城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效風險等級評定方法研究

王新華，徐永亮，屈　安，孟　濤，何仁洋

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京　100124；2.中國特種設備檢測研究院，北京　100013)

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安全分析

城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效風險等級評定方法研究

王新華1，徐永亮1，屈安1，孟濤2，何仁洋2

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京100124；2.中國特種設備檢測研究院，北京100013)

摘要：針對安全基礎薄弱、泄漏事故頻發(fā)的城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道，區(qū)別于以往傳統(tǒng)鋼質管道，引入可拓理論，結合肯特評分法和層次分析法，在對聚乙烯管道風險等級進行初步定義的基礎上，確定了第三方破壞、脆性開裂、蠕變失效、泄漏失效4個主要評價指標，建立了城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效風險等級評定模型，確定了各風險評價指標的評分及其權重值的計算方法。為了證明所提出方法，通過一個簡單的實例，對其失效風險等級進行定量計算，驗證可拓理論在燃氣聚乙烯管道失效風險評價中的可行性，結果表明所建指標較為合理，評價方法科學有效，評價結果可信，為城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效風險等級評定提供了新思路。

關鍵詞：城鎮(zhèn)燃氣；聚乙烯管道；風險等級；可拓理論；風險指標

0引言

聚乙烯管道以其優(yōu)良的物理、化學性能已經在中低壓燃氣管網(wǎng)中取代了過去的傳統(tǒng)管材(如鋼管、鑄鐵管等)，成為GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》的首選管材，聚乙烯管道的使用情況也成為了衡量一個地區(qū)燃氣技術水平的指標之一。目前，我國在用城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道已經使用了10~30年，隨著燃氣管道埋地時間的增長，管道事故頻發(fā)，導致人員和財產遭受巨大損失。

國內外對燃氣聚乙烯管道的安全評價研究主要集中在設計、生產、儲存、運輸和安裝等方面，對于燃氣聚乙烯管道的風險評價研究甚少?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)風險評價方法只針對埋地鋼質管道，沒有或者未能充分考慮到聚乙烯管道與鋼質管道二者之間的本質區(qū)別，而且管道風險評價中廣泛使用的模糊數(shù)學法、事故樹等半定量評價方法，沒有建立精確的數(shù)學模型和一套完整的計算方法，使得評價結果的準確性受到影響。物元和可拓理論模型很好地解決這一問題，它對定量指標的計算大量采用原始數(shù)據(jù)，克服其他評價方法在指標量化時存在的缺點，較好地解決了定性指標與定量指標中存在的質與量的轉化。利用可拓物元評價方法，不但能建立多指標、多等級的性能參數(shù)的評價模型，還能用定量的數(shù)值表示評價結果與各等級集合的關聯(lián)度大小，并用此關聯(lián)度大小確定待評物元所處的等級，從而得出較為準確、完整的綜合評價結果[1]。

1可拓理論

可拓理論是20世紀80年代初由蔡文等[1-2]提出的，是以可拓集合理論和物元理論相結合生成的知識理論體系，來研究物元及其變換的理論的，用一種形式化的工具，從定性和定量的角度研究解決復雜問題的規(guī)律和方法[1-2]。

在可拓理論中，物元表示為以事物、指標及事物關于該指標的量值三者所組成的有序三元組，記為R=(N,C,V)，其中N表示事物，C表示指標的名稱，V表示N關于C所取的量值值域，這三者稱為物元的三要素，有了物元的基本概念就可以把客觀世界看成是一個復雜、相互聯(lián)系的物元網(wǎng)絡。

事物N的n個指標c1,c2,…,cn，及其相應的量值v1,v2,…,vn所構成的陣列R稱為n維物元。記為:

(1)

可拓物元評價就是在物元理論和可拓集合理論的基礎上，將復雜、抽象的問題具體化、形象化成為一種模型，在上述理論基礎上，利用該模型提出相應的應用方法。

2城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效主要因素

2.1　聚乙烯管道失效形式及原因

查閱我國燃氣聚乙烯管道相關標準[3-5]以及對聚乙烯管道事故的調查分析[6-9]，聚乙烯管道運行過程中主要的失效部位在管體本身以及管段相互連接處，主要的失效形式有：管材破損或穿孔、脆性開裂、韌性破壞、泄漏失效。失效原因主要有：

(1)管材破損或穿孔，主要由于人為施工、機械占壓、自然災害；

(2)脆性破壞，包括管段連接處焊接質量問題導致的接頭處開裂、低溫環(huán)境導致管體快速開裂、管道表面存在的初始裂紋導致的慢速開裂、聚乙烯管道在運輸和儲存過程中受到陽光輻射和有機溶劑的腐蝕溶脹導致老化脆性開裂；

(3)韌性破壞，主要是聚乙烯管道的蠕變失效，即管道發(fā)生明顯的塑性變形然后開裂，主要失效原因是管道長期承受內外載荷；

(4)泄漏失效，由于閥門、鋼塑轉換接頭、電熔接頭等管件、接頭、密封面處產生介質泄漏，以及聚乙烯管道在靜電荷增高到能夠克服管材介電強度的足夠水平時發(fā)生的針孔泄漏。

