在由铁路、公路、水运、航空和管道五大运输方式构成的交通运输体系中，管道运输成为当今油气运输的首选方案。在世界运输系统中，发达国家利用管道输送油气的货物周转量已占全社会货物周转量的22.4％。尤其是在天然气运输方面，由于天然气呈气体状态，相对密度小，易散失，采用管道运输安全性高，输送产品质量有保障、经济性好，对环境污染小，所以天然气的输送一般都采用管道运输。目前，世界上油气长输管道总长度己超过200万km，其中天然气管道约占70％，达140多万km。据统计，今后15年内世界管道的长度将以每年7％的增长率增长，其中天然气管道的建设将占据主导地位。自1963年我国建成第一条大口径长距离输气管道以来，新建天然气管线长度以每10年约1000km的速度增长。应能源结构转变的要求，进入二十一世纪，我国的天然气管线建设进入快速发展期。从2001年到2020年我国将新建天然气长输管道1.63万km，截止到2004年底全国约已经建设天然气管道5751.5km，是前一个十年全年新建天然气管线干线长度的1.45倍。 随着天然气长输管道长度的增加，管道运行的安全性问题也日趋严重和紧迫。由于天然气长输管道空间跨度大，而且多为埋地铺设，所以事故隐患难于发现，管道事故频频发生。从中国、俄罗斯、欧洲和美国的天然气长输管道事故的统计数据中可以看出，天然气管道事故在各类运输管道事故中的所占比例较高，不仅造成巨大的财产损失，而且造成大量人员伤亡，危险性很高。到2003年美国由于天然气长输管道事故导致的财产损失约3×108美元。1989年前苏联乌拉尔山隧道附近的天然气管道泄漏，引起大爆炸，造成了1024人伤亡。我国的天然气管道事故率相对发达国家较高。随着天然气大管径、高压力的长输管道被广泛采用，一旦发生事故，其事故后果的危害程度将会进一步扩大。 为保障天然气长输管道的安全运行，风险评价技术应运而生。从20世纪70年代起，管道风险评价技术开始发展，FMECA、FTA、HAZOP、ETA、道化法、蒙德法等技术在管道风险评价中有不同程度的应用，最有影响力的是Kent评分法，它成为了世界各国所普遍接受的管道风险评价方法和开发风险评估软件的唯一依据。目前，一些研究者进行了含缺陷管道失效方面的研究工作，并形成了评定规范。这些工作为进一步进行管道定量风险评价技术的研究奠定了基础。在评价软件方面，比较典型的就是DNV开发的定量风险评价软件包和2004年VECO公司利用GIS技术开发了基于风险的管道完整性管理程序。到目前为止，这也是唯一的一个基于GIS技术开发的与管道风险管理相关的软件。 我国对天然气长输管道风险评价技术的研究起步较晚，目前在评价工程中主要是定性评价，对天然气长输管道现状定量风险评价目前还处于起步和探索阶段，尤其是多因素、全概率的定量风险评价，还没有看到相关的报道。天然气长输管道的线路长、范围广、元素多，需要有效地对管道的空间数据进行管理，而日臻成熟的GIS技术为这一问题提供了解决方案。因此，GIS技术在国内外长输管道的管理与控制方面的应用愈来愈多，但在长输管道风险评价方面应用还很少。目前在我国应用GIS技术进行天然气长输管道风险评价技术的研究还处于一种较低的层次，主要是对管线本身的管理分析，而不是真正意义上的管道风险分析。 定量风险评价技术是风险评价的高级阶段，一直是人们追求的目标，但目前还没有一个成熟的、系统地、全概率下的定量计算方法。定量就是一个基于数据的计算和推理过程，离开了计算机技术是很难实现的。结合天然气长输管道对空间数据的依赖和定量风险评价分析结果对空间表达的需要，本文采用了在俄罗斯期间对该领域的研究思路和部分研究基础，对天然气长输管道全概率下的定量风险评价技术进行了研究，基于GIS技术设计、开发了天然气长输管道定量风险评价软件，以解决对我国天然气长输管道现状的定量风险评价问题。主要在以下几个方面开展了研究工作： (1)研究国内外天然气长输管道的发展状况及其事故的严重性，阐述了进行风险评价的必要性和紧迫性；分析了国内外长输管道风险评价技术的发展和存在的问题，我国进而提出解决问题的思路：基于GIS的天然气长输管道定量风险评价技术。