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浙江工业大学硕士学位论文 杭州市管道燃气安全评价研究 摘要 随着杭城经济的快速发展，管道燃气的应用日益广泛，已遍及城区大街小巷，由于 城市管道燃气易燃、易爆的特性，所以具有很大的危险性。杭州市部分燃气管道己运行 二十多年，随着管道的老化、腐蚀的加剧，城市燃气管网安全问题已成为燃气行业所面 临的重要课题，因此，对杭州市管道燃气安全评价开展研究具有重要现实意义。论文的 主要工作如下： ( 1 ) 在深入调查和大量文献资料的基础上，针对杭州市管道燃气安全现状，从自然 环境、城市建设特点、历史抢修数据、企业安全运营现状等方面分析，明确施工质量缺 陷、外单位施工破坏、管网老化、隐患整治不及时、违章占压等六方面的原因导致杭州 管道燃气事故的频繁发生。 ( 2 ) 通过比较典型安全评价方法对城市燃气管网的适用性，确定了杭州管道燃气安 全评价的方法；建立了燃气事故火灾爆炸故障树分析，全面辨识导致管道燃气事故的所 有环节和基本因素，给出了控制管道燃气事故的措施。 ( 3 ) 以k e n t 专家评估指标法为基础，根据城市燃气管网的特点，剖析了k e n t 专家 评估指标法应用于城市燃气管网安全评价时存在的问题，阐述了杭州燃气管网安全评价 系统的建模方法。 ( 4 ) 规划杭州燃气管网安全评价系统，分析内外需求，明确系统总体设计目标，并 对系统功能模块进行了设计。 关键词杭州管道燃气，安全评价，系统建模与规划，研究 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f s a f e t ya s s e s s m e n tf o r h a n g z h o up i p e l i n eg a s a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nh a n g z h o u , p i p e l i n eg a si sw i d e l yu s e da n dh a s b e e na l lo v e rt h ec i t ys t r e e t s b e c a u s eo ft h ef l a m m a b l ea n de x p l o s i v ec h a r a c t e r i s t i c so fc i t y p i p e l i n eg a s ，i th a sas i g n i f i c a n tr i s k p a r to ft h eg a sp i p e l i n ei nh a n g z h o uh a sb e e nn m n i n g m o r et h a nt w e n t yy e a r s ，w i t l lt h e 硒i 培p i p e sa n di n c r e a s i n gc o r r o s i o n , t h es e c u r i t yp r o b l e m o fc i t yg a sn e t w o r kh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ef a c e di nt h eg a si n d u s t r y t h e r e f o r e ， r e s e a r c h i n g o n g a sp i p e l i n es a f e t y a s s e s s m e n to f h a n g z h o uh a si m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h em a i np a p e r sa lea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ei n d e p t hi n v e s t i g a t i o na n de x t e n s i v el i t e r a t u r es u r v e y ，i n i t i a l l ya n a l y z e s t h ec a u s e so fa c c i d e n ti nh a n g z h o ug a sp i p e l i n e ( 2 ) b yc o m p a r i n gt h et y p i c a l s a f e t ya s s e s s m e n to fc i t yg a sn e t w o r ka p p l i c a b i l i t y , d e t e r m i n e st h eg a sp i p e l i n es a f e t ya s s e s s m e n to fh a n g z h o u ；e s t a b l i s h e sag a sa c c i d e n tf a u l t t r e ea n a l y s i so nf i r ea n d e x p l o s i o np u t sf o r w a r ds o m em e a s u r e st oc