基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)夤艿蓝嘁蛩囟鄳B(tài)失效概率分析

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)夤艿蓝嘁蛩囟鄳B(tài)失效概率分析

隨著管道管道的建設(shè)和使用的日益普及，其燃燒爆炸的特點(diǎn)也給人們的正常生產(chǎn)和生活帶來(lái)了越來(lái)越多的安全隱患。如果管道出現(xiàn)故障或泄漏，很容易造成嚴(yán)重的公共安全問(wèn)題。對(duì)城市天然氣管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理,預(yù)先分析、預(yù)測(cè)其可能的失效狀態(tài),進(jìn)而采取有效措施控制風(fēng)險(xiǎn)形成,對(duì)城市安全意義重大。要降低燃?xì)夤艿朗鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)主要從兩方面著手,一方面要通過(guò)改進(jìn)技術(shù)限制事故的后果嚴(yán)重度,另一方面要減小事故發(fā)生的可能性。其中通過(guò)對(duì)管道多因素的認(rèn)識(shí)分析,通過(guò)定量計(jì)算來(lái)得出管道故障的概率,有助于我們把握好各個(gè)因素間的相互關(guān)系以及各自所占的比重,以此來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到減小風(fēng)險(xiǎn)概率的目的。燃?xì)夤艿朗鹿识匡L(fēng)險(xiǎn)分析往往具有多態(tài)性、非單調(diào)性等特性,事故樹(shù)、事件樹(shù)法在處理這方面問(wèn)題時(shí),在模型、方法等方面無(wú)法解決;概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法不能充分反映軟件、人因與系統(tǒng)的相互依賴關(guān)系和交互過(guò)程,在應(yīng)用中受到了限制。而能將專家經(jīng)驗(yàn)判斷等定性知識(shí)與歷史數(shù)據(jù)等定量知識(shí)有效結(jié)合起來(lái)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在大型復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中顯示了其獨(dú)特的優(yōu)越性。1滲流對(duì)管道的破壞由美國(guó)、加拿大以及歐洲等國(guó)家和地區(qū)燃?xì)夤艿朗鹿蕯?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),事故主要因素在于外力影響(第三方破壞、地基移動(dòng)等)、腐蝕、材料及施工缺陷等幾個(gè)方面。根據(jù)我國(guó)上海地區(qū)相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國(guó)和歐美等國(guó)家在燃?xì)夤艿朗У淖钪饕蛏鲜且恢碌?即第三方破壞。根據(jù)AGA,EGIG等燃?xì)夤艿朗Ц怕蕯?shù)據(jù)庫(kù),造成管道失效的主要因素依次為:第三方破壞、腐蝕、焊縫及管材缺陷、管理操作缺陷和自然災(zāi)害。第三方破壞是管道事故的常見(jiàn)因素,野蠻施工是正在運(yùn)行中天然氣管道事故的最大元兇。其中具體包括:地基勘探破壞管道;挖掘機(jī)挖斷管道;推土機(jī)推斷凝水缸信管;路面打夯機(jī)震斷管道;破壞管道地基,導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉,管道發(fā)生不均勻沉降斷裂等情況。腐蝕來(lái)自兩個(gè)方面,即內(nèi)腐蝕和外腐蝕,內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的大小與介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)弱及防腐措施有關(guān),其風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)占腐蝕總分?jǐn)?shù)的30%;外腐蝕占腐蝕因素總分的70%,即外腐蝕是管道腐蝕破壞的主要因素。外腐蝕主要與(1)陰極保護(hù)、(2)管道外涂層、(3)土壤腐蝕性、(4)使用年限、(5)其他金屬埋設(shè)物、(6)電流干擾、(7)應(yīng)力腐蝕等七種因素有關(guān)。燃?xì)夤艿涝谠O(shè)計(jì)和制造過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)存在著或多或少的缺陷,例如常用的鑄鐵材料的管道常會(huì)發(fā)生縮孔與縮松,產(chǎn)生氣孔以及裂紋;設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮好管線排布方式,管道的路線,埋設(shè)深度、以及埋設(shè)的位置都會(huì)對(duì)管道正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響,并妨礙維護(hù)和修復(fù)。設(shè)計(jì)因素可分解為以下幾方面:(1)鋼管安全因素;(2)系統(tǒng)安全因素;(3)疲勞因素;(4)水擊因素;(5)水壓試驗(yàn)狀況;(6)土壤移動(dòng)狀態(tài)。其中,鋼管安全因素、系統(tǒng)安全因素和水壓試驗(yàn)狀況三因素之和占70%。管道故障的一個(gè)重要方面是來(lái)自人的誤操作,根據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì),在所有的災(zāi)害中,由于人的誤操作所造成的災(zāi)害占62%,而其余的38%為天災(zāi)。操作因素可分解為以下幾個(gè)因素:(1)設(shè)計(jì)誤操作;(2)施工誤操作;(3)運(yùn)營(yíng)誤操作;(4)維護(hù)誤操作。自然災(zāi)害會(huì)造成管道懸空、變形、斷裂、設(shè)施損壞,從而產(chǎn)生泄漏。季節(jié)變化可能引起土層的不均勻脹縮、升降,導(dǎo)致管道系統(tǒng)不均勻沉降。