基于贝叶斯网络的燃气管道多因素多态失效概率分析

基于贝叶斯网络的燃气管道多因素多态失效概率分析

随着管道管道的建设和使用的日益普及，其燃烧爆炸的特点也给人们的正常生产和生活带来了越来越多的安全隐患。如果管道出现故障或泄漏，很容易造成严重的公共安全问题。对城市天然气管道进行风险管理,预先分析、预测其可能的失效状态,进而采取有效措施控制风险形成,对城市安全意义重大。要降低燃气管道事故的风险主要从两方面着手,一方面要通过改进技术限制事故的后果严重度,另一方面要减小事故发生的可能性。其中通过对管道多因素的认识分析,通过定量计算来得出管道故障的概率,有助于我们把握好各个因素间的相互关系以及各自所占的比重,以此来预测风险,达到减小风险概率的目的。燃气管道事故定量风险分析往往具有多态性、非单调性等特性,事故树、事件树法在处理这方面问题时,在模型、方法等方面无法解决;概率风险评价方法不能充分反映软件、人因与系统的相互依赖关系和交互过程,在应用中受到了限制。而能将专家经验判断等定性知识与历史数据等定量知识有效结合起来的贝叶斯网络在大型复杂系统的风险分析中显示了其独特的优越性。1渗流对管道的破坏由美国、加拿大以及欧洲等国家和地区燃气管道事故数据统计,事故主要因素在于外力影响(第三方破坏、地基移动等)、腐蚀、材料及施工缺陷等几个方面。根据我国上海地区相关事故统计数据,我国和欧美等国家在燃气管道失效的最主要原因上是一致的,即第三方破坏。根据AGA,EGIG等燃气管道失效概率数据库,造成管道失效的主要因素依次为:第三方破坏、腐蚀、焊缝及管材缺陷、管理操作缺陷和自然灾害。第三方破坏是管道事故的常见因素,野蛮施工是正在运行中天然气管道事故的最大元凶。其中具体包括:地基勘探破坏管道;挖掘机挖断管道;推土机推断凝水缸信管;路面打夯机震断管道;破坏管道地基,导致基础下沉,管道发生不均匀沉降断裂等情况。腐蚀来自两个方面,即内腐蚀和外腐蚀,内腐蚀风险的大小与介质腐蚀性强弱及防腐措施有关,其风险分数占腐蚀总分数的30%;外腐蚀占腐蚀因素总分的70%,即外腐蚀是管道腐蚀破坏的主要因素。外腐蚀主要与(1)阴极保护、(2)管道外涂层、(3)土壤腐蚀性、(4)使用年限、(5)其他金属埋设物、(6)电流干扰、(7)应力腐蚀等七种因素有关。燃气管道在设计和制造过程中,经常会存在着或多或少的缺陷,例如常用的铸铁材料的管道常会发生缩孔与缩松,产生气孔以及裂纹;设计中没有考虑好管线排布方式,管道的路线,埋设深度、以及埋设的位置都会对管道正常运行产生不利影响,并妨碍维护和修复。设计因素可分解为以下几方面:(1)钢管安全因素;(2)系统安全因素;(3)疲劳因素;(4)水击因素;(5)水压试验状况;(6)土壤移动状态。其中,钢管安全因素、系统安全因素和水压试验状况三因素之和占70%。管道故障的一个重要方面是来自人的误操作,根据美国统计,在所有的灾害中,由于人的误操作所造成的灾害占62%,而其余的38%为天灾。操作因素可分解为以下几个因素:(1)设计误操作;(2)施工误操作;(3)运营误操作;(4)维护误操作。自然灾害会造成管道悬空、变形、断裂、设施损坏,从而产生泄漏。季节变化可能引起土层的不均匀胀缩、升降,导致管道系统不均匀沉降。2泵送失败的贝叶斯网络概率分析2.1管道失效原因根据以上管道失效的主要因素,构建其失效的贝叶斯网络图(如图1)。其中T为管道失效,B1为管道存在缺陷,B2为管道严重腐蚀,B3为第三方破坏。基本事件:X1-管道承压能差;X2-管道严重憋压;X3-施工管理缺陷;X4-管道初始缺陷;X5-腐蚀;X6-管道抗蚀性差;X7-人为破坏;X8-自然灾害及其他外力。2.2水压试验结果根据前人研究,可将腐蚀因素分为强(劣)、中(中)、弱(良)、无(优)四种腐蚀评分状态,强腐蚀为腐蚀严重且会发生事故,评分结果得分为劣;中腐蚀为腐蚀较严重,可能会发生事故也可能不发生,评分结果得分为中;弱腐蚀为腐蚀较轻微,未出现泄漏,检查评分结果得分为良;无腐蚀为未出现腐蚀或非常微弱腐蚀,无泄漏,检查结果得分为优。管道设计因素中管道承压能力可由水压试验结果来体现,可细分为差、中、良、优四个状态。根据文献《油气管道风险分析续一》,用H表示水压试验压力与最大允许操作压力之比,当H<1.10时可能会在运行中出现故障,管道承压能差;管道承压能力为中的状态,即1.11<H<1.25,此时在运行中可能出现故障,也可能不出现故障;管道承压能力为良的状态,即1.26<H<1.40,此时不会在运行中出现故障;管道承压能力为优的状态,即1.40<H,此时不会在运行中出现故障。依据有关文献,将管道的施工误操作评分分为差、中、良、优四个等级。“差”施工既无经验又无第三方监督,会导致事故;“中”指施工有一定经验,但无第三方监督,可能会导致事故;“良”指施工方有充分的准备和经验,第三方监督不得力,或有第三方监督严格,施工方经验欠缺,总的来说不会导致事故;“优”指施工方有充分准备和经验,并有优秀的第三方监督,不会导致事故。上述所指的“经验”指管理、技术诸方面成功的经验。自然因素的干扰可能挤压管道,造成管道失效,也可能起到支撑管道的作用而延长它的使用寿命,分为两种状态,各占50%。第三方破坏主要由人为因素造成,多为独立事件,与腐蚀、设计、施工等方面的因素相关不大,另外,第三方破坏具有很大的随机性,在此不做状态分析。2.3环境自然因素根据以上分析,可将腐蚀因素修正为强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀和无腐蚀四种腐蚀状态;对设计因素中管道承压能基本因素,修正为差、中、良、优四种状态;操作管理因素主要通过施工缺陷表示,将其由原来的两种状态修正为差、中、良、优四种状态;环境自然因素仍为两种状态。