o n t r o lt h eg a sa c c i d e n t ( 3 ) b a s e do nk e n te x p e r to ft h ei n d i c a t o rm e t h o d ，e s t a b l i s h e sc i t yg a sp i p e l i n es a f e t y a s s e s s m e n tm o d e l ( 4 ) p l a n st h eh a n g z h o ug a sp i p e l i n es a f e t ya s s e s s m e n ts y s t e m ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g n o f s y s t e mf u n c t i o n s k e y w o r d s ：p i p e l i n eg a s ，s a f e t ya s s e s s m e n t , s y s t e mm o d e l i n ga n dp l a n n i n g i l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着国家经济建设的不断发展，全国城市燃气管网的建设也在快速发展，管道燃气 是城市燃气发展的方向，城市燃气管网是城市的基础设施之一。目前我国6 0 的大城市 都埋设了大量的燃气管道，并且大部分城市的燃气管道已运行了2 0 多年，因材质腐蚀 老化、外单位施工破坏、政府与企业管理不到位等原因造成的燃气事故频发，甚至导致 火灾、爆炸，严重危及城市的公共安全。因此，对城市燃气系统进行系统安全评价，减 少燃气事故造成的损失，提高燃气系统的安全运营水平成为燃气行业所面临的重要课 题。 国内外一些专家和企业正致力于城市燃气管道的安全评价技术和应用系统的研究。 而城市燃气管道的风险构成是一个包含众多因素和复杂内在关联的体系，因此，深入分 析杭州城市燃气管网系统发生各项事故的原因，根据杭州管道燃气自身的实际情况选取 适当的评价方法，建立合理模型和参数，并开发完善城市燃气管网安全评价系统，具有 非常重要的现实意义。通过评价系统可以预测系统发生事故的概率，帮助改进和降低事 故发生的可能性，给政府部门和燃气企业提供合理预防信息及合理建议，进行最佳运行 控制和提高对设备的可信度，从而带来较大的安全效益和经济效益，促进城市整体安全 水平不断提高。 1 2 文献综述 1 2 1国外燃气管网安全评价的现状 风险评估技术最早出现在上世纪3 0 年代，由美国保险业为衡量保险公司所承担的 风险程度而形成的风险评价( 1 】。1 9 8 0 年，美国风险分析协会( t h es o c i e t yf o rr i s k a n a l y s i s ，s r a ) 成立，是风险评估历史上的一个里程碑，从那时起，风险评估逐渐广 泛地用于航天航空、石油化工、金融电子等多个领域【2 1 。 1 9 6 4 年，美国道化学公司开发出“火灾、爆炸危险指数评价法”，它以工艺单元重 要危险物质在标准状态下得火灾、爆炸或释放出危险性潜在能力的大小为基础，同时考 浙江工业大学硕士学位论文 虑工艺过程的危险性，计算工艺单元火灾爆炸指数，确定危险等级，并确定安全对策措 施。道化学公司先后修订六次，使评价方法日趋科学合理，在世界工业界得到一定程度 的应用【1 1 。 2 0 世纪7 0 年代，欧美等工业发达国家在二战后兴建大量油气长输管道已进入老龄 期，各种事故频发，美国开始借鉴经济学和其他工程领域中的风险分析技术来评价油气 管道的风险性，以期最大限度地减少油气管道事故发生率和尽可能延长重要干线管道的 使用寿命，合理地分配有限的管道维护费用【3 1 。1 9 9 2 年，美国w k m 咨询公司总裁 w k e n t m u h l b u c e r 在他主编的管道风险管理手册中总结了美国近2 0 年开展油气管 道风险评价技术研究工作的成果，详细论述了管道风险评价的专家评分模型，为世界各 国普遍接受而作为开发风险评价系统的依据1 4 【5 1 。 经过几年的发展和应用，目前许多国家已经逐步建立起针对城市燃气管网的安全评 价体系。英国通过统计分析大量管道资料及进行灾害模拟实验，在对天然气管道的危害 因素进行概率分析和事故后果量化的基础上，建立了输气管道定量风险评价技术。加拿 大也成功开发了管道维护和检测的风险分析软件包，用于管道的失效概率分析、失效后 果和总风险计算 6 1 7 1 。 随着科技的发展，新方法、新技术也应用于管道风险分析研究中，地理信息系统 ( g i s ) 具有良好的空间显示能力而应用于城市管道安全管理领域，目前广泛应用于美 国、挪威等国家隅 1 9 j 。 1 2 2 国内燃气管网安全评价现状 我国在城市燃气管网安全评价方面的研究较晚，从事这方面技术研究的带头人是著 名油气储运专家潘家华教授。他于1 9 9 5 年的油气储运杂志上介绍了美国w k e n t m u h l b a u e r 的管道风险专家评分法，引起国内储运界的广泛关注【2 4 1 。近几年，国内一些 学者、企业也不断地提出了许多适用有效的评估方法。他们在借鉴国外研究成果的基础 上，综合运用专家评估法、事故树法和模糊数学等多种分析方法，建立了长输石油管道 风险评估体系，提出了一整套切实可行的方法【8 】。 