GIS技术能够有效的管理和分析长输管道的空间数据，为定量风险评价提供数据基础；定量风险评价技术可以准确、严谨地对管道的运行状况做出评估，为管道的安全管理和决策提供科学依据。因此，本文的研究不仅具有理论意义，而且就有现实意义。 (2)研究了风险评价的相关概念、原理、原则和评价方法；阐述了基于事故场景的事故机理分析过程；提出了基于事故场景的天然气长输管道定量风险评价框架并确定了风险表达方式。 (3)深入研究天然气长输管道事故的发生、发展过程和事故后果；通过分析长输管道的特点，确定了划分评价单元的方法和规则。通过对天然气长输管道的输送介质、输送工艺和管线环境进行分析研究，找出潜在的危险有害因素集，包括介质的、输送工艺的和环境的方面的危险有害因素。本文跳出了以往基于事故基本原因对天然气长输管道进行风险分析的窠臼，而是基于事故过程分析了天然气长输管道事故的发生规律和特点，并以此归纳出三类事故场景，即腐蚀导致的事故、裂纹导致的事故和意外破坏导致的事故，并给出了事故发展的表征量：腐蚀率、裂纹扩展速率和意外事故的事故率，大大简化了风险分析过程，节省了大量的人力、物力、财力和时间。 (4)研究了天然气长输管道在腐蚀、裂纹、意外破坏的影响下事故发生概率的计算方法和事故后果危害分析方法。应用事故树对天然气长输管道事故进行分析，给出了联合概率的计算方法。由于管道本身的材料性能、工况载荷等评价参量都具有一定的不确性定性，应用确定性的评价方法不能真实地反映管道的安全状况。因此，本文基于概率断裂力学的思想、理论和方法，应用Mont-Carlo方法、DNVRP-F101评定规范和FAD曲线，确定了由于腐蚀和裂纹的发展而导致长输管道发生事故的概率的计算方法。意外事故的发生具有很大的随机性，一直以来只能进行定性地分析。本文基于事故统计和Baeys的思想和理论，尝试性提出了计算意外事故发生的概率的思路和方法，为解决随机性很大的意外事故发生可能性的量化问题提供了新的思路。从量化事故后果危害程度出发，确定了天然气发生泄漏，继而发生火灾、爆炸时的危害范围和对周围人的伤害程度和对物的破坏程度及个人风险和社会风险的计算方法。 (5)基于GIS技术对天然气长输管道定量风险评价系统进行了研发。从GIS的基本概念、基本结构和应用范围论述开始，提出了本系统的设计原则，给出了系统的组织方式、功能结构和数据结构，以及系统研发过程中涉及到的一些关键技术解决方案。系统不仅实现了对管线数据和管线所处环境数据的管理功能，还实现了对天然气长输管道定量风险评价的全过程管理。评价人员应用系统可以新建一个评价项目，定义评价范围。系统实现了对评价目标采用自动或交互方式进行评价单元划分和自动危险有害因素识别的功能，在管线走向图上直接描述出天然气泄漏的危害范围和火灾、爆炸的危害范围和对人和物的危害程度，以及不同距离上的个人风险和社会风险值，并能够以word文档的格式输出。系统用简便的操作方式和直观的表达方式把多个人、长时间、专业化的工作转化为一个人、短时间的日常工作，从而使风险评价工作渗透到天然气长输管道的日常安全管理过程中，具有现实意义。 (6)以一段天然气长输管道为例，进行了定量风险评价，给出了分析结果，包括腐蚀、裂纹和意外破坏导致天然气长输管道事故的概率值，天然气泄漏危害分为分布图、喷射燃烧的危害范围图、爆炸事故的危害范围图和个人风险、社会风险沿管线的分布图。充分体现了系统的操作简单、分析结果直观、功能强大、实用强的特点。 本文通过对天然气长输管道定量风险评价技术的分析研究，建立了一套较完善的、系统的、全概率下的天然气长输管道定量风险评价方法，为进一步进行定量风险评价技术研究提供了新的思路。同时，本文基于GIS技术设计、开发了天然气长输管道定量风险系统，具有现实意义。但在事故后果模拟计算方法上需要改进，使其空间属性更接近于实际情况；在软件系统的功能上还应该加入应急预案功能，从而形成事前、事中和事后的全方位、全过程的安全管理，更有效保障管道的安全运行和人民的生命财产安全。