出了重要的改进和补充，被公认为是一种适合于化工装置的火灾、爆炸、毒性危险程度的评价方法。蒙德法各危险系数的取值是通过参考“建议系数”范围自行确定的，使得评价结果极易受到评价人员水平影响，随意性较大，不利于对于评价结果的科学性和准确性。另外，蒙德法在部分参数设计、补偿系数计算方法上与当前国内天然气输气管道实际情况并不相符，需要加以改进。

解释结构模型(ISM)是一种用于分析复杂社会系统问题的方法，该模型的特点是把复杂的系统分解成若干子系统(要素)，利用实践经验和知识以及电子计算机，将这些子系统(要素)之间凌乱、复杂的关系构成一个清晰的多级递阶系统。

专利CN201410125342.6中设计了一种用于安全评价的改进型蒙德法，通过求取各基本事件的结构重要度大小，确定蒙德法安全评价的系数取值，但该方法中定性信息及数据的来源、质量把握和处理具有较大不确定性，重要度分级及与系数取值的对应关系较为模糊，仍待继续改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中评估准确性较差的问题，提供一种新的天然气输气管道固有危险评估方法，具有评估准确性较好的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种天然气输气管道固有危险评估方法，首先通过事故库，统计管道火灾爆炸事故关键致因，确定可能引发事故的关键因素，然后采取德菲尔法，统计专家意见，利用解释结构模型，将打分结果进行分级处理，确定事故贡献度层级，具体步骤包括：

S1：划分、确定评价单元；

S2：事故关键致因分析，通过事故库，检索、统计已有事故资料，确定可能引发事故的致因因素F1，F2，F3……Fn，形成致因因素集合F；根据致因因素个数，生成关于各要素间关系的评价问卷，利用德菲尔法，从专家库中随机挑选k位远程专家进行在线匿名打分，k＝<20，通过比对、修改、确认，形成统一专家意见；

S3：构建致因层级模型：

(1)将专家意见转换为邻接矩阵T；

(2)建立可达矩阵R；

(3)将可达矩阵R第i列中所有元素为1的行对应的要素组成的集合定义为要素Fi的前因集；

(4)分解可达矩阵，建立层级模型；

S4：固有危险度评价：

(1)确定综合指数D，使用蒙德法，选取物质系数B、特殊物质危险系数M、一般工艺 危险P、特殊工艺危险S、量的危险性Q、布置危险L和毒性危险性T，

(2)综合危险性评分R：在蒙德法已有火灾负荷系数I、单元毒性指数U、爆炸指数E、气体爆炸指数A的基础上，增加周边地区等级指数G，以表征不同地区环境下，相同物质所带来的危险程度高低，

(3)确定补偿系数K，需要根据其实施的安全措施重新评估综合危险度，根据管线管理情况，将补偿系数确定为容器系统K1、单元管理水平K2、物质隔离K3、应急资源与准备K4；补偿系数的取值为各评价分项的平均值；

(4)修正后综合性评分R₁

R₁＝R×K₁×K₂×K₃×K₄

S5：输出评价结果。

上述技术方案中，优选地，在采用蒙德法取值时，对于事故贡献度层级高的，系数取值较高，对于事故贡献度层级较低的，系数取低值。

上述技术方案中，优选地，结合管道工程及风险实际，在蒙德法中，增加所在地区系数，并将补偿系数中的工艺管理与安全态度系数合并为单元管理水平系数，将防火与消防活动合并为应急资源与准备，调整系数范围，且补偿系数计算方法为取各评估分项的平均值。

上述技术方案中，优选地，T＝{a_ij}_nxn，a_ij＝1，表示Fi对Fj有影响；a_ij＝0，表示Fi对Fj无影响。

上述技术方案中，优选地，利用邻接矩阵T加上单位矩阵，运用布尔代数运算，经过至多n-1次运算，如满足(T+1)ⁿ＝(T+1)ⁿ⁺¹，则得到可达矩阵R＝(T+1)ⁿ；将可达矩阵R第i行中所有元素为1的列对应的要素组成的集合定义为要素Fi的可达集R(Fi)。

上述技术方案中，优选地，最高要素集合表示为：H＝{Fj∈N|R(Fj)∩P(Fj)＝R(Fj)}。

上述技术方案中，优选地，以可达矩阵为准则，对系统中所有要素进行层次划分；进行级间划分时，首先确定最高要素，然后划去对应的行和列，然后从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素，以此类推，形成层级模型Lk表示，其中L1，L2，…，Lk表示从上到下的级次，有k个级次的系统，级间划分Ln可表示为：Ln＝[L1，L2，…，Lk]，K值越低，代表事故贡献度越高，一旦发生，具有极大可能引发事故，其对应评价过程中系数取值越高；K值越高，则代表事故贡献度相对较小，其对于事故的发生主要以潜在影响为主，对应评价过程中系数取值适当降低。

