城镇燃气埋地聚乙烯管道重大危险源评估技术研究

王新华，屈 安，徐永亮，何仁洋，孟 涛（.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 004；.中国特种设备检测研究院，北京 0003）



城镇燃气埋地聚乙烯管道重大危险源评估技术研究

王新华1，屈 安1，徐永亮1，何仁洋2，孟 涛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：为提高城镇燃气埋地聚乙烯管道的使用寿命，准确巡察事故隐患，在对国内外已有管道事故调查、失效原因分析、失效数据统计基础上，通过探寻和分析城镇燃气埋地聚乙烯管道在设计、制造、运输、埋设、运行过程中可能导致燃气泄漏的危险源因素，建立了城镇燃气埋地聚乙烯管道危险源指标体系；通过运用灰色关联分析方法，系统研究并确立了城镇燃气聚乙烯管道危险源辨识指标以及各危险源指标与最优辨识指标的关联度；通过建立灰色层次综合评价模型，计算出了城镇燃气埋地聚乙烯管道危险源评价指标的重要度大小，从而实现了对城镇燃气埋地聚乙烯管道重大危险源的可靠辨识，为准确评估城镇燃气埋地聚乙烯管道的危险源，及时发现事故隐患和实施科学维护提供依据。

关键词：城镇燃气聚乙烯管道；危险源因素；关联度分析；灰色综合评价模型

0　引言

目前，我国在用城镇燃气埋地聚乙烯管道已经使用了10～30年［1］，随着管道使用年限的增加，管道老化及施工造成的损伤，以及因地基沉降与第三方外力的作用［2］，极易导致管道产生缺陷，发生泄漏和爆炸事故，给国家经济、人民生活及生命财产带来巨大损失［3］。因此，如何准确评估城镇燃气埋地聚乙烯管道重大危险源，是实施埋地管道风险评估、及时发现事故隐患、降低管道风险和实施科学防护的重要手段。

自20世纪60年代以来，重大危险源危险性评估技术在航空、航天、核工业、化工、石油、建筑、煤炭等领域被逐步推广和普及［4］。经过多年的研究和发展，目前常用的危险源辨识方法有事件树法、故障树法、管理疏忽和危险树法、安全检查表法等［5－6］分析方法，它们在显性危险源辨识时应用效果较好，但像埋地管道这类隐性危险源的辨识和评估技术研究尚处于起步阶段。由于城镇燃气聚乙烯管道容易受外界环境及地区差异性影响，导致城镇燃气聚乙烯管道失效和产生安全隐患的因素较多且复杂，大多具有模糊性和不确定性，并呈现出一定灰色特性，难以用传统的数学模型加以描述。由于灰色系统理论能够通过对部分已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行规律的正确描述和有效控制［7］，通过采用灰色关联分析方法，在充分揭示危险源的存在及其发生可能性的基础上，系统分析危险源的数量、种类、性质和级别，从而实现对城镇燃气埋地聚乙烯管道重大危险源进行辨识和评估，以解决管道评估过程中信息不全面、无典型统计规律的问题，为准确发现和有效控制重大危险源，提供科学依据，提高管道风险评估的准确性和可靠性。

1　危险源指标体系的构建

城镇燃气聚乙烯管道危险源是指在管道设计、制造、运输、埋设、运行过程中可能存在的因设计不合理、制造质量问题、运输及埋设损伤、土壤侵蚀、生物侵食、老化、植物根系作用、地质沉降、第三方破坏［8－10］，以及在工艺装置、阀门等设备设施与其连接部位钢塑转换处损坏而导致燃气泄漏的各种危险因素。在广泛调研和分析总结国内外有关城镇燃气聚乙烯管道事故原因基础上，基于危险源的属性特征，从埋地管道设计、制造、运输、埋设、运行等五个方面深入剖析导致管道事故的风险因素，从而建立城镇燃气埋地聚乙烯管道的危险源指标体系，如图1所示。