2.2　聚乙烯管道失效主要因素

城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效影響因素較多，根據(jù)其失效形式及原因，結合燃氣聚乙烯管道事故案例，將燃氣聚乙烯管道的失效主要因素劃分為以下4個方面：第三方破壞、脆性開裂、蠕變失效、泄漏失效。

3城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道失效風險等級判定模型

3.1　風險等級劃分

根據(jù)特種設備安全技術規(guī)范TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》[10]第四章“安全狀況等級評定”及第五章“附則”，將城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道的安全等級劃分為5個等級[11]。各等級含義如下。

Ⅰ級：風險水平低，失效后果輕微。在規(guī)定的檢修周期和設計條件下可以安全使用。

Ⅱ級：風險水平較低，失效后果較小。在規(guī)定的檢修周期和設計條件下可以安全使用。

Ⅲ級：風險水平中等，能造成一定的失效后果。在規(guī)定檢修周期和使用條件下可以監(jiān)控使用。

Ⅳ級：風險水平較高，失效后果嚴重。建議立即消除隱患或馬上修復，如確實需要使用，需重點監(jiān)控。

Ⅴ級：風險水平高，失效后果極其嚴重。應立即采取措施。

3.2　確定風險評價指標

視待評燃氣聚乙烯管道為N，其與風險有關的評價指標為ci(i=1,2,…,n)。由聚乙烯管道失效主要因素，將燃氣聚乙烯管道風險評價指標定為：第三方破壞、脆性開裂、蠕變失效、泄漏失效4項內容。即N=燃氣聚乙烯管道，c1=第三方破壞，c2=脆性開裂，c3=蠕變失效，c4=泄漏失效，n=4。

3.3　確定風險評價指標的量域物元體與節(jié)域物元體

采用專家調查研究法，確定各項風險評價指標ci的量域vji。

Rj=(Nj,ci,vji)

(2)

式中Rj——第j風險等級下的量域物元體

N——所述燃氣聚乙烯管道

j——所述風險等級的序號

c1,c2,c3,c4——Nj的4個不同風險評價指標

vj1,vj2,vj3,vj4——Nj關于c1,c2,c3,c4所取值的范圍，即量域

aj1,bj1——對應的所述量域的端值

在確定所述量域的基礎上，對所述燃氣聚乙烯管道風險的節(jié)域進行確定。

Rp=(P,ci,vpi)

(3)

式中Rp——節(jié)域物元體

P——待評燃氣聚乙烯管道等級的全體，即Ⅰ~Ⅴ級

vp1,vp2,vp3,vp4——P關于c1,c2,c3,c4的范圍，即節(jié)域

ap1,bp1——對應的所述節(jié)域的端值

3.4　確定待評物元體

通過對城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道風險發(fā)生可能性與風險后果程度調查結果統(tǒng)計分析，得出各指標的具體取值，用物元表示：

(4)

式中R0——風險評價的待評物元體

v1,v2,v3,v4——N關于c1,c2,c3,c4的風險評分值，可由肯特評分方法求出

3.5　確定各評價指標的權重

基于模糊層次分析法，構造各項所述風險評價指標ci(i=1,2,3,4)對于所述燃氣聚乙烯管道的判斷矩陣D。

將所述判斷矩陣D的4個行向量歸一化后的算術平均值作為權重向量，按下式計算：

(5)

式中dii′——兩因素判斷值

i，i′——所述評價指標的下標序號，i=1,2,3,4,i′=1,2,3,4

3.6　確定各評價指標的關聯(lián)函數(shù)值

評價指標ci(i=1,2,3,4)關于各風險等級Nj(j=1,2,…,5)的關聯(lián)函數(shù)Kj(vi)采用下式計算。

當vi∈vji時:

(6)

當vi?vji時:

(7)

Kj(vki)=-ρ(vi,vji)-1,ρ(vi,vpi)=ρ(vi,vji)

(8)

其中：∣vji∣=∣bji-aji∣。

式中ρ(vi,vji)和ρ(vi,vpi)按下式計算:

(9)

(10)

式中vji——第i個指標關于第j個等級的量域

vi∈vji——第i個指標的風險評分值屬于第j個等級關于第i個指標的量域

ρ(vi,vji)——第i個指標的風險評分值與其量域的距離

ρ(vi,vpi)——第i個指標的風險評分值與其節(jié)域的距離

3.7　確定待評燃氣聚乙烯管道關聯(lián)函數(shù)值

燃氣聚乙烯管道關于各風險等級Nj(j=1,2,…,5)的關聯(lián)函數(shù)值由下式計算：

(11)

3.8　確定待評燃氣聚乙烯管道風險等級

取對應燃氣聚乙烯管道關聯(lián)函數(shù)值最大時的風險等級為評價結果，根據(jù)：

M(N)=maxMj(N)

(12)

M(N)為所述評價結果，其所對應的風險等級即為待評燃氣聚乙烯管道的風險等級。

4具體實例

現(xiàn)有某市一條中壓燃氣聚乙烯管道，管道直徑315 mm，運行壓力0.27 MPa，埋設深度110 cm，管線全長19.56 km，對其進行風險等級評定。