上述技术方案中，优选地，层级模型中致因因素共分为三级，其中异常压力、管道缺陷、腐蚀、操作不当和外部破坏为引发事故的一级致因，也就是直接原因，事故贡献度高，日常管理与地区环境为三级致因，也就是根本原因，对于事故主要起潜在影响。

本发明提供一种通过求取各致因因素事故贡献度大小，确定系数取值范围，且指标体系贴合实际的天然气管道固有危险度评价系统，该系统能够便捷、准确的完成天然气管道固有危险性评价，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为评价系统示意图。

图1中，S1-确定评价单元；S2-事故关键致因分析；S3-构建致因层级模型；S4-固有危险性评价；S5-评价结果；1-评价系统；2-事故库；3-致因因素集合F；4-评价问卷；5-专家库；6-统一专家意见；7-邻接矩阵T；8-可达矩阵R；9-层级模型L；10-综合指数D；11-综合危险性评分R；12-确定补偿系数K。

图2为层级模型示意图。

图2中，F1-异常压力，F2-管道缺陷；F3-腐蚀侵蚀；F4-操作不当；F5-外部破坏，F6-承压能力，F7-内部压力，F8-施工缺陷，F9-原始缺陷，F10-材料抗腐蚀性，F11-管道维护与检测，F12-人为破坏，F13-自然因素破坏，F14-地区环境，F15-巡线频率，F16-日常管理，F17-管线失效。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

一种天然气输气管道固有危险评估方法，如图1所示，本方法首先通过事故库，统计管道火灾爆炸事故关键致因，确定可能引发事故的关键因素。然后采取德菲尔法，统计专家意见，利用解释结构模型，将打分结果进行分级处理，确定事故贡献度层级。在采用蒙德法取值时，对于事故贡献度层级高的，系数取值较高，对于事故贡献度层级较低的，系数可取低值。另外结合当前国内管道工程及风险实际，在蒙德法中，增加所在地区系数，并将补偿系数中的工艺管理与安全态度系数合并为单元管理水平系数，将防火与消防活动合并为应急资源与准备，调整了系数范围。具体实施步骤如下：

S1：划分、确定评价单元。

S2：事故关键致因分析。通过事故库2，检索、统计已有事故资料，确定可能引发事故的致因因素F1，F2，F3……Fn，形成致因因素集合F。根据致因因素个数，生成关于各要素间关系的评价问卷，利用德菲尔法，从专家库中随机挑选k位远程专家进行在线匿名打分，k＝<20，通过比对、修改、确认，形成统一专家意见。

S3：构建致因层级模型。

(1)将专家意见转换为邻接矩阵T。T＝{a_ij}_nxn，a_ij＝1，表示Fi对Fj有影响；a_ij＝0，表示Fi对Fj无影响。

(2)建立可达矩阵R。利用邻接矩阵T加上单位矩阵，运用布尔代数运算，经过至多(n-1)次运算，如满足(T+1)ⁿ＝(T+1)ⁿ⁺¹，则得到可达矩阵R＝(T+1)ⁿ。将可达矩阵R第i行中所有元素为1的列对应的要素组成的集合定义为要素Fi的可达集R(Fi)。

(3)将可达矩阵R第i列中所有元素为1的行对应的要素组成的集合定义为要素Fi的前因集。最高要素集合可表示为：

H＝{Fj∈N|R(Fj)∩P(Fj)＝R(Fj)}

(4)分解可达矩阵，建立层级模型。以可达矩阵为准则，对系统中所有要素进行层次划分。进行级间划分时，首先确定最高要素，然后划去对应的行和列，然后从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素，以此类推，形成层级模型Lk表示，其中L1，L2，…，Lk表示从上到下的级次，有k个级次的系统，级间划分Ln可表示为：Ln＝[L1，L2，…，Lk]，K值越低，代表事故贡献度越高，一旦发生，具有极大可能引发事故，其对应评价过程中系数取值越高；K值越高，则代表事故贡献度相对较小，其对于事故的发生主要以潜在影响为主，对应评价过程中系数取值可适当降低。

