长输天然气管道泄漏后果评估模式与运用

长输天然气管道管径大、输送压力高，一旦发生泄漏事故，不仅影响运行安全，而且可能进一步引发火灾和爆炸事故，造成人员伤亡、环境污染和输气中断等恶劣后果。1995年1月17日，日本兵库县南部发生地震，输气管道受损泄漏而引发火灾，导致100×104m2的建筑物毁于大火[1]。对长输天然气管道发生天然气泄漏的后果进行分析评价，对制定相应的减灾控制措施和开展应急救援具有重要的现实意义。

1评价方法

1.1层次分析-模糊综合评价法

后果评价需要考虑事故发生的偶然性、后果评价的不确定性、人为确定风险分值的主观性等，必然使评价过程存在大量的模糊信息，且泄漏后果通常受多重外界因素的影响，实际情况较为复杂，难以用单一数值进行表征，模糊综合评价是解决该类问题的有效方法。采用模糊综合评价法，关键在于确定各指标权重，而其通常由专家根据经验给出，难免带有主观性。层次分析法将定量和定性方法相结合，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后综合人的判断以确定决策因素相对重要性的总排序。有关层次分析法和模糊评价法在长输管道的应用，研究者更注重管道的风险因素分析[2-4]，鲜少将此类方法应用于评估长输管道泄漏事故后果的研究中。先用层次分析法确定子目标和各指标权重，再结合模糊综合评价法对长输天然气管道泄漏事故后果形成量化的评价，从而形成一套完整的评价方法。

1.2指标体系

评价预测模型通常建立在一定的评价因素集上，该评价因素集构成了指标体系。由于各项具体指标的选取尚无通用标准可供参考，因此确定评价的指标体系非常困难。目前，对于长输天然气管道泄漏后果的评价，多是基于安全距离概念的定量化方法，根据不同泄漏模型的模拟结果，得出直观的后果损失面积，从而针对安全距离提出建议[5-9]，具有一定的针对性和专用性。从后果评价的完整性来讲，仅基于后果损失面积评估长输天然气管道的危害性是不全面的，只有综合考虑直观的模拟数据和潜在的经济损失，才能全面衡量长输管道泄漏后果的影响。正确评估事故后果的严重程度，首要任务是建立一个合理的后果评价指标体系。对长输天然气管道泄漏后果进行评价，一般从安全、经济和环境等角度衡量。其中：安全后果以生命潜在损失为指标，经济后果以事故造成的各项费用损失为衡量标准，环境后果以对环境造成污染物的数量，或者为消除这些污染所花费的经费为指标[10]。为此，提出一种评估长输天然气管道泄漏事故严重度的方法（图1）。安全后果（B1）是事故发生后最受关注的问题，剧烈的冲击波和高值的热辐射往往能直接导致人员死亡（C1）或重伤（C2）。泄漏引发的燃烧、爆炸事故可造成区域内建筑物大面积燃烧、坍塌，严重时可能因多米诺效应引起更大范围的破坏，带来间接的人员伤亡（C3）。由于天然气持续大量泄漏，必将首先造成直接的财产损失（C4），并进一步对供输系统（C5）产生影响，造成供输延误甚至系统中断，产生后续连锁问题。因事故的严重程度不同，维修费用（C6）、维修时间（C7）以及名誉、社会影响（C8）均以经济损失（B2）的形式来体现。相对于石油等烃类物质的泄漏，天然气泄漏造成的环境后果（B3）较轻微。天然气作为污染物（C9）不易积聚、易于扩散，但是因泄漏引发的火灾、爆炸等事故则可能在短期内对生态系统（C10）产生破坏，如植被损毁、河道及水源污染等，为消除这些污染必然需要相应的治理费用（C11）。

1.3指标权重

应用层次分析法逐层确定各项指标权重。例如，相对于确定泄漏后果的总目标，比较各准则层的相对重要性，采用1～9标度法得到A-B判断矩阵（表1，其中：A为两两比较判断矩阵；Wi为对应各指标的权重分配集）。同理，可以得到Bi-C（i=1，2，3）判断矩阵，并进行一致性检验。若所构造各判断矩阵的CR值均小于0.1，则各层次单排序的结果具有满意的一致性。用B层的排序数值对C层因素的单排序权值进行加权，可以得到C层相对于A层的总排序数值结果。至此，可以得到底层后果的全部因素对目标层的权重。

1.4模糊综合评价

针对具体事故，将长输天然气管道泄漏后果严重度等级分为5级，评判集为：V＝{I级，II级，III级，IV级，V级}＝{轻微的，临界的，较严重的，严重的，灾难的}。运用模糊综合评价方法对后果进行评价的过程如下：

（1）建立等级评价矩阵。任意固定一个因素进行单因素评判，联合所有单因素评判，得到单因素评判的隶属函数矩阵。其中隶属度需要提炼相关事故模拟后果数据并联合专家调查法共同确定，尽量减少因主观因素造成的偏差。构造长输天然气管道泄漏事故后果严重度的模糊综合评判矩阵：B1＝w1R1式中：R1为单因素隶属函数矩阵。同理可得B2和B3。

（2）模糊综合评判。各个因素对评价集的影响程度通常是不同的，对所有因素进行评价时应考虑各因素的权重[11]。因此，长输天然气管道泄漏事故后果严重度的模糊综合评价集为：B＝AR式中：R为目标隶属函数矩阵。根据最大隶属度原则，事故后果的严重度应以最大的权重值来确认事故后果等级。即：VK={VL∣VLmaxC}式中：VL为最大权重值；VK为事故后果的严重度。