图1　城镇燃气聚乙烯管道系统危险源指标体系

（1）设计阶段。

可靠的设计对城镇燃气聚乙烯管道的运行稳定性和整体寿命起着决定性作用，基于城镇燃气埋地聚乙烯管道设计标准，分析和总结引起管道风险的危险源指标主要有：压力－温度设计、壁厚控制、管沟设计、力学性能、标准执行。

（2）制造阶段。

在聚乙烯管道制造过程，工艺控制非常重要，需要对工艺参数、物料熔体温度、熔体压力进行精确控制、实时监控和质量检验，涉及的主要危险源指标有：原材料质量、加工质量、单位资质、表面处理、出厂检验。

（3）运输阶段。

在聚乙烯管材从生产地到施工现场的运输过程中，不同的运输方式、防护措施、装卸工艺等都会对管材产生影响，甚至导致管体损伤。运输阶段导致管道产生风险的主要危险源指标有：运输方式、防晒措施、防污措施、防撞措施、损伤检查。

（4）埋设阶段。

在管道埋设阶段，对施工工艺的控制和监管非常重要，因施工不规范和监管不到位所带来的管道风险，其涉及的主要危险源指标有：熔接质量、运输防护、最小埋深、工序管理、管线标识。

（5）运行阶段。

在城镇燃气聚乙烯管道敷设时一般会随建筑情况、路面情况和环境情况等变化而变化，会对城镇燃气埋地聚乙烯管道的安全运行产生影响，路面施工、动物活动、微生物侵食、根系作用、土壤侵蚀、老化开裂、占压、地质沉降、第三方破坏等都有可能导致管道破坏，其涉及的主要危险源指标有：第三方破坏、地质沉降破坏、白蚁啃食、土壤侵蚀、植物根系破坏、自然老化、占压。

2　基于灰色关联理论的重大危险源评估模型

2.1 危险性计算方法

对于管道危险源来说，影响其危险性的主要因素：危险源因素产生的可能性，危险源因素所处的等级、危险源因素可能产生的后果。危险源因素的危险性计算公式［11－12］为：

危险源危险性＝Lq·Et·Ce（1）式中 Lq——危险源发生的可能性分数值，如表

1所示

Et——危险源所划分的等级，取值为1，2，

3，4，5

Ce——危险源发生后果的分数值，如表2所示

表1　危险源发生可能性分值

表2　危险源发生后果等级及其分值

2.2 危险源关联度分析

采用灰色关联分析能够定量表征城镇燃气聚乙烯管道中各危险源因素之间在发展过程中随时间的相对变化情况。令χo（k）和χi（k）分别为基本数列和第i个比较因素在k时刻的值，则k时刻的关联系统ξi（k）［13］为：

其关联度γi为：

2.3 应用举例

为验证所建评估模型的正确性，选取北京市燃气集团所属某段埋地燃气聚乙烯管道作为评估对象。该段管道全长3 km，最小埋地深度1.8～2.0 m，正常工作压力0.5 MPa，属于次高压管道，管径为560 mm，管材采用PE100、SDR11，使用年限为8年左右，日常巡线频率为每月5次左右，管道沿线标志清楚，管沟干燥且管沟上方以粘土和水泥硬化路面为主，该管道段的应急预案较为详细，抢险力量及物资较为丰富；该管道段人口密集度高，属于北京市人口密度最高的几个城区之一，早晚高峰期车流量大，人群学历层次和灾害教育水平相对较高，且所处位置为地铁施工段，极易受施工破坏的影响。管道周边高等院校、大型商场、高层办公大楼和居民住宅楼等较为密集，地理位置非常重要。一旦发生事故，其灾害后果和供气区域的停气损失比较大。

表3　危险性分数值

基于上述分析，选取25个危险源因素作为该段管道的危险源辨识对象，即n＝25，根据各危险源的实际状况，专家打分法对个危险源因素逐一打分并求取其均值，得到所有危险源的指标分值，如表3所示。