S4：固有危险度评价。

(1)确定综合指数D。使用蒙德法，选取物质系数B、特殊物质危险系数M、一般工艺危险P、特殊工艺危险S、量的危险性Q、布置危险L和毒性危险性T，系数选取过程中，参考事故贡献层级划分，结合实际，选取对应范围系数。一般将层级与系数范围按相同比例对应，如致因因素层级共为3级，则将系数范围3等分与之呼应。

(2)综合危险性评分R。在蒙德法已有火灾负荷系数I、单元毒性指数U、爆炸指数E、气体爆炸指数A的基础上，增加周边地区等级指数G，以表征不同地区环境下，相同物质所带来的危险程度高低。G的取值范围如下表。

周边地区等级指数表

(3)确定补偿系数K。为了取得更接近实际的评价结果，需要根据其实施的安全措施重新评估综合危险度。根据国内管线管理情况，将补偿系数确定为容器系统K1、单元管理水平K2、物质隔离K3、应急资源与准备K4。

管理水平、应急资源与准备的具体评价项目如下：

补偿系数Kn的取值为各评价分项的平均值。

(4)修正后综合性评分R₁

R₁＝R×K₁×K₂×K₃×K₄

S5：输出评价结果。

以我国西部某180KM的天然气输气管线作为评价单元，进行评价示例说明。

S1：确定评价单元，即某180Km的天然气输气管线。

S2：事故关键致因分析。通过事故库2，检索、统计已有事故资料，确定可能引发管道事故的致因因素包括F1-异常压力，F2-管道缺陷；F3-腐蚀侵蚀；F4-操作不当；F5-外部破坏，F₆-承压能力，F₇-内部压力，F₈-施工缺陷，F9-原始缺陷，F10-材料抗腐蚀性，F11-管道维护与检测，F12-人为破坏，F13-自然因素破坏，F14-地区环境，F15-巡线频率，F16-日常管理，F17-管线失效，形成致因因素集合F。根据致因因素个数，生成关于各要素间关系的评价问卷，从专家库5中随机挑选10位远程专家进行在线匿名打分，通过比对、修改、确认，形成统一专家意见。

S3：构建致因层级模型。

(1)将专家意见转换为邻接矩阵T。

(2)建立可达矩阵R。

(3)分解可达矩阵，建立层级模型。如图2所示。

模型中致因因素共分为三级，其中异常压力、管道缺陷、腐蚀、操作不当和外部破坏为引发事故的一级致因，也就是直接原因，事故贡献度高，日常管理与地区环境为三级致因，也就是根本原因，对于事故主要起潜在影响。

S4：固有危险度评价。

(1)确定综合指数D。

①物质系数B：评价单元的输送物质为天然气，天然气主要成分为甲烷，其燃烧热为890.3kJ/mol，则计算得甲烷物质系数为2.1。

②特殊物质危险系数M：根据物质混合与扩散特性的危险系数表，甲烷危险性系数为-20；根据物质着火灵敏度危险性系数选取表，甲烷着火敏感性危险系数为-5；根据特殊物质危险性系数表，天然气爆炸的分解性危险系数为125。由此，可得特殊物质危险值M＝100。

③一般工艺危险P：天然气在管道中呈高速流动状态，根据一般工艺过程危险性系数表，得一般工艺危险系数为50。

④特殊工艺危险S：

高压：该单元运行压力约为6MPa，根据高压系数图，求得高压系数为79。

腐蚀侵蚀：通过分析得知，腐蚀侵蚀是引发管道事故的主要原因，事故贡献度较高，因此选取系数范围应当为100-150，考虑到管理所处环境和日常管理情况，故取130。

振动：外部因素是管路产生振动，会增大装置疲劳，考虑到事故致因中，振动为二级致因，长期积累会导致事故发生，再加上管路所处地区条件，选取系数为30。

S＝239

⑤量的危险性Q

该段管道内，天然气质量为16.78t，对照表取Q值为55。

⑥毒性危险性T，根据国际化学品安全卡手册，甲烷的TLV值为0.001，因此天然气的TLV危险系数为10,；在工艺操作条件下，天然气存在高压，查表可得，毒性危险系数为35。