(1)步驟1。

通過對該管段相關檢測數(shù)據(jù)資料和專家打分，運用肯特評分法，得出各項風險指標評分統(tǒng)計結果，見表1。

表1　各項風險評價指標的評分結果

注：4項風險評價指標的取值范圍均為0~100分。

(2)步驟2。

各項風險評價指標ci的量域vji為:

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(3)步驟3。

各項風險評價指標ci的節(jié)域vpi為:

(18)

(4)步驟4。

待評物元體R0如下：

(19)

(5)步驟5:計算評價指標權重。

在模糊層次分析法中，各因素之間需要進行兩兩比較判斷，通常采用某一個因素相對于另一個因素的重要程度來定量表示，從而得到模糊判斷矩陣D=(dii′)n·n。在本例中,dii′為兩因素判斷值，i與i′均為評價指標的下標序號，i=1,2,3,4,i′=1,2,3,4。根據(jù)管道相關資料和專家建議、意見，該燃氣聚乙烯管道的判斷矩陣D中的兩因素判斷值見表2。

表2　聚乙烯管道兩因素判斷值

判斷矩陣D具體為：

(20)

各項風險評價指標ci(i=1,2,3,4)對于聚乙烯管道風險等級的權重ω1,ω2,…,ω4，由式(5)計算得ω1≈0.444，同理可得：ω2≈0.283,ω3≈0.165,ω4≈0.107。

(6)步驟6:各評價指標的關聯(lián)函數(shù)值。

將量域物元體、節(jié)域物元體相應的端值代入式(6)~(10)，計算得出風險評價指標關于各風險等級的關聯(lián)函數(shù)值，如表3所示。

表3　各風險評價指標關于風險等級的關聯(lián)函數(shù)值

(7)步驟7:燃氣聚乙烯管道的關聯(lián)函數(shù)值。

將步驟5得出的權重以及步驟6得出的各風險評價指標的關聯(lián)函數(shù)值代入式(11)，得出燃氣聚乙烯管道的關聯(lián)函數(shù)值，如表4所示。

表4　聚乙烯管道關聯(lián)函數(shù)值

(8)步驟8:確定所述燃氣聚乙烯管道的風險等級。

取對應所述燃氣聚乙烯管道關聯(lián)函數(shù)值最大時的風險等級為評價結果，即根據(jù)式(12)可知M(N)=maxMj(N)=0.132，處于風險等級Ⅳ級，即待評價燃氣聚乙烯管道失效風險等級為Ⅳ級。

5結語

(1)根據(jù)燃氣聚乙烯管道風險評價理論和收集整理得到的燃氣聚乙烯管道事故信息為基礎，在物元理論和可拓集合理論基礎上，結合肯特評分改進法和層次分析法，建立燃氣聚乙烯管道風險評價模型，能較為全面地分析出燃氣聚乙烯管道風險等級，較好地解決了風險評價中一直存在的定性與定量因素綜合評價問題。

(2)通過實例分析，得出具體燃氣聚乙烯管道風險等級，證明了該方法的可行性，從而實現(xiàn)了“信息收集—風險評價—制定決策”的目標，將燃氣聚乙烯管道風險評價由以往的被動的應急搶險維修方法，變?yōu)橹鲃拥墓艿腊踩L險評價預警管理模式，為燃氣聚乙烯管道的安全運行與維護提供科學的依據(jù)。

參考文獻：

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Study on the Method of Failure Risk Assessment for

Urban Gas Polyethylene Pipe

WANG Xin-hua1，XU Yong-liang1，QU An1，MENG Tao2，HE Ren-yang2

(1.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract:For the safety foundation is weak，frequent leakage accident of urban gas polyethylene pipe，difference from the traditional steel gas pipeline，introducing the extension theory，combined with Kent scoring method and analytic hierarchy process (AHP)，on the preliminary definition of polyethylene pipeline risk level，four main evaluation index third party damage，brittle cracking，creep failure，aging and leakage are determined，the failure risk assessment model of urban gas polyethylene pipe is established，the calculation method of the evaluation index and the corresponding weight value is determined.A simple example is used to demonstrate the proposed approach，quantitative calculation the failure risk level，feasibility of the extension theory in the failure risk assessment of gas polyethylene pipe，the results show that the proposed index is reasonable，scientific and effective of the evaluation method，the evaluation results

are credible，it provides a new way for the failure risk assessment of urban gas pipeline.

Key words:urban gas；polyethylene pipeline；risk level;extension theory;risk index

作者簡介：王新華(1969-)，男，教授，主要從事油氣管道內外腐蝕、流體傳動與控制技術、機電伺服驅動技術等方面的研究工作，

通信地址：100124北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學機電樓103C室，E-mail:wxhemma2005@163.com。

收稿日期：2015-11-06修稿日期：2015-12-14

基金項目：國家質檢總局質檢公益性行業(yè)科研專項項目(201310159)

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.006

中圖分類號：TH49；TQ055.8;O211.67

文獻標志碼：B

文章編號：1001-4837(2015)12-0032-06