城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿乐卮笪ｋU源評估技術(shù)研究

王新華，屈 安，徐永亮，何仁洋，孟 濤（.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 004；.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 0003）

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城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿乐卮笪ｋU源評估技術(shù)研究

王新華1，屈 安1，徐永亮1，何仁洋2，孟 濤2
（1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

摘 要：為提高城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿赖氖褂脡勖?，?zhǔn)確巡察事故隱患，在對國內(nèi)外已有管道事故調(diào)查、失效原因分析、失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎(chǔ)上，通過探尋和分析城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿涝谠O(shè)計、制造、運輸、埋設(shè)、運行過程中可能導(dǎo)致燃?xì)庑孤┑奈ｋU源因素，建立了城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿牢ｋU源指標(biāo)體系；通過運用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，系統(tǒng)研究并確立了城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿牢ｋU源辨識指標(biāo)以及各危險源指標(biāo)與最優(yōu)辨識指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；通過建立灰色層次綜合評價模型，計算出了城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿牢ｋU源評價指標(biāo)的重要度大小，從而實現(xiàn)了對城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿乐卮笪ｋU源的可靠辨識，為準(zhǔn)確評估城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿赖奈ｋU源，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患和實施科學(xué)維護(hù)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿溃晃ｋU源因素；關(guān)聯(lián)度分析；灰色綜合評價模型

0　引言

目前，我國在用城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿酪呀?jīng)使用了10～30年［1］，隨著管道使用年限的增加，管道老化及施工造成的損傷，以及因地基沉降與第三方外力的作用［2］，極易導(dǎo)致管道產(chǎn)生缺陷，發(fā)生泄漏和爆炸事故，給國家經(jīng)濟(jì)、人民生活及生命財產(chǎn)帶來巨大損失［3］。因此，如何準(zhǔn)確評估城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿乐卮笪ｋU源，是實施埋地管道風(fēng)險評估、及時發(fā)現(xiàn)事故隱患、降低管道風(fēng)險和實施科學(xué)防護(hù)的重要手段。

自20世紀(jì)60年代以來，重大危險源危險性評估技術(shù)在航空、航天、核工業(yè)、化工、石油、建筑、煤炭等領(lǐng)域被逐步推廣和普及［4］。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，目前常用的危險源辨識方法有事件樹法、故障樹法、管理疏忽和危險樹法、安全檢查表法等［5－6］分析方法，它們在顯性危險源辨識時應(yīng)用效果較好，但像埋地管道這類隱性危險源的辨識和評估技術(shù)研究尚處于起步階段。由于城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿廊菀资芡饨绛h(huán)境及地區(qū)差異性影響，導(dǎo)致城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿朗Ш彤a(chǎn)生安全隱患的因素較多且復(fù)雜，大多具有模糊性和不確定性，并呈現(xiàn)出一定灰色特性，難以用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型加以描述。由于灰色系統(tǒng)理論能夠通過對部分已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行規(guī)律的正確描述和有效控制［7］，通過采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，在充分揭示危險源的存在及其發(fā)生可能性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析危險源的數(shù)量、種類、性質(zhì)和級別，從而實現(xiàn)對城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿乐卮笪ｋU源進(jìn)行辨識和評估，以解決管道評估過程中信息不全面、無典型統(tǒng)計規(guī)律的問題，為準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和有效控制重大危險源，提供科學(xué)依據(jù)，提高管道風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性和可靠性。

1　危險源指標(biāo)體系的構(gòu)建

城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿牢ｋU源是指在管道設(shè)計、制造、運輸、埋設(shè)、運行過程中可能存在的因設(shè)計不合理、制造質(zhì)量問題、運輸及埋設(shè)損傷、土壤侵蝕、生物侵食、老化、植物根系作用、地質(zhì)沉降、第三方破壞［8－10］，以及在工藝裝置、閥門等設(shè)備設(shè)施與其連接部位鋼塑轉(zhuǎn)換處損壞而導(dǎo)致燃?xì)庑孤┑母鞣N危險因素。在廣泛調(diào)研和分析總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿朗鹿试蚧A(chǔ)上，基于危險源的屬性特征，從埋地管道設(shè)計、制造、運輸、埋設(shè)、運行等五個方面深入剖析導(dǎo)致管道事故的風(fēng)險因素，從而建立城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿赖奈ｋU源指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿老到y(tǒng)危險源指標(biāo)體系

（1）設(shè)計階段。

可靠的設(shè)計對城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿赖倪\行穩(wěn)定性和整體壽命起著決定性作用，基于城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿涝O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，分析和總結(jié)引起管道風(fēng)險的危險源指標(biāo)主要有：壓力－溫度設(shè)計、壁厚控制、管溝設(shè)計、力學(xué)性能、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

