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城市埋地管道占压风险评估实用方法研究*

2017-04-14刘朝峰姜力本郭小东

中国安全生产科学技术 2017年2期
关键词:燃气管燃气隐患

刘朝峰,姜力本,王 威,郭小东

(1.河北工业大学 土木与交通学院,天津 300401; 2.河北省土木工程技术研究中心,天津 300401;3. 北京工业大学 抗震减灾研究所,北京 100124)

0 引言

燃气管道属于城市生命线系统,其安全运行不仅影响经济的健康发展,还可能涉及公共安全。我国城市燃气管道多采用埋地方式,随着经济的发展和城市建设步伐的加速,占压埋地管道现象成为威胁管道安全运行最为突出的问题,一旦失效破坏将对沿线的人民生命、财产安全构成严重的威胁[1-4]。因此,有必要对城市燃气埋地管道占压风险进行排查和评估,以合理安排占压风险处置的优先次序,消除安全隐患。

对燃气管道占压问题的研究主要有燃气管道占压隐患排查[5-7]和占压作用下燃气管道力学性能[8-9]、失效机理[10-11]、管土相互作用机理[12]等研究。但是针对整个城市层面的燃气管道占压隐患风险评估研究较少。牛亚楠等[13]建立了燃气管道占压隐患的模糊综合评价方法。但采用层次分析法确定指标权重,需要对判断矩阵做一致性检验,并且需要求特征值与特征向量来计算权重,运算复杂繁琐;模糊综合评价法需要人为确定隶属函数,计算结果受主观影响较大。而采用属性层次模型(AHM)确定指标权重时,只需做加乘运算,不需做判断矩阵的一致性检验,也不需求特征值与特征向量,而且还解决了指标之间相互影响的问题,能够避免大量运算[14]。采用数理统计理论预测占压风险发生的可能性及其概率区间分布,补充或修正占压风险评估的精度[15]。因此,为了实现管道占压风险评估的实用性、简便性、科学性,基于属性层次模型和数理统计理论,提出城市埋地管道占压风险评估实用方法,以期为埋地管道占压隐患处治提供技术支撑。

1 评估模型

1.1 影响因素及其指标选取

参考《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)第六章中有关燃气埋地管道占压隐患的评判标准,结合国内外占压隐患特点、占压事故成因等分析,提取城市燃气埋地管道占压隐患的共性特点,确定影响城市燃气埋地管道占压隐患的主要因素有占压物类型、占压形式、管道设计压力、管径、管材、使用时间、占压隐患发生区域等7个影响因子[5-7,11]。由于管道埋深支撑资料欠缺,这里管道埋深因素未考虑,在以后研究中待完善。根据北京城市燃气管道占压风险影响因素和评价指标统计研究,以全面性、简洁性、可操作性为原则,可得到城市燃气埋地管道占压风险评价指标体系,见表1。

表1 燃气埋地管道占压隐患风险评价指标体系

1.2 AHM算法计算属性权重

AHM是基于AHP发展的无结构多准则决策方法[14-15],极为简便、灵活且实用,为城市燃气埋地管道占压风险评估问题提供了更实用、更科学的依据。AHM算法计算属性权重的步骤为:在燃气埋地管道占压隐患风险评价指标体系构建的基础上,由AHP构建判断矩阵(aij)1≤i,j≤n,aij值可由1~9比例标度确定。再将矩阵(aij)1≤i,j≤n由公式(1)转换为AHM属性判断矩阵(uij)1≤i,j≤n,并由公式(2)计算属性权重ωi。

(1)

(2)

以管道占压隐患的准则层7个影响因子为例,构造两两比较判断矩阵,见表2所示。

表2 判断矩阵

利用转换式(1)和式(2)得到单一准则下的测度判断矩阵及相对权向量,见表3所示。

表3 属性测度与属性权重

同理,可以得到各影响因素下不同指标的权重值,见表4。

1.3 管道占压风险指数计算

燃气管道占压风险指数RI用权重组合值表示。权重组合值是由7个中间层因子所对应的各变量因子相互进行排列组合得到;若权重组合值越高,则意味着管道占压隐患风险越高。

(3)

