1. 引言
随着碳中和理念的提出，我国对环境保护提出更高的要求。天然气作为一种绿色、低碳的清洁能源，在能源结构中将继续占有较大比例且比重将不断增加[1] [2]。天然气在城镇中普遍通过管道进行输送，随着城镇燃气管网建设的迅速扩展和普及率的显著提升，相应地，城镇中燃气用户的数量也迎来了大幅度增长。但由于管道老化、违规施工、管理不当等多方面原因，安全事故频发[3]。城镇燃气管道的安全性和群众的日常生活生命财产安全存在紧密联系，管道安全问题已经日益成为了人们关心的问题。地震一旦发生，若导致燃气管道断裂，将引发大量天然气泄露，这不仅会对社会、经济和环境造成深远的负面影响，还会带来巨额的经济损失，并潜藏着巨大的安全风险。2013年，青岛市发生一起天然气和石油管道爆炸，造成62人死亡[4]。2014年3月14日美国纽约曼哈顿的瓦斯爆炸事故，造成8人死亡，5人失踪，60多人受伤[5]。2014年8月1日高雄市燃气泄漏爆炸事故，造成32人死亡，321人受伤[6]。2021年中国湖北省发生另一起燃气管道泄漏爆炸事故，造成26人死亡，138人受伤(37人重伤)，直接经济损失达5395万元[5]。
2005年，Jeon等人分析了北岭地震对美国洛杉矶供水系统(LADWP)的输水管线和居民住宅所产生的影响，并总结了不同材质和尺寸的输水管线抗震差异的原因[7]。2009年，何双华在综合分析国内外相关研究的基础上，对供水管网系统的地震功能分析和抗震加固优化问题作了较为全面系统的研究[8]。2012年，刘威等人，针对供水管网抗震拓扑优化问题，引入管线单元投资重要度的概念评价管网中管线对管网抗震的贡献；在此基础上，将遗传算法、遗传-模拟退火算法、蚁群算法和微粒群算法等现代组合优化算法应用于供水管网抗震拓扑优化中，通过算例对上述算法的优劣进行了对比分析[9]。2014年，金书淼对城市供水管道遭受地震灾害的风险大小和震后恢复力进行了研究，采用系统分析和仿真分析相结合的方式评估了城市供水管道的风险[10]。2018年，Lin等人研究和分析了引起管道事故的模糊因素，确定了聚乙烯燃气管道的风险评价因子。根据模糊综合评判理论，建立了聚乙烯管道模糊综合评判的数学模型，采用了模糊层次分析法来确定各指标的权重，并利用风险矩阵法给出了管道的安全评价等级[11]。2020年，Cavalieri考虑地震危害、脆弱性评估和系统性能评估相关的不确定性，提出了基于模拟天然气输配管网地震风险评估的综合方法[12]。2021年，王雯悦等人针对山区输气管道运行环境复杂的特点，从地震危险性与管道易损性出发，提出山区输气管道地震易损性评价方法，并将该方法应用于四川西部某山区输气管道实际评价中[13]。2022年，Kwong等人通过整合美国地质调查局2018年全国地震灾害模型、建立了一个基于逻辑树的暴露模型、三个不同的脆弱性模型和一个后果模型，量化了由于强烈的地面震动，包括相关的不确定性，引起的美国的天然气输送管道的地震风险[14]。
通过文献阅读发现，针对油气管道地质灾害风险评价方法的研究较多，但在地震领域，大部分的管道震害研究主要集中于供水管道，针对油气管道研究成果较少。基于此，本文通过分析地震下给、供水管道的失效规律，分析引申出地震下导致城镇燃气管道失效的影响因素，最后建立城镇燃气管道失效事故树模型。该模型对提高城镇燃气管道在地震下安全运行，减少管道事故损失有重要的意义。
2. 对标分析
对于油气管道的风险领域，国内外均有出台有相应的规范，但是由于我国现有相关规范与国外相关规范存在较大差距，则不对国外规范进行分析总结，仅对比国内现有的油气管道分析评价规范体系和风险模型进行分析。通过国内现有的规范的适用对象和评估范围进行对比分析，总结出管道分析评价模型规律得出结论，为城镇燃气管道震害失效事故树分析提供理论依据。