（2）制造階段。

在聚乙烯管道制造過程，工藝控制非常重要，需要對工藝參數(shù)、物料熔體溫度、熔體壓力進(jìn)行精確控制、實時監(jiān)控和質(zhì)量檢驗，涉及的主要危險源指標(biāo)有：原材料質(zhì)量、加工質(zhì)量、單位資質(zhì)、表面處理、出廠檢驗。

（3）運輸階段。

在聚乙烯管材從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場的運輸過程中，不同的運輸方式、防護(hù)措施、裝卸工藝等都會對管材產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致管體損傷。運輸階段導(dǎo)致管道產(chǎn)生風(fēng)險的主要危險源指標(biāo)有：運輸方式、防曬措施、防污措施、防撞措施、損傷檢查。

（4）埋設(shè)階段。

在管道埋設(shè)階段，對施工工藝的控制和監(jiān)管非常重要，因施工不規(guī)范和監(jiān)管不到位所帶來的管道風(fēng)險，其涉及的主要危險源指標(biāo)有：熔接質(zhì)量、運輸防護(hù)、最小埋深、工序管理、管線標(biāo)識。

（5）運行階段。

在城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿婪笤O(shè)時一般會隨建筑情況、路面情況和環(huán)境情況等變化而變化，會對城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿赖陌踩\行產(chǎn)生影響，路面施工、動物活動、微生物侵食、根系作用、土壤侵蝕、老化開裂、占壓、地質(zhì)沉降、第三方破壞等都有可能導(dǎo)致管道破壞，其涉及的主要危險源指標(biāo)有：第三方破壞、地質(zhì)沉降破壞、白蟻啃食、土壤侵蝕、植物根系破壞、自然老化、占壓。

2　基于灰色關(guān)聯(lián)理論的重大危險源評估模型

2.1 危險性計算方法

對于管道危險源來說，影響其危險性的主要因素：危險源因素產(chǎn)生的可能性，危險源因素所處的等級、危險源因素可能產(chǎn)生的后果。危險源因素的危險性計算公式［11－12］為：

危險源危險性＝Lq·Et·Ce（1）式中 Lq——危險源發(fā)生的可能性分?jǐn)?shù)值，如表

1所示

Et——危險源所劃分的等級，取值為1，2，

3，4，5

Ce——危險源發(fā)生后果的分?jǐn)?shù)值，如表2所示

表1　危險源發(fā)生可能性分值

表2　危險源發(fā)生后果等級及其分值

2.2 危險源關(guān)聯(lián)度分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析能夠定量表征城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿乐懈魑ｋU源因素之間在發(fā)展過程中隨時間的相對變化情況。令χo（k）和χi（k）分別為基本數(shù)列和第i個比較因素在k時刻的值，則k時刻的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)ξi（k）［13］為：

其關(guān)聯(lián)度γi為：

2.3 應(yīng)用舉例

為驗證所建評估模型的正確性，選取北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)所屬某段埋地燃?xì)饩垡蚁┕艿雷鳛樵u估對象。該段管道全長3 km，最小埋地深度1.8～2.0 m，正常工作壓力0.5 MPa，屬于次高壓管道，管徑為560 mm，管材采用PE100、SDR11，使用年限為8年左右，日常巡線頻率為每月5次左右，管道沿線標(biāo)志清楚，管溝干燥且管溝上方以粘土和水泥硬化路面為主，該管道段的應(yīng)急預(yù)案較為詳細(xì)，搶險力量及物資較為豐富；該管道段人口密集度高，屬于北京市人口密度最高的幾個城區(qū)之一，早晚高峰期車流量大，人群學(xué)歷層次和災(zāi)害教育水平相對較高，且所處位置為地鐵施工段，極易受施工破壞的影響。管道周邊高等院校、大型商場、高層辦公大樓和居民住宅樓等較為密集，地理位置非常重要。一旦發(fā)生事故，其災(zāi)害后果和供氣區(qū)域的停氣損失比較大。

表3　危險性分?jǐn)?shù)值

基于上述分析，選取25個危險源因素作為該段管道的危險源辨識對象，即n＝25，根據(jù)各危險源的實際狀況，專家打分法對個危險源因素逐一打分并求取其均值，得到所有危險源的指標(biāo)分值，如表3所示。

