城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究

王新华，徐永亮，屈　安，孟　涛，何仁洋

(1.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京　100124；2.中国特种设备检测研究院，北京　100013)



安全分析

城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究

王新华1，徐永亮1，屈安1，孟涛2，何仁洋2

(1.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京100124；2.中国特种设备检测研究院，北京100013)

摘要：针对安全基础薄弱、泄漏事故频发的城镇燃气聚乙烯管道，区别于以往传统钢质管道，引入可拓理论，结合肯特评分法和层次分析法，在对聚乙烯管道风险等级进行初步定义的基础上，确定了第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、泄漏失效4个主要评价指标，建立了城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定模型，确定了各风险评价指标的评分及其权重值的计算方法。为了证明所提出方法，通过一个简单的实例，对其失效风险等级进行定量计算，验证可拓理论在燃气聚乙烯管道失效风险评价中的可行性，结果表明所建指标较为合理，评价方法科学有效，评价结果可信，为城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定提供了新思路。

关键词：城镇燃气；聚乙烯管道；风险等级；可拓理论；风险指标

0引言

聚乙烯管道以其优良的物理、化学性能已经在中低压燃气管网中取代了过去的传统管材(如钢管、铸铁管等)，成为GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》的首选管材，聚乙烯管道的使用情况也成为了衡量一个地区燃气技术水平的指标之一。目前，我国在用城镇燃气聚乙烯管道已经使用了10~30年，随着燃气管道埋地时间的增长，管道事故频发，导致人员和财产遭受巨大损失。

国内外对燃气聚乙烯管道的安全评价研究主要集中在设计、生产、储存、运输和安装等方面，对于燃气聚乙烯管道的风险评价研究甚少。现有的绝大多数风险评价方法只针对埋地钢质管道，没有或者未能充分考虑到聚乙烯管道与钢质管道二者之间的本质区别，而且管道风险评价中广泛使用的模糊数学法、事故树等半定量评价方法，没有建立精确的数学模型和一套完整的计算方法，使得评价结果的准确性受到影响。物元和可拓理论模型很好地解决这一问题，它对定量指标的计算大量采用原始数据，克服其他评价方法在指标量化时存在的缺点，较好地解决了定性指标与定量指标中存在的质与量的转化。利用可拓物元评价方法，不但能建立多指标、多等级的性能参数的评价模型，还能用定量的数值表示评价结果与各等级集合的关联度大小，并用此关联度大小确定待评物元所处的等级，从而得出较为准确、完整的综合评价结果[1]。

1可拓理论

可拓理论是20世纪80年代初由蔡文等[1-2]提出的，是以可拓集合理论和物元理论相结合生成的知识理论体系，来研究物元及其变换的理论的，用一种形式化的工具，从定性和定量的角度研究解决复杂问题的规律和方法[1-2]。

在可拓理论中，物元表示为以事物、指标及事物关于该指标的量值三者所组成的有序三元组，记为R=(N,C,V)，其中N表示事物，C表示指标的名称，V表示N关于C所取的量值值域，这三者称为物元的三要素，有了物元的基本概念就可以把客观世界看成是一个复杂、相互联系的物元网络。

事物N的n个指标c1,c2,…,cn，及其相应的量值v1,v2,…,vn所构成的阵列R称为n维物元。记为:

(1)

可拓物元评价就是在物元理论和可拓集合理论的基础上，将复杂、抽象的问题具体化、形象化成为一种模型，在上述理论基础上，利用该模型提出相应的应用方法。

2城镇燃气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

查阅我国燃气聚乙烯管道相关标准[3-5]以及对聚乙烯管道事故的调查分析[6-9]，聚乙烯管道运行过程中主要的失效部位在管体本身以及管段相互连接处，主要的失效形式有：管材破损或穿孔、脆性开裂、韧性破坏、泄漏失效。失效原因主要有：

(1)管材破损或穿孔，主要由于人为施工、机械占压、自然灾害；

(2)脆性破坏，包括管段连接处焊接质量问题导致的接头处开裂、低温环境导致管体快速开裂、管道表面存在的初始裂纹导致的慢速开裂、聚乙烯管道在运输和储存过程中受到阳光辐射和有机溶剂的腐蚀溶胀导致老化脆性开裂；