⑥布置系数L，结合实际情况，布置系数取0。

最终得到

查询DOW/ICI总指标D值范围及危险程度表，风险程度属于轻度风险。

(2)综合危险性评分R。

①火灾负荷系数I，

其中K为单元中可燃物料总量，N为单元通常作业区域。根据管道实际，计算得火灾负荷系数为3.1。

②爆炸指数E

得出E为16.89

③单元毒性指数U，U＝TE/100，U为5.91。

④气体爆炸指数A

其中，m为物质的混合与扩散特性系数，H为单元高度，t为工程温度。计算得气体爆炸指数为24.75，属于低爆炸风险。

⑤周边地区等级指数G，根据实际情况，G取1.5。

查询总危险性系数R值表，可知为低风险。

(3)确定补偿系数K。为了取得更接近实际的评价结果，需要根据其实施的安全措施重新评估综合危险度。根据国内管线管理情况，将补偿系数确定为容器系统K1、单元管理水平K2、物质隔离K3、应急资源与准备K4。

根据管道实际，根据评价标准，计算K1为0.92，K2为0.93，K3为0.925，K4为0.95。S5：输出评价结果。

R₁＝R×K₁×K₂×K₃×K₄＝21.11，低风险。

【对比例】

以我国西部某180KM的天然气输气管线作为评价单元，选用传统蒙德法进行评价。

(1)确定综合指数D。

①物质系数B：评价单元的输送物质为天然气，天然气主要成分为甲烷，其燃烧热为890.3kJ/mol，则计算得甲烷物质系数为2.1。

②特殊物质危险系数M：根据物质混合与扩散特性的危险系数表，甲烷危险性系数为-20；根据物质着火灵敏度危险性系数选取表，甲烷着火敏感性危险系数为-5；根据特殊物质危险性系数表，天然气爆炸的分解性危险系数为125。由此，可得特殊物质危险值M＝100。

③一般工艺危险P：天然气在管道中呈高速流动状态，根据一般工艺过程危险性系数表，得一般工艺危险系数为50。

④特殊工艺危险S：

高压：该单元运行压力约为6MPa，根据高压系数图，求得高压系数为79。

腐蚀侵蚀：根据该管线腐蚀相关记录进行主观判断，系数范围为50-150。

振动：依据管路所处地区条件，系数范围为30-50。

S＝129-279

⑤量的危险性Q

该段管道内，天然气质量为16.78t，对照表取Q值为55。

⑥毒性危险性T，根据国际化学品安全卡手册，甲烷的TLV值为0.001，因此天然气的TLV危险系数为10,；在工艺操作条件下，天然气存在高压，查表可得，毒性危险系数为35。

⑥布置系数L，结合实际情况，布置系数取0。

最终得到

查询DOW/ICI总指标D值范围及危险程度表，风险程度属于缓和或轻度风险。

(2)综合危险性评分R。

①火灾负荷系数I，

其中K为单元中可燃物料总量，N为单元通常作业区域。根据管道实际，计算得火灾负荷系数为3.1。

②爆炸指数E

得出E为16.89

③单元毒性指数U，U＝TE/100，U为5.91。

④气体爆炸指数A

其中，m为物质的混合与扩散特性系数，H为单元高度，t为工程温度。计算得气体爆炸指数为24.75，属于低爆炸风险。

⑤

查询总危险性系数R值表，可知为低风险。

(3)确定补偿系数K。为了取得更接近实际的评价结果，需要根据其实施的安全措施重新评估综合危险度。根据国内管线管理情况，将补偿系数确定为容器系统K1、工艺管理K2、安全态度K3、防火K4、隔离K5。其中，安全态度K3中的具体评价项较难找到评价支撑依据，仅能通过主观判断。各补偿系数取值为具体评价项之积。

根据管道实际，计算K1为0.77，K2为0.78，K3为0.77，K4为0.86，K5为0.85。

(4)输出评价结果。

R₁＝R×K₁×K₂×K₃×K₄＝6.63～10.25，该管道火灾爆炸风险等级为缓和，不需进行改进。

根据该管线日常检查结果及管线管理方、专家团队评判，认为本专利所述方法的评价结果较之于传统蒙德法更贴合实际。分析认为二者差异在于：

①传统蒙德法部分指标选取范围较为宽泛，使得评估风险等级可能存在误差。

②传统蒙德法未考虑地区因素影响。

③传统蒙德法在补偿系数指标设定上，不符合国内管理实际，存在部分指标难以判断。

④传统蒙德法补偿系数计算方式较为理想，与国内实际不符，极易导致评估风险值偏低。

本发明提供一种通过求取各致因因素事故贡献度大小，确定系数取值范围，且指标体系贴合实际的天然气管道固有危险度评价系统，该系统能够便捷、准确的完成天然气管道固有危险性评价，取得了较好的技术效果。

Claims (8)