表4 评价指标及其权重值

1.4 占压风险等级划分标准

根据式(3),运用matlab软件fullfact函数计算出25 200个权重组合值,接下来使用数理统计方法得出所有权重组合值的概率分布,见图1。

直方图可以近似看成是标准正态分布的概率密度分布曲线,其平均值mu=0.255 1,均方差sigma=0.063 9。

图1 占压风险值数的概率密度曲线Fig.1 Probability density curve of occupying riskvalue

检验结果:布尔变量h=0,表示不拒绝零假设,说明提出的假设“均值0.255 1”是合理的;95%的置信区间为[0.254 3, 0.255 9],它完全包括0.255 1,且精度很高;用MATLAB做T检验,sig的值为1,远超过0.5,不能拒绝零假设。

在概率密度分布曲线的基础上,可以生成累积密度分布曲线,分布趋势见图2。

图2 占压风险值的累积密度曲线Fig.2 Cumulative density curve of occupying risk value

燃气管道占压风险的划分标准根据RI来确定。根据上述公式以及绘制出的累积密度曲线的分布趋势,结合实例中收集的资料,采用自然断点分级法初步判定燃气管道占压隐患风险的5个评价等级:

①ERI≤0. 201 3,占压隐患风险极小。

②0.201 3

③0.238 9

④0.271 3

⑤ERI>0.308 9,占压隐患风险极大。

2 实例应用

为了验证该评价方法的有效性和实用性,分别对北京市城市燃气管道2处占压隐患[13]进行评价。占压隐患1特征为:发生在四环区域以内,使用时间不到10 a,管径300 mm,燃气集团铺设的钢管,中压管线,砖混平房压线占压。根据表4查得:w1=0.234,w11=0.259,w2=0.16,w21=0.8,w3=0.174,w34=0.125,w4=0.083,w45=0.105,w5=0.046,w53=0.1,w6=0.174,w65=0.055,w7=0.129,w71=0.607,代入公式(3),计算得到此处占压隐患风险指数为0.312,可以看出此处占压隐患风险极大。而模糊综合评价结果为,B1=[ 0.0280.2270.1600.1850.400],按最大隶属度原则,处于危险极大等级。

占压隐患2特征为:发生在四环区域以内,使用时间为10~20 a之间,管径100 mm,燃气集团铺设的钢管,低压管线,构筑物(车库)近线占压。根据表4查得:w1=0.234,w14=0.167,w2=0.16,w22=0.2,w3=0.174,w35=0.055,w4=0.083,w46=0.068,w5=0.046,w53=0.1,w6=0.174,w64=0.125,w7=0.129,w71=0.607,代入公式(3),计算得到此处占压隐患风险指数为0.191,可以看出此处占压隐患风险极小,但偏向于风险较小等级。而模糊综合评价结果,B2= [ 0.0510.3480.4410.0300.130],按最大隶属度原则,处于危险一般等级,但危险较小等级隶属度也较大。

综合分析2处占压隐患风险评估结果,2种方法的评估结果趋势基本一致,但风险隶属等级不完全相同,主要是因为2种方法的风险等级划分标准不同。模糊综合评价方法需要人为构造隶属函数,主观性较大,风险等级按最大隶属度划分忽略了风险的不确定性。而本文方法不需要构造隶属函数,计算权重也不需要验证判断矩阵一致性,风险等级依据数理统计的概率结果进行划分,更加科学合理,而且计算简便、实用。

3 结论

1)选取了城市燃气埋地管道占压风险评估指标,利用属性层次模型(AHM)确定其权重,基于权重组合建立城市燃气埋地管道占压风险指数,采用数理统计方法计算占压风险指数概率分布曲线,确定城市燃气埋地管道占压风险5个标准等级区间。

2)通过2处占压隐患风险实例计算,本文方法与模糊综合评估方法的结果趋势基本一致,但风险隶属等级不完全相同。究其原因是2种风险等级的划分标准和基本原理不同,最大隶属度划分忽略了风险的不确定性,本文方法则考虑了风险指标的概率因素。

3)本文方法针对AHP法的不足,考虑指标权重差异,基于权重组合,从概率角度进行风险等级划分,考虑了不确定性因素的影响,计算简便易行,结果更为科学可靠。

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