（1）确定参数序列。

由表3可知，管沟设计的危险源指标（参数）序列为：

X1′＝｛x1′（1），x1′（2），x1′（3）｝＝｛1，2，3｝

壁厚控制的危险源指标（参数）序列为：

X2′＝｛x2′（1），x2′（2），x2′（3）｝＝｛1，1，3｝

其他各危险源指标序列可参照上述两种危险源指标序列确定方法给出。

（2）参考序列的选择。

针对Lq，Et，Ce三个评价指标值，选取三者之中的最小值作为最优值，组成一个新的序列作为参考序列，即：

X0′＝｛x0′（1），x0′（2），x0′（3）｝＝｛1，1，1｝

（3）原始序列的无量纲化。

利用均值化方法对各原始序列进行无量纲化处理，由式（2），（3）可得：

3.15，则有：

从而求出各比较序列均值化后的无量纲化结果，如表4所示。

（4）求绝对差值。

由式（5）计算参考序列X0与各比较序列Xi的绝对差值Δi（k），即：

Δi（k）＝│x0（k）－xi（k）│

当i＝1时，k＝1，Δ1（1）＝│x0（1）－x1（1）│＝0；k＝2，Δ1（2）＝0.385；k＝3，Δ1（3）＝0.634。

同理，可求出各绝对差值，如表5所示。

表4　均值化处理

（5）求两级最大差与最小差。

第一级最大差：

第二级最大差：

第一级最小差：

第二级最小差：

式中，k＝1，2，3；i＝1，2，…，n。

由此可得：Δmax＝2.143；Δmin＝0。

表5　比较序列Xi与参考序列X0的绝对差值Δi（k）

（6）计算关联系数。

比较序列Xi与参考序列X0之间的关联程度采用关联系数进行表征，其计算式为：式中 ξi（k）——序列Xi与参考序列X0在k指标的关联系数，k＝1，2，3，i＝1，2，…，n

p——分辨系数，p∈［0，1］，一般取p＝0.5

由此，可得比较序列Xi与参考序列X0之间的关联系数，如表6所示。

表6　比较序列Xi与参考序列X0之间的关联系数

（7）计算关联度。

基于计算出的关联系数，可以进一步得到比较序列Xi与参考序列X0的关联度γi，即：

根据表6中的数据可得各危险源因素指标的关联度，如表7所示。

表7　各危险源因素指标关联度

根据表7中各危险因素指标的关联度大小，可知γ21＞γ22＞γ16＞γ24＞γ18，因此，针对该段聚乙烯埋地燃气管道，在已知的25个危险因素中，第三方破坏、地质沉降、熔接质量、土壤侵蚀、最小埋深对该段管道的安全运行影响较大，其中第三方破坏的危险性最大，在进行管道风险评估时需要重点考虑，其他危险源的危险性程度也由表7直接查看和进行评估。

3　结语

（1）影响城镇燃气埋地聚乙烯管道安全运行的因素很多，涉及设计、制造、运输、埋设、运行等各环节，通过采用危险源理论，基于事故案例分析方法建立城镇燃气埋地聚乙烯管道危险源指标体系，能够比较直观准确地反映各危险源因素之间的关联关系和作用原理，便于管道的科学管理和科学维护。

（2）通过灰色关联理论，基于关联度计算来直接评价城镇燃气埋地聚乙烯管道各危险因素的危险性大小，便于及时了解和准确掌握各危险因素的危险程度，为管道的科学管理和科学维护提供可靠依据和基础数据，并为进一步开展管道风险评估奠定基础。

参考文献：

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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－hua1，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

通讯作者：屈安（1988－），男，主要从事埋地压力管道检测、流体传动与控制等方面的研究工作，

作者简介：王新华（1969－），男，教授，主要从事埋地管道先进检测与安全评价技术、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学院，E－mail：wxhemma＠163.com。 100124北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学机电学院，E－mail：an006007＠163.com。

收稿日期：2015－05－26

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.1001－4837.2015.10.009

文章编号：1001－4837（2015）10－0054－07

文献标志码：B

中图分类号：TH49；TQ055.8；TQ050.7