（1）確定參數(shù)序列。

由表3可知，管溝設(shè)計的危險源指標(biāo)（參數(shù)）序列為：

X1′＝｛x1′（1），x1′（2），x1′（3）｝＝｛1，2，3｝

壁厚控制的危險源指標(biāo)（參數(shù)）序列為：

X2′＝｛x2′（1），x2′（2），x2′（3）｝＝｛1，1，3｝

其他各危險源指標(biāo)序列可參照上述兩種危險源指標(biāo)序列確定方法給出。

（2）參考序列的選擇。

針對Lq，Et，Ce三個評價指標(biāo)值，選取三者之中的最小值作為最優(yōu)值，組成一個新的序列作為參考序列，即：

X0′＝｛x0′（1），x0′（2），x0′（3）｝＝｛1，1，1｝

（3）原始序列的無量綱化。

利用均值化方法對各原始序列進(jìn)行無量綱化處理，由式（2），（3）可得：

3.15，則有：

從而求出各比較序列均值化后的無量綱化結(jié)果，如表4所示。

（4）求絕對差值。

由式（5）計算參考序列X0與各比較序列Xi的絕對差值Δi（k），即：

Δi（k）＝│x0（k）－xi（k）│

當(dāng)i＝1時，k＝1，Δ1（1）＝│x0（1）－x1（1）│＝0；k＝2，Δ1（2）＝0.385；k＝3，Δ1（3）＝0.634。

同理，可求出各絕對差值，如表5所示。

表4　均值化處理

（5）求兩級最大差與最小差。

第一級最大差：

第二級最大差：

第一級最小差：

第二級最小差：

式中，k＝1，2，3；i＝1，2，…，n。

由此可得：Δmax＝2.143；Δmin＝0。

表5　比較序列Xi與參考序列X0的絕對差值Δi（k）

（6）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

比較序列Xi與參考序列X0之間的關(guān)聯(lián)程度采用關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行表征，其計算式為：式中 ξi（k）——序列Xi與參考序列X0在k指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，k＝1，2，3，i＝1，2，…，n

p——分辨系數(shù)，p∈［0，1］，一般取p＝0.5

由此，可得比較序列Xi與參考序列X0之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表6所示。

表6　比較序列Xi與參考序列X0之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)

（7）計算關(guān)聯(lián)度。

基于計算出的關(guān)聯(lián)系數(shù)，可以進(jìn)一步得到比較序列Xi與參考序列X0的關(guān)聯(lián)度γi，即：

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)可得各危險源因素指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，如表7所示。

表7　各危險源因素指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

根據(jù)表7中各危險因素指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度大小，可知γ21＞γ22＞γ16＞γ24＞γ18，因此，針對該段聚乙烯埋地燃?xì)夤艿溃谝阎?5個危險因素中，第三方破壞、地質(zhì)沉降、熔接質(zhì)量、土壤侵蝕、最小埋深對該段管道的安全運行影響較大，其中第三方破壞的危險性最大，在進(jìn)行管道風(fēng)險評估時需要重點考慮，其他危險源的危險性程度也由表7直接查看和進(jìn)行評估。

3　結(jié)語

（1）影響城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿腊踩\行的因素很多，涉及設(shè)計、制造、運輸、埋設(shè)、運行等各環(huán)節(jié)，通過采用危險源理論，基于事故案例分析方法建立城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿牢ｋU源指標(biāo)體系，能夠比較直觀準(zhǔn)確地反映各危險源因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和作用原理，便于管道的科學(xué)管理和科學(xué)維護(hù)。

（2）通過灰色關(guān)聯(lián)理論，基于關(guān)聯(lián)度計算來直接評價城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿栏魑ｋU因素的危險性大小，便于及時了解和準(zhǔn)確掌握各危險因素的危險程度，為管道的科學(xué)管理和科學(xué)維護(hù)提供可靠依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為進(jìn)一步開展管道風(fēng)險評估奠定基礎(chǔ)。

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修稿日期：2015－10－12

Study on Major Hazards Evaluation Technology for City Buried PE Gas Pipeline System

WANG Xin－h(huán)ua1，QU An1，XU Yong－liang1，HE Ren－yang2，MENG Tao2
（1.School of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technol-ogy，Beijing 100124，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100013，China）

Abstract：In order to improve the life of city PE gas pipeline，based on the domestic and international ac-cident investigation，failure analysis and failure statistics，analysis of city PE gas pipeline hazard factors in the design，manufacture，buried，transportation and operation of the process which may lead to a gas leak.Used assoeiated degree analysis method，determined city PE gas pipeline system hazard indicators and the assoeiated degree with the bestid entification index.Based on grey comprehensive evaluation model，the degree of each dangerous soure′s hazard is sequeneed with a corresponding identifieation result in order to evaluation hazards of the city polyethylene gas pipeline and timely found potential accidents so as to pro-vide basis for implementing scientific maintenance.

Key words：city PE gas pipeline；hazard factors；associated degree analysis；grey comprehensive evalua-tion model

通訊作者：屈安（1988－），男，主要從事埋地壓力管道檢測、流體傳動與控制等方面的研究工作，

作者簡介：王新華（1969－），男，教授，主要從事埋地管道先進(jìn)檢測與安全評價技術(shù)、流體傳動與控制技術(shù)、機(jī)電伺服驅(qū)動技術(shù)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(xué)機(jī)電學(xué)院，E－mail：wxhemma＠163.com。 100124北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，E－mail：an006007＠163.com。

收稿日期：2015－05－26

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

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.009

文章編號：1001－4837（2015）10－0054－07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

中圖分類號：TH49；TQ055.8；TQ050.7