在应用领域，2 0 0 0 年西南石油学院和中国石油西南油气田分公司联合研制开发的 “输气管线风险评价软件 ，在重庆达卧输气管道成功地进行全线的风险分析与评价。 这标志着目前国际上通用的评分体系法已在我国现役输气管道上达到了实际应用水平。 由中国石油天然气集团公司石油管材所、中国石油管道公司和四川石油管道局联合开展 浙江工业大学硕士学位论文 的管道安全评价技术研究，已经取得了多项科研成果，建立了在役油气管道安全评价的 基本模型和技术方法，开发了管道安全数据库系统的评价软件程序。该技术在国内多条 油气管道上进行了剩余强度和剩余寿命的定量预测评价工作，效果显著，为在役油气管 道的检测，维修和更换提供了科学依据。在城市燃气管网安全评价方面的应用，由广州 市煤气公司、武汉安耐捷科技工程有限公司、华南理工大学联合开展的广州地下燃气钢 质管网安全评估体系研究，取得了国内领先水平，上海、北京、成都等城市都开展了相 关的系统开发与应用工作。 1 2 3国内燃气管网安全评价研究的发展方向 k e n t 专家评估指标法是一种被国际认可的在国内外都被广泛应用的行业标准，属于 已经成熟的技术，但该方法的建立是基于美国管道系统和美国的实际环境与条件，它更 多的被成熟应用于长输管线的安全评价，城市燃气管网不同于油气长输管线，其遍及城 市中心的大街小巷，涉及管网规划、管道设计、第三方破坏等燃气管道风险影响因素也 较长输管线多许多，而且每个城市环境各不相同，燃气管道特性也有所不同，加之我国 城市燃气管道建设初期并没有保留相应的数据资料，导致进行安全评价研究的资料大量 缺失，投入使用后的管道运行工况主要由人工记录，这些客观因素增加了建立城市燃气 管道安全评价方法和模型的难度，削弱了管道安全评价的效用性和准确性、科学性。 现阶段，城市燃气管网安全运营的现状是一方面一些管网由于没有及时维护而发生 泄漏造成不可挽回的损失，另一方面企业有限的管网维护资金投入没有有效地、有计划 的进行安排造成浪费。然而，在城市燃气管网安全评价方面的研究仍限定在某一特定方 面安全问题的研究，尚未形成系统、完整的安全评价技术【l o l 。当前我国正在逐步建立针 对城市燃气管网实际的安全评价技术标准，信息数据库标准和城市燃气管网安全性的工 程技术体系，城市燃气管网安全评价研究也在向系统性和全局整体性方向发展，这些研 究的发展需要有关的专家和燃气企业不懈的努力，紧跟国外的最新研究成果，不断进行 基础性数据的积累，结合城市实际情况不断修正方法和模型，提高安全评价的科学性和 准确性。 1 3 本文研究主要内容 通过对国内外安全评价发展进程的回顾与分析，结合杭州市燃气管网系统的实际情 浙江工业大学硕士学位论文 况，选择适合杭州管道燃气自身特点的安全评价方法，建立燃气火灾爆炸事故的故障树 分析，辨识燃气管网系统各环节的风险因素，同时以k e n t 专家评估指标法为理论基础， 结合模糊数学、风险矩阵等理论方法，建立杭州市燃气管网系统安全评价模型，并规划 了燃气管网安全评价系统，对系统功能进行了设计，主要研究内容有： ( 1 ) 分析杭州市管道燃气安全现状，在全面剖析杭州管道燃气系统的基础上，从城 市自然环境、城市建设特点、历年事故抢修数据以及典型案例等方面分析，明确导致燃 气事故的主要原因有施工质量缺陷、外单位施工破坏、管网老化、隐患整治不及时、违 章占压等六个方面。 ( 2 ) 构建燃气事故故障树，给出控制管道燃气安全风险的措施。分析比较典型的安 全评价方法，根据城市燃气管网的特点，结合杭州市自身实际情况，选定适合杭州城市 管道燃气自身特点的安全评价方法。以控制城市管道燃气安全风险为研究思路，对管道 燃气系统的火灾、爆炸事故进行故障树分析，深入分析导致燃气事故的各个环节，全面 识别导致燃气管网事故的基本事件，并给出控制管道燃气安全风险的措施。 ( 3 ) 建立杭州燃气管网安全评价系统的模型。以k e n t 专家评估指标法为理论基础， 剖析了k e n t 专家评估指标法应用于城市燃气管网安全评价时存在的问题，根据杭州城市 燃气管网的特点，结合概率统计、风险矩阵、模糊数学等理论方法，阐述建立杭州燃气 管网安全评价系统模型的方法。 ( 4 ) 对杭州燃气管网安全评价系统进行规划。分析了系统的内外需求，明确系统的 总体设计目标，规划了杭州市燃气管网安全评价系统，对系统功能进行了设计。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章杭州市管道燃气安全现状分析 2 1 城市燃气输配系统 城市燃气输配系统是复杂的综合性设施，主要由以下五部分组成i l l l ： ( 1 ) 燃气管网，包括燃气管道和管道上的附属设备。按照压力制级分为低压燃气 管道、中压燃气管道和高压燃气管道，燃气管网是城市燃气输配系统的主要组成部分， 也是本文重点研究的对象。 ( 2 ) 城市燃气门站、储配站或压送机站。 ( 3 ) 调压计量站或区域调压站、调压装置、计量撬。 ( 4 ) 用户管道、用户专用调压站、计量表和燃气器具。 ( 5 ) 运行监控、数据采集及辅助系统。 2 2 杭州市管道燃气输配系统概述 借助杭城天然气接纳和城市建设进程加快的有利时机，杭州市大力推进天然气利用 工程建设和用户市场的开拓。近几年新增道路燃气管网数在1 0 0 公里年以上，新增燃 气用户数在4 万户年以上。