参照有关文献中事故统计数据(见表1,其中事件“人为破坏”和“管道抗蚀性差”为专家打分法得出),结合某市城市天然气管道运行状况及管理经验,对以上各因素修正后的各种不同状态的基本概率进行适当假设确定。运用HuginExpert贝叶斯软件对以上各因素可能造成管道失效的单因素多态,两因素多态以及多因素多态修正计算,分别得出管道失效概率和各因素的结构重要度,并和修正前结果比较。3中压b级钢管钢管系统某市燃气公司的一段天然气输送管道位于两条马路交汇处的人行道下,属中压B级无缝钢管,管材为16Mn(X52),管径为φ426mm,管长656.8m,设计压力0.4MPa,运行压力0.1MPa。3.1管道漏出事故的概率根据以上管道失效贝叶斯网络模型,运用HuginExpert软件,可建立如图2计算模型,根据表1数据,输入X3、X4与B1,X5、X6与B2,X7、X8与B3的联合强度概率表,计算其顶端事件T的发生概率。计算得顶上事件T的发生概率为6.27×10-2,即管道失效发生事故的概率为6.27×10-2。以顶上事件T的state1为基本状态,计算得出各失效因素在导致此管道发生泄漏事故时的结构重要度,依次分别为X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。具体数值见图3。3.2结构重要度的修正(1)设计因素中承压能力状态的修正将管道承压能力依次大致分为差、中、良、优四种状态,依次假定概率为X41=0.0047、X42=0.0364、X43=0.6712、X44=0.2877。根据实际情况修正模型后,T为6.27×10-2,各失效因素在导致此管道发生事故时的结构重要度,依次分别为X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。(2)腐蚀因素的修正将腐蚀分为强腐蚀、中腐蚀、轻微腐蚀、无腐蚀四种状态,依次假定概率为X41=0.0072、X42=0.0337、X43=0.5755和X44=0.3836。计算T为6.27×10-2,得各失效因素在导致此管道发生事故时的结构重要度,依次分别为X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(3)环境因素的修正在只有自然因素造成管道失效时,其概率由P=(B3=1|X7=0,X8=1)=1改为P=(B3=1|X7=0,X8=1)=0.5。修正后,计算T为6.02×10-2,各失效因素在导致此管道发生事故时的结构重要度,依次分别为X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。(4)操作管理中施工缺陷状态的修正操作管理中的施工缺陷的状态分为差、中、良、优四种状态,假定概率依次为X41=0.0005,X42=0.0022,X43=0.7980,X44=0.1995。计算T变为6.27×10-2,各失效因素在导致此管道发生事故时的结构重要度,依次分别为X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。3.3结构重要度的修正(1)将设计因素与腐蚀因素相结合多态修正,得出顶上事件T的概率6.27×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(2)将设计因素与环境因素相结合多态修正,得出顶上事件T的概率6.02×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。(3)将设计因素与操作管理因素相结合多态修正,得出顶上事件T的概率6.02×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。(4)将腐蚀因素与环境因素相结合修正,得出顶上事件T的概率为6.02×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X1>X6>X7>X8>X5。(5)将腐蚀因素与操作管理因素相结合修正,得出顶上事件T的概率为6.27×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(6)将环境因素与操作管理因素相结合修正,得出顶上事件T的概率为6.02×10-2。导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。3.4结构重要度的修正在现实中管道的失效往往是由多种因素共同作用造成的,因此有必要对多因素多态修正。(1)将设计、腐蚀、环境因素相结合多态修正,得出顶上事件T发生的概率将为6.02×10-2,导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X1>X6>X7>X8>X5。(2)将设计、腐蚀、操作管理因素想结合多态修正,得出顶上事件T发生的概率将为6.27×10-2,导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(3)将腐蚀、环境因素、操作管理想结合多态修正,得出顶上事件T发生的概率将为6.02×10-2,导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X6>X1>X7>X8>X5。(4)设计、腐蚀、环境、操作管理等因素全部结果相结合多态修正,得出顶上事件T发生的概率将变为6.02×10-2,导致管道失效的各因素的结构重要度依次分别为X2>X4>X3>X6>X1>X7>X8>X5。4多因素组合修正将以上各计算结果进行统计,如表2。环境因素的单因素的多态修正对顶上事件的概率影响