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
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。 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。 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。 [1]安跃红, 王文想. 基于FMEA法的城中村燃气管道安全风险分析[J]. 煤气与热力, 2016, 36(2): 30-36. ANYuehong, WANG Wenxiang. Safety risk analysis of gas pipeline in urban village based on FMEA method[J]. Gas & Heat, 2016, 36(2): 30-36. [2]刘刚, 安韶, 王威. 城市供水管道抗震可靠度智能计算理论及其应用[J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(11): 118-122. LIU Gang, AN Shao, WANG Wei. Urban water supply pipeline seismic reliability intelligent computing theory and its application[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(11): 118-122. [3]杨学山, 匙庆磊, 马树林, 等. 城市燃气管网的地震安全控制技术研究[J]. 自然灾害学报, 2014, 23(6): 95-103. YANG Xueshan, CHI Qinglei, MA Shulin, et al. Study on seismic security control technology of urban gas pipeline[J]. Journal of Natural Disasters, 2014, 23(6): 95-103. [4]李军, 张宏, 梁海滨, 等. 基于模糊综合评价的燃气管道第三方破坏失效研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2016, 12(8): 140-145. LI Jun, ZHANG Hong, LIANG Haibin, et al. Study on failure of gas pipeline due to third party damage basedon fuzzy comprehensive evaluation[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(8): 140-145. [5]何悟忠, 何流, 吴运强. 东北管道违章占压现状及治理对策[J]. 防腐保温技术, 2011, 19(1): 13-16. HE Wuzhong, HE Liu, WU Yunqiang. Countermeasures to control the illegal occupation of the right of way of northeast trunk pipeline[J]. Anticorrosion Insulation Technology, 2011, 19(1): 13-16. [6]尤秋菊, 朱伟, 白永强, 等. 北京市燃气管网危险因素的事故树分析[J]. 油气储运, 2009, 28(9): 27-30. YOU Qiuju, ZHU Wei, BAI Yongqiang, et al. Fault tree on risk factors of underground gas networks of Beijing city[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2009, 28(9): 27-30. [7]张晓松, 牛亚楠, 李永威, 等. 城镇天然气管道占压隐患现状调研与处理方法[J]. 煤气与热力, 2010, 30(9): 22-26. ZHANG Xiaosong, NIU Yanan, LI Yongwei, et al. Current investigation and treatment methods of hidden danger of encroachment on city natural gas pipelines[J]. GAS & HEAT, 2010, 30(9): 22-26. [8]郑津洋, 鲁顺利, 马津津, 等. 占压下埋地聚乙烯管力学响应的数值模拟[J]. 中国塑料, 2014, 28(1): 60-64. ZHENG Jinyang, LU Shunli, MA Jinjin, et al. Numerical simulation of mechanical response of buried polyethylene pipes under surface load[J]. CHINA PLASTICS, 2014, 28(1): 60-64. [9]MoghaddasTafreshi, S N, Khalaj, O. Analysis of repeated-load laboratory test on buried plastic pipes in sand[J]. Soil Dynamic and Earthquake Engineering, 2011, 31(1): 1-15. [10]邵煜. 埋地管道的失效机理及其可靠性研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2008. [11]侯本伟. 城市供水管网抗震能力分析及性能化设计方法研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2014. [12]刘全林. 地埋管道与土相互作用平面分析与计算方法[J]. 岩土力学, 2007, 28(1): 83-88. LIU Quanlin. Calculating method and analysis of plane strain question of interaction between buried pipe and soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(1): 83-88. [13]牛亚楠, 张晓松, 福鹏, 等. 城市天然气管道占压隐患的模糊综合评价[J]. 煤气与热力, 2010, 30(6): 29-33. NIU Yanan, ZHANG Xiaosong, FU Peng, et al. Fuzzy comprehensive assessment on hidden danger of encroachment on city natural gas pipelines[J]. GAS & HEAT, 2010, 30(6): 29-33. [14]程乾生. 层次分析法AHP和属性层次模型AHM[J]. 系统工程理论与实践, 1997, 11(11): 25-28. CHENG Qiansheng. Analytic Hierarchy Process (AHP) and Attribute Hierarchical Model(AHM)[J]. Systems Engineering theory & Practice, 1997, 11(11): 25-28. [15]刘莉娇, 陈新民, 魏平, 等. 基于整体风险分析法的地震荷载作用下地下管道易损性评估[J]. 南京工业大学学报(自然科学版), 2008, 30(4): 69-73. LIU lijiao, CHEN Xinmin, WEI ping, et al. Vulnerability assessment of underground pipeline under seismic load based on holistic risk analysis approach[J]. Journal of Nanjing University of Technology(Natural Science Edition), 2008, 30(4): 69-73.2 实例应用
3 结论