到目前为止，已实现了较为完备的燃气管道输配设施，如 图2 1 所示。 建成并投运北门站、南门站、下沙门站3 座城市门站，供气范围覆盖杭城5 大主城 区和滨江区，同时已建成并投运星桥、良渚、留祥、西郊、临平5 座高中压调压计量站 以及康桥1 座储配站，此外杭州正在投资建设东西两座l n g 应急储配站，储气能力将达 9 0 0 万方。 截至2 0 1 0 年6 月，使用管道天然气的居民用户达4 6 万余户，工业、公建用户1 1 l o 家；累计管道燃气销售量超过1 2 6 亿立方。 目前杭州市运营与建设的燃气管道总长达3 5 0 0 公里以上，各压力级制管网概况如 下： ( 1 ) 高压天然气管道全长7 0 k m ，主要沿饶城高速敷设，设计压力4 0 m p a ，运行 压力3 5 m p a ，管道材质为钢管，采用三层p e ，并加牺牲阳极电保护，目前为支状供应， 浙江工业大学硕士学位论文 有4 个门站，1 1 个高中压调压站； ( 2 ) 中压a 管道8 0 2 5 2 k m ，设计压力为0 4 m p a ，运行压力为0 3 0 m p a ，管材为钢 管，外防腐采用环氧树脂和冷缠胶带，并采用牺牲阳极电保护： ( 3 ) 中压b 管道3 1 4 0 3 k i n ，设计压力有0 4m p a 和o 1 5 m p a ，运行压力0 0 8 3 m p a ， 管材为钢管、铸铁，其中钢管大部分采用牺牲阳极保护，外防腐采用环氧树脂和冷缠胶 带： ( 4 ) 低压管道2 3 6 5 5 7 k m ，设计压力4 9 0 0 p a ，运行2 1 0 0 m p a ，管材有钢管、铸铁 管、p e 管、镀锌管，钢管采用环氧树脂和冷缠胶带做外防腐，大部分钢管采用牺牲阳 极作电保护。 目前，杭州市燃气集团有限公司已开发了生产信息数据采集和监视系统系统，杭州 市燃气管网地理信息系统，g p s 管道巡检系统等。 2 3 杭州市管道燃气安全概况 随着杭州市经济建设的高速发展，城市基础设施不断完善，人民生活水平大幅提高， 推动了城市管道燃气的快速发展，燃气管道和燃气用户在不断的延伸和壮大，由于燃气 管道老化、城市改造等影响，管道燃气泄漏引发火灾、爆炸等事故时有发生，严重危害 到人民群众的生命和财产安全，给燃气公司和社会带来巨大的经济损失，也给杭城社会 的安定和谐带来了一定的负面影响。表2 1 是2 0 0 9 年一2 0 1 0 年杭州市典型燃气事故统计 表。 2 4 燃气事故的成因分析 2 4 1自然环境的分析 从杭州市所处自然环境分析，杭州市属钱塘江冲积平原，地势极为平坦，土壤呈弱 碱性；地处亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，地表水系遍布杭城，地下水位较高。 根据相关检查数据显示杭州市大部分燃气管道所处环境的土壤腐蚀性为中等偏强，土壤 杂散电流干扰程度为中等偏强，对管道腐蚀有较大的影响。 6 瓣 杭州市 蕙圈 嚣罄 一 n nt 哺- ，咐 t i _ _ - - 删 w r l v # - 一 h - - 一 t t 蘸 强 篱 瓣 毽溶溪 熬 躺 翩燃 、渤辚 撼鬻 图2 1 杭州市管道燃气规划总图 蚴 薅蔺 哆带一l t 燃 品。- r q 4 _ ， ， ， 硎 鬻一 簧筒h咚汁慊淘睁眯高黔h ，、小 ， 、 一 畸 、 、 、 、 燃 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 2 0 0 9 2 0 11 年杭州市典型燃气事故统计表 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 2 城市建设特点分析 杭州市是省会城市，随着近几年城市建设发展的需要，高楼大厦遍地而已，城市道 路更新改造频繁，城市面貌日新月异，再加上其他地下管线单位如电线、电力等改造也 随之增加，这些施工或造成违章占压，或直接破坏燃气管线，给燃气管线运营安全带来 了很大的隐患。 2 4 3 燃气事故统计数据的分析 从燃气事故统计数据分析，图2 2 、表2 2 为近几年杭州市燃气事故分析统计分析 表。2 0 1 0 年户内燃气事故抢修事件为5 1 6 4 次，户内燃气事故主要是由阀门及表具故障 及连接管道的接口泄漏等原因造成的；2 0 0 7 2 0 1 1 年地下燃气输配管网发生抢修事件为 4 1 8 1 次，从事故发生的部位来看，其中燃气管道( 包括铸铁管、钢管、p e 管) 泄漏发 生的事故为2 0 9 3 次，占总事故数的5 0 ，是管道燃气安全评价重点研究分析的对象。 从燃气事故发生的原因来看，第三方破坏、接口泄漏、腐蚀泄漏引起的抢修事件分别占 总事故数的2 3 3 7 、1 8 0 3 、1 7 5 1 ，是燃气事故的主要因素。 图2 22 0 1 0 年杭州市户内燃气事故统计分析表 9 浙江工业大学硕士学位论文 表2 2 杭州市地下燃气管网事故统计分析表( 单位：次) 2 4 4 从燃气企业安全运营状况分析 杭州市燃气集团原采用人工煤气，于1 9 9 1 年开始供气，为迎接天然气时代的到来， 部分燃气管道采用液化石油气掺混空气供气，2 0 0 3 年天然气接纳后所有燃气管道均置换 为天然气，由此天然气事业进入了一个飞速发展的时期，快速的市场发展和安全管理观 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 念转变成为了燃气公司面临的巨大挑战，原有粗放式的以被动维修与泄漏补救为主的安 全管理模式已无法适应安全运营管理的需求，因此，近几年燃气公司也逐步加大安全运 营方面的投入，开展了户内外“三加强( 即加强巡检、加强监护、加强抢修) 的工作， 引起了先进的检测仪器，逐步完善安全生产信息化系统的建设。 