1.一种天然气输气管道固有危险评估方法，首先通过事故库，统计管道火灾爆炸事故关键致因，确定可能引发事故的关键因素，然后采取德菲尔法，统计专家意见，利用解释结构模型，将打分结果进行分级处理，确定事故贡献度层级，具体步骤包括：

S1：划分、确定评价单元；

S2：事故关键致因分析，通过事故库，检索、统计已有事故资料，确定可能引发事故的致因因素F1，F2，F3……Fn，形成致因因素集合F；根据致因因素个数，生成关于各要素间关系的评价问卷，利用德菲尔法，从专家库中随机挑选k位远程专家进行在线匿名打分，k＝<20，通过比对、修改、确认，形成统一专家意见；

S3：构建致因层级模型：

(1)将专家意见转换为邻接矩阵T；

(2)建立可达矩阵R；

(3)将可达矩阵R第i列中所有元素为1的行对应的要素组成的集合定义为要素Fi的前因集；

(4)分解可达矩阵，建立层级模型；

S4：固有危险度评价：

(1)确定综合指数D，使用蒙德法，选取物质系数B、特殊物质危险系数M、一般工艺危险P、特殊工艺危险S、量的危险性Q、布置危险L和毒性危险性T，

(2)综合危险性评分R：在蒙德法已有火灾负荷系数I、单元毒性指数U、爆炸指数E、气体爆炸指数A的基础上，增加周边地区等级指数G，以表征不同地区环境下，相同物质所带来的危险程度高低，

其中，1级地区G取值为1，1级地区指2km×400m范围内的住户低于15户，2级地区G取值为1.5，2级地区指2km×400m范围内的住户为15～100户，3级地区G取值为2，3级地区指2km×400m范围内的住户大于100户，4级地区G取值为2.5，4级地区指2km×400m范围内聚集有四层及四层以上建筑物；

(3)确定补偿系数K，需要根据其实施的安全措施重新评估综合危险度，根据管线管理情况，将补偿系数确定为容器系统K1、单元管理水平K2、物质隔离K3、应急资源与准备K4；补偿系数的取值为各评价分项的平均值；

(4)修正后综合性评分R1

R1＝R×K1×K2×K3×K4

S5：输出评价结果。

2.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于在采用蒙德法取值时，若事故贡献度层级升高，则系数取值升高，若事故贡献度层级降低，则系数取值降低。

3.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于结合管道工程及风险实际，在蒙德法中，增加所在地区系数，并将补偿系数中的工艺管理与安全态度系数合并为单元管理水平系数，将防火与消防活动合并为应急资源与准备，调整系数范围，且补偿系数计算方法为取各评估分项的平均值。

4.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于T＝{aij}_n×n，aij＝1，表示Fi对Fj有影响；aij＝0，表示Fi对Fj无影响。

5.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于利用邻接矩阵T加上单位矩阵，运用布尔代数运算，经过至多n-1次运算，如果满足(T+1)ⁿ＝(T+1)ⁿ⁺¹，则得到可达矩阵R＝(T+1)ⁿ；将可达矩阵R第i行中所有元素为1的列对应的要素组成的集合定义为要素Fi的可达集R(Fi)，将可达矩阵R第i列中所有元素为1的行对应的要素组成的集合定义为要素Fi的前因集P(Fi)。

6.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于最高要素集合表示为：H＝{Fi∈N|R(Fi)∩P(Fi)＝R(Fi)}，N表示满足R(Fi)∩P(Fi)＝R(Fi)条件的要素集合。

7.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于以可达矩阵为准则，对系统中所有要素进行层次划分；进行级间划分时，首先确定最高要素，然后划去对应的行和列，然后从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素，以此类推，形成层级模型Lk表示，其中L1，L2，…，Lk表示从上到下的级次，有k个级次的系统，级间划分Ln可表示为：Ln＝[L1，L2，…，Lk]，K值越低，代表事故贡献度越高，一旦发生，具有极大可能引发事故，其对应评价过程中系数取值越高；K值越高，则代表事故贡献度相对较小，其对于事故的发生主要以潜在影响为主，对应评价过程中系数取值适当降低。

8.根据权利要求1所述天然气输气管道固有危险评估方法，其特征在于层级模型中致因因素共分为三级，其中异常压力、管道缺陷、腐蚀、操作不当和外部破坏为引发事故的一级致因，也就是直接原因，事故贡献度高，日常管理与地区环境为三级致因，也就是根本原因，对于事故主要起潜在影响。

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