2泵送失敗的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率分析2.1管道失效原因根據(jù)以上管道失效的主要因素,構(gòu)建其失效的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖(如圖1)。其中T為管道失效,B1為管道存在缺陷,B2為管道嚴(yán)重腐蝕,B3為第三方破壞。基本事件:X1-管道承壓能差;X2-管道嚴(yán)重憋壓;X3-施工管理缺陷;X4-管道初始缺陷;X5-腐蝕;X6-管道抗蝕性差;X7-人為破壞;X8-自然災(zāi)害及其他外力。2.2水壓試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)前人研究,可將腐蝕因素分為強(qiáng)(劣)、中(中)、弱(良)、無(wú)(優(yōu))四種腐蝕評(píng)分狀態(tài),強(qiáng)腐蝕為腐蝕嚴(yán)重且會(huì)發(fā)生事故,評(píng)分結(jié)果得分為劣;中腐蝕為腐蝕較嚴(yán)重,可能會(huì)發(fā)生事故也可能不發(fā)生,評(píng)分結(jié)果得分為中;弱腐蝕為腐蝕較輕微,未出現(xiàn)泄漏,檢查評(píng)分結(jié)果得分為良;無(wú)腐蝕為未出現(xiàn)腐蝕或非常微弱腐蝕,無(wú)泄漏,檢查結(jié)果得分為優(yōu)。管道設(shè)計(jì)因素中管道承壓能力可由水壓試驗(yàn)結(jié)果來(lái)體現(xiàn),可細(xì)分為差、中、良、優(yōu)四個(gè)狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)《油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析續(xù)一》,用H表示水壓試驗(yàn)壓力與最大允許操作壓力之比,當(dāng)H<1.10時(shí)可能會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障,管道承壓能差;管道承壓能力為中的狀態(tài),即1.11<H<1.25,此時(shí)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)故障,也可能不出現(xiàn)故障;管道承壓能力為良的狀態(tài),即1.26<H<1.40,此時(shí)不會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障;管道承壓能力為優(yōu)的狀態(tài),即1.40<H,此時(shí)不會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障。依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),將管道的施工誤操作評(píng)分分為差、中、良、優(yōu)四個(gè)等級(jí)。“差”施工既無(wú)經(jīng)驗(yàn)又無(wú)第三方監(jiān)督,會(huì)導(dǎo)致事故;“中”指施工有一定經(jīng)驗(yàn),但無(wú)第三方監(jiān)督,可能會(huì)導(dǎo)致事故;“良”指施工方有充分的準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn),第三方監(jiān)督不得力,或有第三方監(jiān)督嚴(yán)格,施工方經(jīng)驗(yàn)欠缺,總的來(lái)說(shuō)不會(huì)導(dǎo)致事故;“優(yōu)”指施工方有充分準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn),并有優(yōu)秀的第三方監(jiān)督,不會(huì)導(dǎo)致事故。上述所指的“經(jīng)驗(yàn)”指管理、技術(shù)諸方面成功的經(jīng)驗(yàn)。自然因素的干擾可能擠壓管道,造成管道失效,也可能起到支撐管道的作用而延長(zhǎng)它的使用壽命,分為兩種狀態(tài),各占50%。第三方破壞主要由人為因素造成,多為獨(dú)立事件,與腐蝕、設(shè)計(jì)、施工等方面的因素相關(guān)不大,另外,第三方破壞具有很大的隨機(jī)性,在此不做狀態(tài)分析。2.3環(huán)境自然因素根據(jù)以上分析,可將腐蝕因素修正為強(qiáng)腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕和無(wú)腐蝕四種腐蝕狀態(tài);對(duì)設(shè)計(jì)因素中管道承壓能基本因素,修正為差、中、良、優(yōu)四種狀態(tài);操作管理因素主要通過(guò)施工缺陷表示,將其由原來(lái)的兩種狀態(tài)修正為差、中、良、優(yōu)四種狀態(tài);環(huán)境自然因素仍為兩種狀態(tài)。參照有關(guān)文獻(xiàn)中事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1,其中事件“人為破壞”和“管道抗蝕性差”為專家打分法得出),結(jié)合某市城市天然氣管道運(yùn)行狀況及管理經(jīng)驗(yàn),對(duì)以上各因素修正后的各種不同狀態(tài)的基本概率進(jìn)行適當(dāng)假設(shè)確定。運(yùn)用HuginExpert貝葉斯軟件對(duì)以上各因素可能造成管道失效的單因素多態(tài),兩因素多態(tài)以及多因素多態(tài)修正計(jì)算,分別得出管道失效概率和各因素的結(jié)構(gòu)重要度,并和修正前結(jié)果比較。3中壓b級(jí)鋼管鋼管系統(tǒng)某市燃?xì)夤镜囊欢翁烊粴廨斔凸艿牢挥趦蓷l馬路交匯處的人行道下,屬中壓B級(jí)無(wú)縫鋼管,管材為16Mn(X52),管徑為φ426mm,管長(zhǎng)656.8m,設(shè)計(jì)壓力0.4MPa,運(yùn)行壓力0.1MPa。3.1管道漏出事故的概率根據(jù)以上管道失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,運(yùn)用HuginExpert軟件,可建立如圖2計(jì)算模型,根據(jù)表1數(shù)據(jù),輸入X3、X4與B1,X5、X6與B2,X7、X8與B3的聯(lián)合強(qiáng)度概率表,計(jì)算其頂端事件T的發(fā)生概率。計(jì)算得頂上事件T的發(fā)生概率為6.27×10-2,即管道失效發(fā)生事故的概率為6.27×10-2。