在上述分析的基础上，通过调阅燃气公司生产台账记录、典型事故案例分析以及大 量文献资料 1 2 - 1 7 l ，导致燃气事故发生有以下六方面的原因： ( 1 ) 城市燃气管网老化、腐蚀严重 杭州市从1 9 9 1 年开始铺设燃气管道，发展人工煤气，早期敷设的管道材料为铸铁 管，尽管杭州燃气集团近几年花了很大的力气对铸铁管进行改造，但仍有不少铸铁管仍 在服役。这种管材虽然有良好的耐腐蚀性，但是韧性较差，一旦受到不均匀受力或机械 外力等，很容易造成断裂损坏，形成泄漏甚至是遇到火源造成火灾或爆炸。同时铸铁管 对施工要求较高，早期敷设的管道大都采用承插口或铅口连接，一旦温度或湿度发生大 的变化或者地基沉降，就会发生接口泄漏。此外，燃气用钢管设计寿命为1 5 年到2 0 年， 早期投入运营的低压管网运行近2 0 年左右时间，已接近或达到寿命终点，多数管网处 于事故多发期。 2 0 0 7 年至今发生的3 8 1 起铸铁管抢修中，因接口泄漏引起的有1 4 1 起，铸铁管断裂 有9 8 起。近几年，管网系统腐蚀穿孔事故频发，杭州市2 0 1 0 年中压管网因腐蚀引起的 抢修多达1 1 1 起，比2 0 0 9 年的6 1 起增长了8 2 ，城市燃气管网老化，已成为燃气输配 的重要安全隐患。 ( 2 ) 违章占压燃气管道、管线间距不足形成重大安全隐患。 城镇燃气设计规范规定，地下燃气管道不得从建筑物和大型建筑物下面穿越， 也不得从大型乔木下面穿越，地下燃气管道和建构筑物、相邻管道或大型乔木之间的水 平间距、垂直间距应满足相应的要求。随着城市规模的不断扩大和发展，对地下管线缺 乏规范管理，形成了许多违章占压燃气管道、管线间距不足的安全隐患。2 0 0 9 年杭州主 城区开展了6 1 处的户外燃气管道建筑物占压隐患专项整治工作，综合协调多个部门完 成了4 6 处的整改，剩余1 5 处却一时难以解决，杭州经济技术开发区自2 0 0 9 年以来集 中整治4 1 处构建筑物、树木违章占压燃气管道隐患，到目前为止，仍有1 处构筑物占 压2 1 处树木占压未能整治完成。 违章占压建筑、管线间距不足存在较大的安全隐患，一旦燃气发生泄漏，进入构建 物内或管道井或管道沟内，就会形成密闭空间和爆炸气体，如遇明火就发生爆炸，2 0 0 3 浙江工业大学硕士学位论文 年1 1 月1 7 日，杭州市凤起路发生一起因燃气泄漏进入电力沟并发生爆炸，造成供气中 断9 小时，周围1 0 6 4 户居民用户受到影响，附近电力沟中电缆受损，一位居民听觉受 到损伤，三辆轿车受到不同程度损伤。 分析形成这些隐患的原因，一方面是城市管理不规范的原因，由于相关的城市管理 法规不健全，过去城市地下管线施工没有完全纳入建设规划监管的范围，导致地下管线 资料不全；并且因为城市管理的条块分割，政府审批政出多门，没有相应的政府部门牵 头对相应的地下管线资料进行统一集中管理，很多单位的施工未能事先对相应的地下管 线资料调查清楚，导致了隐患的形成；另一方面，公众缺乏燃气安全意识，一些单位未 按照规范要求进行施工，有些单位和个人为了一己私利，在燃气管道及设施上搭建构建 筑物，一旦燃气管道被破坏，燃气大量泄漏就会造成严重后果。 ( 3 ) 城市改造和市政施工频繁对燃气管道造成危害 随着城市建设步伐的加快，城市道路及背街小巷、老小区等整治施工频繁，通信电 缆、电力、自来水、绿化养护等也随之铺开施工，加上燃气标识不齐或位置不准，由此 给燃气管线运行带来了很大的安全隐患，市区道路拓宽改造后，原埋设于慢车道和非机 动车道下的燃气管道，变为敷设在机动车道下，造成了管线埋深不够，同时也给巡检、 维修造成极大困难；少数施工单位贪图方便，不愿去燃气企业办理施工监护手续，对燃 气公司现场巡检发现隐患后的书面告知单置之不理，或者施工时对燃气管线的保护措施 没有落实等原因造成了隐患。2 0 0 9 年杭州市因外单位施工挖破燃气管道引起的抢修达 1 9 4 起，2 0 1 0 年也达到了1 3 5 起。 ( 4 ) 居民安全与责任观念淡薄、户内燃气设施安全隐患整改难推进 按照城镇燃气设计规范g b 5 0 0 2 8 2 0 0 6 的要求，户内燃气管道应采用明装，不 宜采用暗装，穿越卫生间不应有接头，且设于套管中。同时燃气条例规定用户的灶具连 接管、灶具等应定期更换，随着城市居民收入的不断增加，生活质量得到改善，居民的 房屋装修要求也越来越讲究，但少数居民为了装修外表美观，私自改装户内燃气管线， 将燃气管线密封在装饰墙内，或者隐蔽在整体厨柜内，既没有良好的通风条件，也没有 安装燃气泄漏报警装置；由于安全与责任意识淡薄，许多家庭对燃气公司安检发现的隐 患告知后没有落实整改。据统计，杭州城区约4 6 万管道燃气居民用户，通过安检发现 各类不规范用气4 万多项，其中危险系数较高的1 1 7 8 4 项。 燃气的户内安全问题是一个社会性问题，燃气企业采取了许多积极有效的措施，效 果并不理想。但燃气安全的水平取决于社会生产力的发展水平和人们的素质水平。