(3)韧性破坏，主要是聚乙烯管道的蠕变失效，即管道发生明显的塑性变形然后开裂，主要失效原因是管道长期承受内外载荷；

(4)泄漏失效，由于阀门、钢塑转换接头、电熔接头等管件、接头、密封面处产生介质泄漏，以及聚乙烯管道在静电荷增高到能够克服管材介电强度的足够水平时发生的针孔泄漏。

2.2　聚乙烯管道失效主要因素

城镇燃气聚乙烯管道失效影响因素较多，根据其失效形式及原因，结合燃气聚乙烯管道事故案例，将燃气聚乙烯管道的失效主要因素划分为以下4个方面：第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、泄漏失效。

3城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级判定模型

3.1　风险等级划分

根据特种设备安全技术规范TSG R7001—2013《压力容器定期检验规则》[10]第四章“安全状况等级评定”及第五章“附则”，将城镇燃气聚乙烯管道的安全等级划分为5个等级[11]。各等级含义如下。

Ⅰ级：风险水平低，失效后果轻微。在规定的检修周期和设计条件下可以安全使用。

Ⅱ级：风险水平较低，失效后果较小。在规定的检修周期和设计条件下可以安全使用。

Ⅲ级：风险水平中等，能造成一定的失效后果。在规定检修周期和使用条件下可以监控使用。

Ⅳ级：风险水平较高，失效后果严重。建议立即消除隐患或马上修复，如确实需要使用，需重点监控。

Ⅴ级：风险水平高，失效后果极其严重。应立即采取措施。

3.2　确定风险评价指标

视待评燃气聚乙烯管道为N，其与风险有关的评价指标为ci(i=1,2,…,n)。由聚乙烯管道失效主要因素，将燃气聚乙烯管道风险评价指标定为：第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、泄漏失效4项内容。即N=燃气聚乙烯管道，c1=第三方破坏，c2=脆性开裂，c3=蠕变失效，c4=泄漏失效，n=4。

3.3　确定风险评价指标的量域物元体与节域物元体

采用专家调查研究法，确定各项风险评价指标ci的量域vji。

Rj=(Nj,ci,vji)

(2)

式中Rj——第j风险等级下的量域物元体

N——所述燃气聚乙烯管道

j——所述风险等级的序号

c1,c2,c3,c4——Nj的4个不同风险评价指标

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

aj1,bj1——对应的所述量域的端值

在确定所述量域的基础上，对所述燃气聚乙烯管道风险的节域进行确定。

Rp=(P,ci,vpi)

(3)

式中Rp——节域物元体

P——待评燃气聚乙烯管道等级的全体，即Ⅰ~Ⅴ级

vp1,vp2,vp3,vp4——P关于c1,c2,c3,c4的范围，即节域

ap1,bp1——对应的所述节域的端值

3.4　确定待评物元体

通过对城镇燃气聚乙烯管道风险发生可能性与风险后果程度调查结果统计分析，得出各指标的具体取值，用物元表示：

(4)

式中R0——风险评价的待评物元体

v1,v2,v3,v4——N关于c1,c2,c3,c4的风险评分值，可由肯特评分方法求出

3.5　确定各评价指标的权重

基于模糊层次分析法，构造各项所述风险评价指标ci(i=1,2,3,4)对于所述燃气聚乙烯管道的判断矩阵D。

将所述判断矩阵D的4个行向量归一化后的算术平均值作为权重向量，按下式计算：

(5)

式中dii′——两因素判断值

i，i′——所述评价指标的下标序号，i=1,2,3,4,i′=1,2,3,4

3.6　确定各评价指标的关联函数值

评价指标ci(i=1,2,3,4)关于各风险等级Nj(j=1,2,…,5)的关联函数Kj(vi)采用下式计算。

当vi∈vji时:

(6)

当vi∉vji时:

(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)按下式计算:

(9)

(10)

式中vji——第i个指标关于第j个等级的量域

vi∈vji——第i个指标的风险评分值属于第j个等级关于第i个指标的量域

ρ(vi,vji)——第i个指标的风险评分值与其量域的距离

ρ(vi,vpi)——第i个指标的风险评分值与其节域的距离

3.7　确定待评燃气聚乙烯管道关联函数值

燃气聚乙烯管道关于各风险等级Nj(j=1,2,…,5)的关联函数值由下式计算：

(11)