以頂上事件T的state1為基本狀態(tài),計(jì)算得出各失效因素在導(dǎo)致此管道發(fā)生泄漏事故時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度,依次分別為X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。具體數(shù)值見(jiàn)圖3。3.2結(jié)構(gòu)重要度的修正(1)設(shè)計(jì)因素中承壓能力狀態(tài)的修正將管道承壓能力依次大致分為差、中、良、優(yōu)四種狀態(tài),依次假定概率為X41=0.0047、X42=0.0364、X43=0.6712、X44=0.2877。根據(jù)實(shí)際情況修正模型后,T為6.27×10-2,各失效因素在導(dǎo)致此管道發(fā)生事故時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度,依次分別為X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。(2)腐蝕因素的修正將腐蝕分為強(qiáng)腐蝕、中腐蝕、輕微腐蝕、無(wú)腐蝕四種狀態(tài),依次假定概率為X41=0.0072、X42=0.0337、X43=0.5755和X44=0.3836。計(jì)算T為6.27×10-2,得各失效因素在導(dǎo)致此管道發(fā)生事故時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度,依次分別為X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(3)環(huán)境因素的修正在只有自然因素造成管道失效時(shí),其概率由P=(B3=1|X7=0,X8=1)=1改為P=(B3=1|X7=0,X8=1)=0.5。修正后,計(jì)算T為6.02×10-2,各失效因素在導(dǎo)致此管道發(fā)生事故時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度,依次分別為X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。(4)操作管理中施工缺陷狀態(tài)的修正操作管理中的施工缺陷的狀態(tài)分為差、中、良、優(yōu)四種狀態(tài),假定概率依次為X41=0.0005,X42=0.0022,X43=0.7980,X44=0.1995。計(jì)算T變?yōu)?.27×10-2,各失效因素在導(dǎo)致此管道發(fā)生事故時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度,依次分別為X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。3.3結(jié)構(gòu)重要度的修正(1)將設(shè)計(jì)因素與腐蝕因素相結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T的概率6.27×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(2)將設(shè)計(jì)因素與環(huán)境因素相結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T的概率6.02×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。(3)將設(shè)計(jì)因素與操作管理因素相結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T的概率6.02×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X1>X3>X7>X8>X6>X5。(4)將腐蝕因素與環(huán)境因素相結(jié)合修正,得出頂上事件T的概率為6.02×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X1>X6>X7>X8>X5。(5)將腐蝕因素與操作管理因素相結(jié)合修正,得出頂上事件T的概率為6.27×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(6)將環(huán)境因素與操作管理因素相結(jié)合修正,得出頂上事件T的概率為6.02×10-2。導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X1>X7>X8>X6>X5。3.4結(jié)構(gòu)重要度的修正在現(xiàn)實(shí)中管道的失效往往是由多種因素共同作用造成的,因此有必要對(duì)多因素多態(tài)修正。(1)將設(shè)計(jì)、腐蝕、環(huán)境因素相結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T發(fā)生的概率將為6.02×10-2,導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X1>X6>X7>X8>X5。(2)將設(shè)計(jì)、腐蝕、操作管理因素想結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T發(fā)生的概率將為6.27×10-2,導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X1>X3>X6>X7>X8>X5。(3)將腐蝕、環(huán)境因素、操作管理想結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T發(fā)生的概率將為6.02×10-2,導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X6>X1>X7>X8>X5。(4)設(shè)計(jì)、腐蝕、環(huán)境、操作管理等因素全部結(jié)果相結(jié)合多態(tài)修正,得出頂上事件T發(fā)生的概率將變?yōu)?.02×10-2,導(dǎo)致管道失效的各因素的結(jié)構(gòu)重要度依次分別為X2>X4>X3>X6>X1>X7>X8>X5。4多因素組合修正將以上各計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2。環(huán)境因素的單因素的多態(tài)修正對(duì)頂上事件的概率影響