就目 浙江工业大学硕士学位论文 前户内燃气安全形势而言，还存在着一些亟待解决的问题。例如，燃气法规、标准建设 亟待加强和完善；企业、用户双方的责任和义务有待进一步明确；燃气器具安装市场的 规范以及安全装置的推广应用和后期维护保养都缺乏相应的规范化管理；一些用户的安 全和责任观念淡薄；受员工素质和用户配合程度的影响，燃气企业在户内安全检查的质 量和效果上还存在差距；燃气企业对燃气户内安全问题缺乏深入系统的分析和研究，缺 少完整的事故统计资料等。 ( 5 ) 工程建设施工缺陷造成施工隐患 事实表明，一些燃气事故的根源在于工程建设期留下的安全隐患。早期施工缺乏施 工经验或施工过程中没有严格按照施工规范施工，如管沟没有按规定开挖到位造成松土 垫层，燃气管道与阀门井壁间没有加装套管，在源头上埋下了安全隐患，一旦有了外部 诱因就有可能造成燃气断裂、漏气而酿成事故。 ( 6 ) 燃气安全管理仍未真正做到前置化管理 目前，对于管道燃气的安全管理仍以传统的被动维护与泄漏补救为主，安全管理的 方法主要是着重在总结、评价过去的基础上进行研究和处理，对燃气输配系统的安全评 价没有预测性。主要表现为一方面对燃气输配系统的状态没有有效地进行监控和预测， 管网维护、巡检等工作不具科学合理性；另一方面，虽然建立了地理信息系统等安全生 产信息化的信息系统，主要局限于管道燃气的规划决策、设计施工等方面，未进行管道 事故的应急与管网基础数据的整合，对于管道事故的预警和高效处置未进行研究。 2 5 成因分析结论 综上所述，如图2 3 所示，导致燃气事故的主要因素有管网老化、违章建筑占压、 外单位施工破坏、施工质量缺陷、用户不规范用气以及企业管理不到位等。 为了有效的防止燃气事故的发生，使燃气安全管理从被动维修向主动预防转变， 就必须规范企业安全管理，定期对燃气管网进行监护与检测，完善管网基础数据库，建 立燃气管网安全评价系统，从而最终保证燃气企业的安全管理朝着科学化和规范化的方 向发展，使燃气事故及造成的危害控制在最低程度。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3 杭州市管道燃气事故因果图 1 4 燃气事故 频发 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章管道燃气安全评价故障树分析 3 1 安全评价概述 安全评价作为现代安全管理模式，体现安全生产以人为本和预防为主的理念，成为 安全系统工程的重要组成部分。实践证明，安全评价可以帮助我们建立一种科学的思维 方式，运用系统的方法，及时、全面、准确、系统的识别各种危险因素，评价潜在的风 险并选择最佳的方案，从而降低风险，以寻求最低的事故率、最少的损失和最优的安全 投资效益。通过安全评价，不仅能有效提高管道燃气的本质安全程度，而且可以为各级 安全生产监督管理部门的决策和监督检查提供有利的技术支撑。在具体展开管道燃气安 全评价研究前有必要介绍一下安全评价的几个基本概念。 ( 1 ) 安全系统工程 安全系统工程是以预测和预防事故为中心，以识别、分析、评价和控制系统风险为 重点，开发、研究出来的安全理论和方法体系。它将工程和系统的安全问题作为一个整 体，应用科学的方法对构成系统的各个要素进行全面的分析，判明各种状况下危险因素 的特点及其可能导致的灾害性事故，通过定性和定量分析对系统的安全性作出预测和评 价，将系统事故降至最低的可接受程度p 5 1 。 ( 2 ) 安全评价 安全评价是以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程的原理和方法，对工 程、系统中存在的危险、有害因素进行识别与分析，判断工程、系统发生事故和急性职 业危害的可能性及严重程度，提出安全对策建议，从而为工程、系统制定防范措施和管 理决策提供科学依据【。 ( 3 ) 安全评价方法 安全评价方法是安全评价的工具，按照安全评价结果的量化程度，安全评价方法 可分为定性安全评价方法、定量安全评价方法和半定量安全评价方法。 定性安全评价方法主要是根据经验和直观判断能力，对生产系统的工艺、设备、设 施、环境、人员和管理等方面的状况进行定性分析，安全评价的结果是一些定性的指标， 如是否达到了某项安全指标、事故类别和导致事故发生的因素等。定性安全评价的特点 浙江工业大学硕士学位论文 是容易理解，便于掌握，评价过程简单。但定性安全评价方法往往依靠经验，不能量化 事故发生的频率和损失后果，带有一定的局限性。定性安全评价方法包括安全检查表法、 故障树分析法等。 定量安全评价方法是运用基于大量的实验结果和广泛的事故统计资料分析获得的 指标或规律，对生产系统的工艺、设备、设施、环境、人员和管理等方面的状况进行定 量的计算，安全评价的结果是一些定量的指标，如事故发生的概率、事故的伤害范围、 定量的危险性、事故致因因素的事故关联度或重要度。定量安全评价需要大量的失效、 事故、危害等相关的数据，完全定量的安全评价在全世界范围内也是一个难题，实施起 来难度较大。定量安全评价方法包括道化学公司法、作业条件危险性评价法、故障树分 析法。 半定量安全评价是以风险的数量指标为基础，对事故损失后果和事故发生概率按因 素的权重值各自分配一个指标，运用算术法将事故概率和后果严重度指标组合来表示的 安全评价方法。由于定量安全评价所需数据多、模型复杂，定性安全评价又不能提供足 够的风险信息，而半定量安全评价能将两者相结合而得到较广泛的应用，如k e n t 专家 评估指标法、模糊综合评价法。 