3.8　确定待评燃气聚乙烯管道风险等级

取对应燃气聚乙烯管道关联函数值最大时的风险等级为评价结果，根据：

M(N)=maxMj(N)

(12)

M(N)为所述评价结果，其所对应的风险等级即为待评燃气聚乙烯管道的风险等级。

4具体实例

现有某市一条中压燃气聚乙烯管道，管道直径315 mm，运行压力0.27 MPa，埋设深度110 cm，管线全长19.56 km，对其进行风险等级评定。

(1)步骤1。

通过对该管段相关检测数据资料和专家打分，运用肯特评分法，得出各项风险指标评分统计结果，见表1。

表1　各项风险评价指标的评分结果

注：4项风险评价指标的取值范围均为0~100分。

(2)步骤2。

各项风险评价指标ci的量域vji为:

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(3)步骤3。

各项风险评价指标ci的节域vpi为:

(18)

(4)步骤4。

待评物元体R0如下：

(19)

(5)步骤5:计算评价指标权重。

在模糊层次分析法中，各因素之间需要进行两两比较判断，通常采用某一个因素相对于另一个因素的重要程度来定量表示，从而得到模糊判断矩阵D=(dii′)n·n。在本例中,dii′为两因素判断值，i与i′均为评价指标的下标序号，i=1,2,3,4,i′=1,2,3,4。根据管道相关资料和专家建议、意见，该燃气聚乙烯管道的判断矩阵D中的两因素判断值见表2。

表2　聚乙烯管道两因素判断值

判断矩阵D具体为：

(20)

各项风险评价指标ci(i=1,2,3,4)对于聚乙烯管道风险等级的权重ω1,ω2,…,ω4，由式(5)计算得ω1≈0.444，同理可得：ω2≈0.283,ω3≈0.165,ω4≈0.107。

(6)步骤6:各评价指标的关联函数值。

将量域物元体、节域物元体相应的端值代入式(6)~(10)，计算得出风险评价指标关于各风险等级的关联函数值，如表3所示。

表3　各风险评价指标关于风险等级的关联函数值

(7)步骤7:燃气聚乙烯管道的关联函数值。

将步骤5得出的权重以及步骤6得出的各风险评价指标的关联函数值代入式(11)，得出燃气聚乙烯管道的关联函数值，如表4所示。

表4　聚乙烯管道关联函数值

(8)步骤8:确定所述燃气聚乙烯管道的风险等级。

取对应所述燃气聚乙烯管道关联函数值最大时的风险等级为评价结果，即根据式(12)可知M(N)=maxMj(N)=0.132，处于风险等级Ⅳ级，即待评价燃气聚乙烯管道失效风险等级为Ⅳ级。

5结语

(1)根据燃气聚乙烯管道风险评价理论和收集整理得到的燃气聚乙烯管道事故信息为基础，在物元理论和可拓集合理论基础上，结合肯特评分改进法和层次分析法，建立燃气聚乙烯管道风险评价模型，能较为全面地分析出燃气聚乙烯管道风险等级，较好地解决了风险评价中一直存在的定性与定量因素综合评价问题。

(2)通过实例分析，得出具体燃气聚乙烯管道风险等级，证明了该方法的可行性，从而实现了“信息收集—风险评价—制定决策”的目标，将燃气聚乙烯管道风险评价由以往的被动的应急抢险维修方法，变为主动的管道安全风险评价预警管理模式，为燃气聚乙烯管道的安全运行与维护提供科学的依据。

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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

作者简介：王新华(1969-)，男，教授，主要从事油气管道内外腐蚀、流体传动与控制技术、机电伺服驱动技术等方面的研究工作，

通信地址：100124北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学机电楼103C室，E-mail:wxhemma2005@163.com。

收稿日期：2015-11-06修稿日期：2015-12-14

基金项目：国家质检总局质检公益性行业科研专项项目(201310159)

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.006

中图分类号：TH49；TQ055.8;O211.67

文献标志码：B

文章编号：1001-4837(2015)12-0032-06