2.1. 我国对应规范适用的对象和范围
在陆上油气管道风险评价领域我国已出台的一项国标[15]、三项中石油行业标准体系文件[16]-[18]，在管道地质灾害风险评价领域，我国出台了一项中石油行业标准体系文件[19]。如表1所示。
Table 1. Applicable objects and scope of pipeline risk assessment standards in China
表1. 我国管道风险评价规范适用的对象和评估的范围
规范 |
适用对象 |
评估范围 |
《埋地钢质管道风险评估方法》 (GB/T27512-2011) |
适用于输送原油、成品油﹑腐蚀性液体，天然气介质的长输管道、集输管道，输送天然气，人工煤气，液化石油气介质的公用管道，输送腐蚀性液体介质的工业管道中的埋地钢质管道。 |
用于埋地钢质管道的埋地部分，跨越部分和露管部分在可行性论证阶段、设计审查阶段、竣工验收阶段、在用阶段四个阶段的风险评估。 |
《油气输送管道风险评价导则》 (SY/T6859-2020) |
适用于陆上在役油气输送管道线路。 |
陆上在役油气输送管道线路的风险评价，建设期管道线路风险评价可参照执行。 |
《油气管道风险评价方法 第1部分：半定量法》 (SY/T6891.1-2012) |
适用于陆上在役油气输送管道线路。 |
陆上在役油气输送管道线路的风险评价。 |
《油气管道风险评价方法 第2部分：定量法》 (SY/T6891.2-2020) |
适用于陆上油气输送管道人口密集型高后果区管段。 |
陆上油气输送管道人口密集型高后果区管段的定量风险评价。 |
《油气管道地质灾害风险管理技术规范》(SY/T6828-2017) |
本标准适用于陆上油气输送管道的地质灾害风险管理，不适用于油气输送管道站场内的工艺管道、城镇燃气管道和炼油、化工等企业厂区内管道。 |
评估管道设计、施工和运营的全过程的地质灾害包括岩土类灾害、特殊土灾害、水毁灾害和地质构造类灾害。 |
由表1对应内容对比分析表示，规范所适用的对象和评估范围分析，结果表明仅有《埋地钢质管道风险评估方法》(GB/T 27512-2011)涉及城镇燃气管道的风险评价并且其研究对象仅仅为城市燃气中的埋地钢质管道，并未将城镇燃气多种管材、多种管径、多种在役年限等特点纳入评价指标，无法用于城镇燃气管道震害风险评价。《油气管道地质灾害风险管理技术规范》(SY/T 6828-2017)强调了油气管道的地质灾害的风险管理，但该规范几乎未涉及油气管道震害风险评价，仅提出进行活动断裂与地震灾害调查，并未给出灾害易发性的分级标准，因此无法适用于城镇燃气管道震害风险评价。
2.2. 规范的风险评价模型
管道风险评价体系是一个多准则的指标体系，分为目标层、准则层、和指标层三个层次。目标层用于确定管道的风险，准则层用于设定评估模型的评价准则。三个技术规范均提出了从失效可能性和失效后果两个方面进行风险分析，但不同规范对于管道层级安排和指标内容存在差异，尤其是失效可能性和失效后果的计算方法上，采用不同的计算模型，由此建立相应的指标体系。
2.2.1. 常规管道评价模型
(1) 《埋地钢质管道风险评估方法》(GB/T27512-2011)
该规范针对在役埋地钢质管道，提出了管道失效可能性评分因素包括第三方破坏、腐蚀、设备(装置)及人员操作、本质安全进行半定量评分。同时失效后果评分因素包括介质的短期危害性、介质毒性、介质的最大泄漏量、介质的扩散性、人口密度、沿线环境、泄漏原因、供应中断对下游用户影响进行半定量评分。模型有多层级，共有158项底层指标用于埋地钢质管道风险评估，此处仅列出目标层、准则层、指标层(一级指标)内容，如图1所示。