3 2 管道燃气安全评价方法适用性分析 3 2 1安全评价方法特点分析 不同的安全评价方法适用于不同的研究对象和研究目的，因此必须要根据研究对象 的实际情况和特点，对各种安全评价方法进行比较分析，从而选出最适合城市燃气管网 安全评价的方法，以下是几种典型的安全评价方法及其特点分析 ( 1 ) 安全检查表 安全检查表分析利用检查条款按照相关的标准、规范等对已知的危险类别、设计缺 陷以及一般工艺设备、操作、管理有关的潜在危险性和有害性进行判别检查。这种方法 简单、经济、有效，很多企业都有相关的应用。但是该方法是一种经验为主的方法，需 要评价人员有丰富的经验，熟悉相关的法规、标准和规程。 ( 2 ) 道化学火灾、爆炸指数评价法 道化学火灾爆炸指数评价法以以往的事故统计资料及物资的潜在能量和现行安全 措施为依据，通过逐步推算的方式，定量地对工艺装置及所含物料的实际潜在火灾、爆 炸和反应危险性进行分析，求出其火灾、爆炸等潜在危险的评价方法。该方法对化工生 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 产装置的火灾爆炸的安全评价有较好的适用性，但对燃气管网的而言，不同单元的影响 要素各不相同，各单元及其因素对系统的危险性的影响也差别较大，因此该方法对燃气 管网安全评价适用性较差【1 8 】。 ( 3 ) 故障树分析 故障树是一种描述事故因果关系的有方向的“树 ，由不希望事件( 项上事件) 开 始，找出引起顶上事件的各种失效的事件及组合。它能对各种系统的危险性进行识别评 价，既适用于定性分析，又能进行定量分析，具有简明、形象化的特点，体现以系统工 程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，是安全系统工程中重要的分析方法之 一。其优点是能够分析燃气事故发生的机理，对事故作出全面简洁的描述，便于有关人 员掌握控制事故的要点并进行安全评价；但由于无法得到燃气管网失效的基础数据，无 法确定每一个顶事件或底事件的发生概率，不能通过直观、简便的形式和运算关系得到 管段失效的可能性和后果，因此难以应用于失效概率计算和风险大小分析。 ( 4 ) 模糊综合评价法 该方法以模糊数学为基础，运用模糊关系合成的原理，通过模糊处理和模糊数学的 语言，将不易定量化描述的因素或事物关系进行模糊定量化描述，并进行综合评价【1 9 - 2 0 。 较为主观，在应用中仍摆脱不了评价过程中的随机性和评价专家主观上的不确定性及认 识上的模糊性。这使评价过程带有很大程度的主观臆断性，从而使结果的可信度下降。 ( 5 ) 数学模型定量风险评价法 数学模型定量风险评价法是根据事故的数学模型，应用计算数学方法，求取事故对 人员的伤害范围或对物体的破坏程度的安全评价方法。定量风险评价可以将风险的大小 完全量化，风险可以表征为事故发生的概率和事故的后果的乘积，这样的评价只要计算 模型以及计算所需要的初值和边值选择合理，就可以得到可信的评价结果。同样的，一 旦评价模型或初值和边值选择不当或少有偏差，评价结果就会有较大的失真。 ( 6 ) 作业条件危险性评价法 作业条件危险性评价法以所评价的环境与某些作为参考环境的对比为基础，将作业 条件的危险性作为因变量，事故或危险事件发生的可能性、暴露于危险环境的频率及危 险严重程度作为自变量，确定了它们之间的函数式。根据实际经验给出了三个自变量的 各种不同情况的分数值，采取对所评价的对象根据情况进行打分的办法，然后根据公式 计算出危险性分数值，再按危险性分数值划分危险程度等级表，查出危险程度的一种评 价方法。该方法简单易行，危险程度的级别划分比较清楚、醒目。但是它主要是根据经 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 验来确定三个因素的分值并划定危险程度等级，因此具有一定的局限性。而且，它是一 种作业局部评价，不能普遍适用【l 】。 ( 7 ) k e n t 专家评估指标法 k e n t 专家评估指标法通过对引起系统失效的各因素进行评分，结合失效后果，形 成一个相对风险指标来表述总的风险程度。它对被评价对象按照一定的原则合理分段， 对失效因素引起的危险大小分配评分指数和权重，根据经验资料对各分段评分并求指数 和，确定泄漏影响系数并计算相对风险值。该方法多应用于城市外的长输管线。由于城 市燃气管网的运行环境较城市外的长输管线有较大不同，因此其指标不完全适用于城市 燃气管网风险评估；而k e n t 指数法权重的确定带有一定的主观性，不能反映出不同事 故类型和原因之间的重要性关系和耦合关系。 3 2 2安全评价方法的比较 上述安全评价方法均在一定的范围内得到广泛的应用，但安全评价需根据评价对象 和研究目的的不同，才能的出准确的评价结果。表3 1 是几种安全评价法对燃气管网安 全评价的优劣比较【2 j 。 定量安全评价方法是最科学合理的管道安全评价分析技术，也是管道安全评估的发 展趋势，但由于其所需要的管道信息数据特别巨大，涉及大量的先期技术研究工作，所 以不可能在短期内实现。现有的定量分析评价研究缺乏针对城市燃气管网的完整的风险 评估流程与思路，多为针对某一种事故后果的定量计算模型，并且尚没有通用的计算方 法和分析模型，不能通过统一的思路计算出燃气管网的风险，同时也缺乏普遍认可的分 析和计算模型。