2实例应用

长输天然气管道在设计、施工和维护中严格遵守各项规范，但其不可避免地会穿越活动性断裂分布密集区、黄土湿陷区及泥石流、滑坡等多发地域，有可能因破坏性地质灾害引发弯曲变形甚至断裂，从而发生天然气泄漏事故。为此，以地震灾害引发的长输天然气管道泄漏为例，应用上述方法对泄漏后果进行评价。

2.1案例概况

某地区发生破坏性地震，导致区域内一段长输天然气管道因地震造成的地层错动发生裂口泄漏，天然气喷出后短时间遇点火源点燃，形成喷射火。此段天然气管道采用管径为813mm、型号为L450MB的螺旋钢管敷设，长度约8km，输送气体首站出站压力为4.05MPa，末站的进站压力计算值为4.04MPa，输送气体的平均温度为23℃。假设管道后段约7.5km处断裂导致天然气泄漏，采用危险情况，假定管道的关闭阀门没有动作。取风速6m/s，大气稳定度为D（垂直方向气流湍动不明显，比较稳定）。选用PHAST软件对震后长输天然气管道泄漏后果进行模拟分析，利用分析模拟数据辅助评价过程的相关取值。

2.2主要模拟结果

震后长输天然气管道的泄漏模拟结果表明：泄漏形成的喷射火焰长度为223m，火焰抬升高度为119m，热辐射的最大影响距离为522m。在喷射火形成的前4s内，热辐射强度急剧上升，局部热辐射强度甚至达到400kW/m2（图2）。

2.3事故后果评价

2.3.1层次分析法确定指标权重

采用1～9标度法得到判断矩阵A，以主因素为例，根据一位专家的意见，得到判断矩阵（表2），对其进行一致性检验，结果可以接受。上述结果仅代表一个专家的权重集，综合各个专家对各层因素的权重集，即可得到CA的权重总排序结果（表3）。通过各指标的综合排序，可以确定天然气泄漏造成的喷射火事故对直接人员伤亡和直接经济损失有重大影响。

2.3.2隶属函数矩阵的确定

喷射火最严重的危害是火灾引起的建筑物坍塌和人员伤亡（表4）。喷射火事故产生的4.0kW/m2热辐射影响距离为522m，影响范围405285m2（图2a、图2b）；其产生的12.5kW/m2热辐射的致死率6.53％，影响距离375m，影响范围138376m2，人接触10s可致1度烧伤，接触1min，1％烧伤；其产生的37.5kW/m2热辐射致死率为98.74％，影响距离为282m，影响范围45943m2，区域内操作设备全部损坏，人接触10s可致1％死亡，1min，100％死亡。由此可见，高热辐射值的辐射区域大，由于管段泄漏点距离集气末站约500m，因此高辐射势必危及集气末站。专家在取值时，全面考虑了热辐射可能会对集气末站周边的人、建筑物、生产设施造成严重损伤，形成财产损失甚至大量人员伤亡。因此，在专家权重集中，安全后果C1为“Ⅲ级/较严重”占较大值。通过对多位专家的评价表进行统计分析计算，得出隶属函数矩阵：泄漏发生时气体以极高速度喷射而出，在1s内达到1000kg/s以上，泄漏口上游区A在10s内泄漏质量达9000kg，16s内即对全线管道内的气体流动产生明显扰动；下游区B在10s内泄漏质量达5750kg，1s内即对下游管道内的气体流动产生比较明显的扰动（图2c、图2d）。大量、持续的天然气泄漏将直接造成严重的财产损失，并在一定区域内形成短期环境污染，破坏生态系统平衡。专家凭借经验，根据模拟结果提供的参考数据，首先确定直接财产损失等经济后果的隶属度函数矩阵；再结合泄漏管段周边的具体环境，权衡喷射火事故造成的环境影响和社会影响等，给出相应的模糊隶属度。经统计分析，在专家权重集中，经济后果C2为“Ⅲ级/较严重”占较大值，而环境后果C3为“Ⅰ级/轻微”占较大值。

2.3.3模糊综合评判

确定管道泄漏后果的11个风险因素在5个风险级别上的隶属度，即模糊关系矩阵Ri。根据文献[12]，采用M(•，)算子，既突出主要因素，又兼顾其他因素，得到一级模糊综合评判集Bi＝WiRi如下:用模糊语言表达震后长输天然气管道泄漏后果为：泄漏事故后果={0.111/I级，0.174/II级，0.434/III级，0.224/IV级，0.057/V级}。依据最大隶属度原则可知：VK={VL∣VLmaxC}=0.434。根据文献[12]关于最大隶属度原则的讨论，本例所得最大隶属度原则有效性的评判因子α=0.653，结论比较有效。故泄漏事故后果为III级，即震后长输天然气管道泄漏后果较严重。

3结论

（1）综合层次分析法和模糊综合评价法的优点，提出了一种长输天然气管道泄漏事故后果的评价方法，将定性和定量信息有机结合，全面考虑后果评价中的各项因素，定量计算各指标对管道泄漏后果的影响程度，对评估事故后果的严重度和确保管道的安全运行，具有一定的工程实用价值。

（2）对评价因素指标的选取加以概括分析和说明，然而，这些因素指标具有一定的普遍性，针对某具体工程实例时，可能因客观条件的限制，难以完全按照此体系得出相应定量化的数据和完整的后果评价，因此，在实际评价中需要调整评价指标并进行筛选，选取主要指标，剔除关联度较大或对评价目标贡献较小的指标，以明确各指标对后果的影响程度。

（3）结合PHAST软件对事故后果的模拟数据，能够客观反映事故后果的危险程度，为确定权重值的分配和专家调查提供了科学依据，提高了后果评价方法的可信度和准确度。