Figure 1. Semi quantitative risk index system for buried steel pipelines
图1. 埋地钢质管道半定量风险指标体系
1) 失效可能性
该规范结合管道可行性论证方面专家的意见提出得到的失效可能性修正模型，由式(1)计算得到：
(1)
应满足
。
式中：S——失效可能性评分；
a1——第三方破坏得分的修正系数；
a2——腐蚀得分的修正系数；
a3——设备及人员操作得分的修正系数；
a4——本质安全质量得分的修正系数；
S1——第三方破坏得分；
S2——腐蚀得分；
S3——设备及人员操作得分；
S4——本质安全质量得分。
2) 失效后果
该规范提出结合管道可行性论证方面专家的意见得到的失效后果修正模型，由式(2)计算得到：
(2)
应满足
式中：C——失效后果评分；
b1——介质的短期危害性得分的修正系数；
b2——介质的最大泄漏量的修正系数；
b3——介质的扩散性得分的修正系数；
b4——人口密度得分的修正系数；
b5——沿线环境得分的修正系数；
b6——泄漏原因得分的修正系数；
b7——供应中断对下游用户影响得分的修正系数；
C1——介质的短期危害性得分；
C2——介质的最大泄漏量得分；
C3——介质的扩散性得分；
C4——人口密度得分；
C5——沿线环境得分；
C6——泄漏原因操作得分；
C7——供应中断对下游用户影响得分。
(2) 《油气输送管道风险评价导则》(SY/T 6859-2020)
Figure 2. Semi quantitative risk index system for oil and gas pipelines (Guidelines)
图2. 油气管道半定量风险指标体系(导则)
该规范主要规定了油气输送管道风险评价的一般程序、内容和原则，并提出在计算中会出现的问题，但并没有提供具体算法。该规范提出了失效可能性应从时间相关、固有因素和时间无关三个方面建立评价指标体系，失效后果应从介质的危险性、介质的泄漏速度或泄漏量、泄漏点周围环境和应急响应措施四个方面建立油气管道的风险指标体系。规范提出多层级指标，共25项底层指标用于油气输送管道风险评价指标体系，此处仅列出目标层、准则层、一级指标内容，如图2所示。
该规范未针对失效可能性和失效后果提出具体的计算方法，未提出具体的风险判别方式，但明确提出了管道的风险值表达为失效可能性和失效后果的乘积，如式(3)：
(3)
式中：R——风险值；
S——失效可能性评分；
C——失效后果评分。
(3) 《油气管道风险评价方法 第1部分：半定量法》(SY/T 6891.1-2012)
该规范主要针对于陆上在役油气输送管线道路提出失效可能性从第三方破坏、腐蚀、制造与施工缺陷、误操作以及地质灾害进行半定量评分；失效后果从介质危害性、影响对象以及泄漏影响扩散系数进行半定量评分，此处仅列出，目标层、准则层、一级指标，如图3所示。
Figure 3. Semi quantitative risk index system for oil and gas pipelines (semi quantitative method)
图3. 油气管道半定量风险指标体系(半定量法)
1) 失效可能性
该规范提出失效可能性的表达式为：
(4)
式中：S——失效可能性评分；
S1——第三方破坏得分；
S2——腐蚀得分；
S3——制造与施工缺陷得分；
S4——误操作得分；
S5——地质灾害得分。
2) 失效后果
该规范提出失效后果的表达式为：
(5)
式中：C——失效后果评分；
C1——介质危害性得分；
C2——影响对象得分；
C3——泄漏扩散系数得分。
2.2.2. 管道灾害风险评价模型