定性安全评价方法在评价的过程中带有很大人为主观性和依赖人的经验 丰富性，所以即使此方法简单易行，运用起来也有一定的局限性。半定量分析品评价方 法相对而言需要的数据要求没有定量分析那么高，同时又能对安全结果进行定量的表 述，因此，当前国内管道燃气的安全评价大都采用半定量的安全评价方法。 k e n t 专家评估指标法是一种被国际认可的国内外都广泛应用的行业标准，属于已 经成熟的技术，虽然它更多地被应用于长输管线的安全评价，存在着基础数据不完善、 对城市燃气管网的针对性较差等问题，但是通过故障树分析可以全面辨识导致城市燃气 管网事故的基本因素，运用专家评估和模糊数学的方法能充分考虑燃气系统风险因素量 化评价的模糊性及风险因素间关系的模糊性，对基本因素进行筛选确认，有效弥丰b k e m 专家评估指标法的不足。 浙江工业大学硕士学位论文 表3 - 1 安全评价方法的比较 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 评价方法的确定 本文的研究以杭州城市管道燃气为研究对象，以控制燃气事故，减少事故损失为研 究目的。通过上述比较与分析，确定通过构建故障树分析，系统安全分析发生燃气事故 的所有环节、全面辨识导致燃气系统事故的基本因素，以k e n t 专家评估指标法为基础， 通过概率统计、模糊数学、风险矩阵等理论方法，建立系统模型，规划设计杭州市燃气 管网安全评价系统。 3 4 管道燃气安全评价故障树分析 3 4 1故障树分析的基本概念 在编制故障树前，有必要介绍一下故障树分析中的几个基本概念。 顶上事件p 是故障树分析中所关心的结果事件( 不希望发生事件) ，位于故障树顶 端，是所讨论故障树中逻辑门的输出事件，即系统可能发生的或实际已经发生的事故结 果。中间事件a 是位于故障树顶上事件和基本事件之间的结果事件，它既是某个逻辑门 的输出事件，也是其它逻辑门的输入事件。未展开事件用于两种情形，一种是没有必要 详细分析或原因不明的情形；另一种是表示二次故障，即来自系统之外的故障事件。 逻辑与门表示仅当所有输入事件都发生时，输出事件才能发生的逻辑关系。 逻辑或门表示至少一个输入事件发生时，输出事件就可发生的逻辑关系。 常见的故障树分析所用事件和逻辑门符号见图3 - 1 。 。基本事件一举蒿霎嚣 ) 未展开事件 。逻辑与。逻辑或转移符号 图3 - 1 故障树分析常用符号 3 4 2 构建安全评价故障树分析 构建安全评价故障树分析的第一步是要确定评价对象，本文以燃气管网和用户端组 成管道燃气系统为研究对象。在对己发生的燃气事故的调查基础上，可以确定管道燃气 管网事故的主要表现形式是泄漏造成的危害和设备故障导致停气。通常燃气设备由专业 厂家生产并委托有专业资质的单位进行日常的维护保养，因此由燃气设备故障引起的停 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 气事故易于被发现且危害性小；而系统泄漏遇到火源将会造成火灾或爆炸，严重时将造 成巨大的破坏，造成人员伤亡和经济损失。因此本文确定管道燃气火灾、爆炸事故为故 障树分析的顶上事件。 按照确定的评价对象和顶上事件，结合有关的理论和实践，对燃气火灾爆炸事故进 行分析研究，找出可能导致事故发生的初始因素，并对各因素间的逻辑关系做出描述， 为发现和查明系统内各种固有或潜在的危险因素提供方便，为事故原因的分析和制定预 防措施提供依据。图3 2 、3 3 、3 4 、3 5 、3 6 是在对燃气火灾爆炸事故进行广泛的调 查和研究f 1 3 】团】【1 6 d 2 】【3 3 】【1 引，反复分析顶上事件、各中间事件及各基本原因事件之间的逻 辑关系，构建的故障树。表3 - 2 为故障树代号与名称。 2 l 图3 - 2 燃气火灾爆炸故障树分析图 蚤口h睁汁慊商卜慊高黪浔 图3 3 燃气管网泄漏故障树分析图 簧筒h导汁慊澍卜慊高黪h a 图3 4 燃气管道泄漏故障树分析图 翳筒h导汁慊巅廿慊高醪h u - 图3 - 5 腐蚀穿孔故障树分析图 蒋筒h导汁慊淘叶慊高黪h 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 6 焊接施工缺陷故障树分析图 3 4 3 故障树的分析 由故障树分析图可见，或门的个数占了逻辑门总数的9 2 ，根据或门的定义可得大 部分的单个基本事件都有输出。所以从与、或门的比例可知，燃气系统发生火灾爆炸事 故的危险性非常大。尽管故障树看起来比较复杂，但从故障树的结构中逐级进行分析， 便可以得出控制燃气系统安全的相应措施。 首先从故障树上看，只要x l 不发生，顶上事件就不会发生。要控制住“在燃烧爆 炸浓度范围内，理论上可以采取使管网周围均处于良好的通风状况的措施，但由于燃 气管线分布于城市的各个角落，要使所有管网周围都处于良好的通风状况，从实际操作 的角度出发却是不可行的。 接着分析如何控制a 1 或a 2 的发生，a 2 就是加强火源的管理、杜绝火源产生，它 包含了1 3 个基本事件，虽然基本事件中有许多非燃气公司可控的事件，增加了实际控 制的难度，如其他火源所包含的内容极其广泛，彻底消除存在着极大的困难，但可以通 过加强对公众的安全教育等途径来进行控制，而外单位动火事件，可以通过加强协调与 联系来规范燃气管网附近的动火行为。而a 1 所包含的基本事件共有9 4 个，基