基于Bow-tie模型的城镇输油管道风险评价方法研究

 陈玉超，蒋宏业，吴瑶晗，姚安林，韩晓瑜

（1．西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；

2．油气消防四川省重点实验室，四川成都610500；

3．中国石化天然气输送管道分公司，湖北武汉430223）

摘要：根据近年来不断发生的城镇输油管道泄漏爆炸事故，提出将Bow-tie模型引入到风险评价中，将Bow-tie模型和改进的层次分析法相结合得出各影响因素的权重并排序，对管道进行风险评价，便于提出合理的安全管理方案，减少事故的发生。通过计算得到第三方因素在管道失效影响因素中占主导，而在事故后果分析中安全后果和环境后果因素影响较大，基本符合事故实际状况，说明该方法对于城镇输油管道风险分析有一定的指导意义和实用价值。

关键词：城镇输油管道；风险评价；Bow-tie模型；改进层次分析法

0  引言

 近年来，城镇输油管道安全问题逐渐引起公众的重视，2013年青岛“11·22”原油泄漏事故的发生使城镇输油管道安全成为全国关注的焦点。城镇内本不该有输油管道，但是随着经济的发展，国家推进城市建设，管道周边环境复杂，人员密集，建筑物也很多，越来越多的城镇基础设施对管道形成了占压。同时，城市地方政府推进城市基础管网建设，通讯、热力、燃气、供水、排水等各种类型管线交叉敷设，又涉及不同的分管部门，规划、建设、监管、维护等方面存在漏洞，城镇输油管道逐渐成为致灾隐患，一旦发生泄漏，将会造成环境污染、经济损失、人员伤亡等严重后果。

 现有的油气管道安全评价方法主要是就管道失效可能性或者失效后果影响因素单独进行风险分析，很少将二者结合在一起对管道进行风险评价。笔者首次引入Bow-tie模型，将风险分析中的故障树和事件树联系起来对管道进行风险评价。因为传统的层次分析法在构建判断矩阵时是采用的专家打分法，专家的意见在很多情况下有主观性，所以其结果的可信度也就降低了。因此，笔者结合Bow-tie模型的特点，基于改进层次分析法，先根据Bow-tie模型确定准则层和评判指标层的影响因素，再建立判断矩阵，计算得出各因素的权重分配并排序，以期客观准确地辨识管道的薄弱环节并确定事故后果严重性，为制定科学合理的风险缓解措施提供依据。

1  Bow-tie模型

 1979年，澳大利亚昆士兰大学首次提出了Bow-tie模型，壳牌石油公司最开始将其用于商业实践。因为该模型具有直观、简明的特点，近年来被广泛应用于国内外石油安全领域的风险分析与安全管理。

 Bow-tie模型是将故障树分析方法和事件树分析方法融合为一体，全面分析某一事件的发生原因和事故后果的事故建模方法。图1为该模型主要组成部分，分别为事故危险源、预防措施、顶上事件、恢复措施和事故结果。预防措施即为了预防事故发生而存在的，而顶上事件就是指事故本身，恢复措施是指事故发生后有关部门为了降低损失而采取的应急抢险举措或者为了恢复正常而采取的办法，结果是指事故发生后对周边的影响。而预防措施和恢复措施共同构成了安全屏障，从事故源头到末端控制事故发生及后果。

由图1可以看出，建立某一事故的Bow-tie模型主要分为两步：第一步通过危险源辨识建立以事故的发生为顶上事件的故障树，这一过程称为故障树分析，从而得到该事故Bow-tie模型的左半部分；第二步根据事故发生后可能的结果来建立事故发生的事件树，这一过程称为事件树分析，从而得到该事故Bow-tie模型的右半部分。

 可以看出，该方法能让人们准确直观的分析事故发生的起因和后果，并能帮助人们在事故发生前后分别采取有效的措施来预防事故发生及控制事故后果。

2  改进层次分析法

2.1  改进层次分析法与层次分析法比较

 层次分析法和改进的层次分析法都是把所研究的问题层次化，每个层次分解为不同的要素，形成有序的递阶层次结构，通过两两比较重要度构造判断矩阵，通过计算得到指标权重，在此基础之上进行风险分析。