目前在管道风险评价领域，仅出台有《油气管道地质灾害风险管理技术规范》该规范提出管道地质灾害风险由地质灾害易发性、管道易损性和失效后果组成，同时提出基于指标评分法的管道地质灾害风险半定量评价方法是利用失效可能性和失效后果作为评价的准则层，其模型为图4。
Figure 4. Semi quantitative risk index system for geological hazards in oil and gas pipelines
图4. 油气管道地质灾害半定量风险指标体系
1) 风险概率指数
规范提出半定量风险概率指数的表达式为：
(6)
式中：P(R)——风险概率指数；
H'——自然条件下灾害发生的概率指数，取值范围为0~1；
H——已采取的灾害体防治措施能完全阻止灾害发生的概率的指数，取值范围为0~1；
S——灾害发生影响到管道的概率的指数，取值范围为0~1；
V——没有任何防护措施的管道受到灾害作用后发生破坏的概率的指数，取值范围为0~1；
V'——管道防护措施能完全防止管道破坏的概率的指数，取值范围为0~1。
2) 失效后果
该规范提出失效后果的分级方式如表2所示：
Table 2. Classification of consequence levels of geological hazards failure in oil and gas pipelines
表2. 油气管道地质灾害失效后果等级划分表
后果分类 |
后果描述 |
A |
B |
C |
D |
E |
人员伤亡 |
无或轻伤 |
重伤 |
死亡人数1~2 |
死亡人数3~9 |
死亡人数 ≥ 10 |
经济损失 |
<10万 |
10万~100万 |
100万~1000万 |
1000万~1亿元 |
>1亿元 |
环境污染 |
无影响 |
轻微影响 |
区域影响 |
重大影响 |
大规模影响 |
停输影响 |
无影响 |
对生产有重大影响 |
对上/下游公司有重大影响 |
国内影响 |
国内重大或国际影响 |
2.3. 规律与总结
① 管道风险评价体系包括目标层、准则层与指标层三个层次，在准则层中管道风险评价类规范和管道地质灾害风险规范均采用失效可能性与失效后果作为准则层。管道地质灾害风险的失效可能性中《油气管道地质灾害风险管理技术规范》(SY/T 6828-2017)关注点在与管道的灾害风险，半定量法把失效可能性和失效后果作为评价的准则层，且准则层中的失效可能性可以分为地震危险性和管道易损性两个大类。
② 对规范推理得到目标层下层指标应该为地震危害性和管道易损性满足逻辑“与”关系，并通过分析《油气管道风险评价方法 第1部分：半定量法》(SY/T 6891.1-2012)的计算为依据失效后果下层指标分为管输介质危害、受体影响、泄漏扩散，且三者满足逻辑“与”关系。对于规范推理和总结的结论可以为燃气管道震害失效事故树提供依据。
3. 事故树构建
对国内现有的油气管道风险评价规范对标分析，总结出管道风险评价模型规律，并对管道风险指标和管道震害失效事件之间的逻辑进行分析，建立了城镇燃气管道震害失效可能性事故树模型。
3.1. 事故树定义
(a) (b) (c)
Figure 5. Fault tree common logic symbols
图5. 故障树常见逻辑符号
① 事故树分析法定义
故障树分析法(Fault Tree Analysis，简称FTA)作为一种逻辑演绎分析工具，通过事故及联合顺序，组合的图示，描述顶事件与基本事件的内在联系。通过构建故障树，可以清晰地表达故障事件和故障原因之间的因果关系，帮助理解系统中潜在的故障演化路径。故障树的顶事件(T)是指不希望发生的事件，它代表系统的故障。中间事件(M)是导致顶事件发生的故障或事件，而故障树的底部事件则是基本事件(X)。
② 事故树逻辑符号
故障树常见的逻辑关系包括故障树分析法，适用于本文城镇燃气管网在地震易损性影响因素的识别。故障树中常见的逻辑关系有“与”“或”“异或”，故障树逻辑符号见图5。“与”表示仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生，符号如图5(a)所示：“或”表示至少一个输入事件发生时输出事件就发生，符号如图5(b)所示；“异或”表示只有当单个输入事件发生时，输出事件才发生，符号如图5(c)所示。
3.2. 失效事件确定
(1) 顶事件
根据第一章节，对现有国内风险评价规范进行对标分析，得出地震危险性与管道易损性作为指标顶事件，两者对上级指标为“与”的逻辑关系。
(2) 中间事件
由于以往城市燃气建设缺乏规范性，加之燃气管道网络的相关资料多属于保密范畴，因此，获取城镇燃气管道的相关资料面临较大困难。城市给水管道作为生命线工程之一，和城镇燃气管道具有一定相似性，一般体现在管材和运行压力两个方面。对韩国庆州和浦项地震[20]、唐山地震[21]-[23]、阪神地震[24] [25]、汶川地震[26]的管道管径、燃气管道和给水系统进行分析可以得出以下结论：
① 管径对管道震害率的影响明显，管径越大，管道震害率越小。
② 中压管道的震害情况远高于高压管道。出现这种现象可能是由于低压管道大多数为小管径管道，管径越小，震害越严重。
③ 地震作用下管道呈现不同的失效形式，包含管体折断、接口拉开和管体损坏。管道连接相比之下更易遭到震害影响。
④ 烈度对管道震害影响明显，烈度越大，管道震害越严重。
⑤ 对于多种管材管道参与运行的城镇燃气管网，钢管的震害情况比聚乙烯管情况严重。
⑥ 已腐蚀的管道更易受到震害影响。
⑦ 除地震动破坏外，城镇燃气管道还受到了建筑物倒塌造成的二次灾害。
⑧ 相同烈度下，聚乙烯管道的震害率小于钢管的震害率；相同烈度下聚乙烯管道的震害率小于钢管的震害率。
震害失效事件分析结果表明：城镇燃气失效总体可以分为两个方面：地震作用影响和管道本体影响。在地震作用方面，可进一步细分为地震动作用影响、建筑物倒塌、地震地质灾害。而在管道本体方面，则可分为管道腐蚀或老化、管道第三方破坏、管道质量安全问题。将地震作用影响和管道本体的推理事件作为事故树的基本事件，这些基本关系之间的关系对于一级指标为逻辑“或”关系。
(3) 基本事件
① 地震地质危害：地震对城镇燃气管道的间接影响主要体现在地震作用诱发地震地质灾害，主要包括断层、滑坡、地面沉降、泥石流、地裂缝。
② 管道腐蚀和老化。管道腐蚀和老化是管道系统中常见的问题，它们对管道的安全运行和使用寿命产生严重影响。主要包括管道内腐蚀、管道外腐蚀。
3.3. 事故树建立
通过对标分析确定事故树顶事件为地震危险性和管道易损性，结合管道震害事件分析得到事故树的中间事件和基本事件，最终构建城镇燃气管道震害失效事故树模型。模型如图6所示。
Figure 6. Accident tree of seismic damage failure of urban gas pipeline
图6. 城镇燃气管道震害失效事故树
4. 结论
(1) 对国内现有油气管道规范进行对标分析，并根据定义，我们从地震危险性和管道易损性两个方面剖析了影响地震下管道运行安全的原因。在此基础上，将地震危险性和管道易损性确定为城镇燃气管道失效震害事故树模型的一级指标。
(2) 通过对震害下城镇燃气管道和给水管道的事故原因进行国内外分析整理，推理得出了燃气管道震害失效事件。结合所确定的一级指标，最终建立了城镇燃气管道失效事故树模型。模型对提高城镇燃气管道在地震下安全运行，减少管道事故损失有重要的意义。