 二者不同的是，层次分析法一般采用采用9标度法建立判断矩阵，专家的主观因素占主导地位，得出的结果有时会与实际的结果偏离，从而对最后的决策产生较大的影响。同时，传统层次分析法还有另外一个弊端，就是在进行矩阵一致性检验时，如果判断矩阵不具有一致性，需要进行多次的调整才能满足要求，因此对于组成因素较多，层次比较复杂的结构，无疑增加了计算量。

 改进的层次分析法区别于层次分析法的根本在于它采用3标度法建立初始矩阵，这使得专家更容易判断哪个因素更重要并做出决策，同时不需要进行一致性检验。此外，该方法中迭代次数也随之减少，收敛速度也随之提高，使结果更加精确。

2.2  改进层次分析法的步骤

1)建立层次结构模型，如图2所示。

2)建立比较矩阵A。汇总专家评分，采用三标度法，每组指标两两比较得出相对重要度，进而得出比较矩阵：

 所以有A。=1或Aj=1。

3)计算重要性排序指数r．。重要性排序指数r．的计算公式为：

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

4)计算得出判断矩阵B。，其元素bi按照以下算法计算得出：

 

 9)总排序。利用单层次排序结果进行总层次排序。例如若一级指标权重为o，其下二级指标因素的权重分别为（W，W：，…，W。）T，则这些二级指标因素在总层次中的权重分别为aW。（i=1，2，…，n）。按照此方法得到各个因素的最终排序。

3  城镇输油管道风险分析

 取我国东部某城市的输油管道进行案例分析，该管道1986年投产，输送介质为轻质原油，采用地埋方式敷设，管道外壁防腐层采用石油沥青布防腐，管道地处的经济开发区于1984年批准成立，沿线常住人口近80万人。

3.1Bow-tie模型的建立

完成现场资料采集之后，建立相应的Bow-tie模型，如图3。

该模型中故障树事件表，如表1所示。

3.2事故后果指标体系的建立

3.2.1  城镇输油管道失效指标体系

根据3.1中建立的Bow-tie模型，对基本事件进行归类，可以构造出层次分析模型，如图4。

3.2.2  城镇输油管道泄漏后果指标体系

基于Bow-tie模型右端的事故发展趋势，结合实际事故现场的周边环境，城镇输油管道一旦泄漏会给人员、财产、环境带来不同程度的影响，因此从这三个方面分析，建立事故后果指标体系，如图5。

3.3计算权重

参照上文2.2改进层次分析法的计算步骤，再结合专家打分，层层递进，计算每个指标的权重，并排序，由于篇幅所限，涉及指标众多且复杂，直接给出计算结果，即每个因素的权重值，如表2、表3所示。

 由表2可知，一级指标中，第三方因素占主要作用；二级指标中，自然灾害、施工因素、防腐层状况以及最小覆土厚度四个因素权重大。据统计，由于该城市推广城市规划建设，管道上方施工频繁，再加上市政管道、排水暗渠等与管道交叉敷设，使管道防腐层破坏严重，各因素评价结果与实际情况相符，说明该方法有一定的实用价值。总之，从此表可以清楚的了解影响城镇输油管道泄漏的主要因素和次要因素，便于相关部门制定风险缓解措施，给管道的安全管理提出合理意见。

 由表3可知，一级指标中安全后果和环境后果较为严重；二级指标中人员死亡、大气污染和地下水污染为主导因素。由于该管道地处人口众多的城市，又是埋地敷设，所以一旦泄漏，首先会造成大量的人员伤亡。其次，若油蒸气达到爆炸极限发生爆炸，会造成严重的大气污染。另外，油品渗漏到土壤，会造成地下水污染，评价结果与实际相符，再一次验证了该方法的科学合理性。

4  结论

 1) Bow-tie模型综合故障树和事件树两种分析方法的优势，分析具有双向性和全面性，不仅可以清晰的找出事故发生的原因，还可以把事故发生的后果展现出来，便于后续风险评价研究。

 2)改进的层次分析法采用3标度法相比较9标度法，减少了专家评分的主观性，使评价结果更符合实际，并且计算结果不需要一致性检验，大大减少了计算量，对于层次复杂，影响因素较多的指标体系无疑是个好的选择。

 3)本文将Bow-tie模型和改进的层次分析法结合起来，根据B ow -tie模型来确定改进的层次分析法的各个指标，使评判指标之间的关系更清晰，评判结果更符合客观实际。