管段脆弱性和重要性对城镇天然气管网可靠性的影响分析

张凯 李蜜悦 邓澜钰 林鹏飞 李文璇 伍颖

摘 要：当前城镇天然气管网建设日渐密集、复杂，这些管网一旦出现事故，后果不堪设想。本文就城镇天然气管段的脆弱性、重要性为管段可靠性的分析依据，建立脆弱性、重要性指标，用模糊聚类法和贝叶斯分析法对可靠性进行定量分析就评价结果对管段运行、增加保护措施提供依据。

关键词：城镇天然气管网;指标评价体系;脆弱性分析;可靠性分析

1 概述

城镇天然气系统因自然灾害而引发严重次生灾害的教训十分惨痛，如1994年美国洛杉矶地震、2008年我国汶川地震[1]。为了保证安全可靠的向用户供应燃气，引入可靠性进行研究。目前国内外专家对城镇天然气系统可靠性的研究大多集中在管网系统上，采用数值模拟软件、现场管道实验数据分析等多种方法，其结果主要集中在对整个管网系统的安全性的定性评价分析，但对城镇天然气管段可靠性的定量分析及运用分析结果对管段运营管理提出建议的研究甚少。本文针对城镇天然气管网的管段可靠性评价进行研究，引入脆弱性以及重要性指标，采用模糊聚类分析法及贝叶斯分析法，对城镇天然气管段进行可靠性评价。

2 城镇天然气管段可靠性分析

将城镇天然气管网看成一个管段系统，其中的管段、管件和附件组成系统的不同单元。通过脆弱性、重要性综合分析得到可靠性对评价各单元对管网系统的影响程度。以作为管网运行、维护阶段的依据。

城镇天然气管网的可靠性是指管网在一定的条件与时间内能够安全平稳运行的能力。可以通过管段脆弱性，可靠度，失效率等来评价管网的可靠性。

管段脆弱性是天然气管道系统在外部不利影响下遭受损害的程度或承受损害的能力;是管段和系统本身的一种属性[2]。自管段建成其脆弱性就成为管段系统的一个特性，可用来表征或描述管段燃气系统遭受第三方破坏、自然灾害等时的抵抗能力。

管段的重要性是指该管段无法正常运行时对整个管网的影响程度，影响程度大则管段重要性高，反之，则重要性低。

2.1 管段脆弱性指标和算法实现

管段脆弱性的指标体系主要分为外部环境脆弱性（即外界环境的状况对管段的影响），自身脆弱性（即管段自身具有的特质），恢复能力脆弱性（即应对灾害的能力）[3]。

通过对某管网中每根管段的脆弱性指标数据，采用极差法对原始数据进行标准化，构建模糊相似矩阵，再采用主观评分法构造模糊相似矩阵，将模糊相似矩阵改造为模糊等价矩阵，最后进行聚类分析[3]。该算法通过MATLAB实现，得到的聚类结果由专家选取最佳阈值后，对管段进行合理分类。

2.2 管段重要性指标和算法实现

该研究中，管段重要性只考虑管段是否连通。首先将城镇燃气管网系统简化为管段，节点与用户。在对管网连通性进行描述之前有以下基本假设：假设管道只有两种状态，正常运行或者失效;节点不会失效。

管段重要性指标体系包含：指定用户与至少一个气源的连通可靠度，所有用户与至少一个气源的连通可靠度，指定气源与所有燃气用户的连通可靠度，所有燃气用户与所有气源的连通可靠度[4]。

首先通过贝叶斯方法对管网进行分析，通过分析再构建相应的管网故障树，再通过故障树获得相应的有向无环图结构，与每个有向无环图中的每个节点相关的条件概率表，进行编程求解。

2.3 城镇天然气管段的可靠性评价

通过对脆弱性与重要性的相关计算分析得到的有结果表达式ai，bj通过以下表达式的相关函数关系可得管网中每个管段的可靠性。

cK=ai·bj

式中：

ai——管段脆弱性分析结果;

bj——管段重要性分析结果;

cK——管段可靠性分析结果。

根据上式得出的结果对每个管段可靠性数值的大小进行降序排列，排名靠后的管段可靠性差，应加强巡视力度，增加保护措施。

3 結论

在建立指标体系后，通过对燃气管网中的管段脆弱性进行聚类分析，然后按脆弱性等级进行分类;以连通重要性作为依托对管道重要性以失效概率进行量化;再讲两者综合得到管道的可靠性。本研究得出以下结论：

（1）建立了城镇天然气管段可靠性评价指标体系。

（2）从管段是否连通的角度入手，采用连通可靠度来表征各管段重要性，给出了管段重要性的定义。

（3）提出可靠性计算方法，该公式考虑了管道本身的性能参数和系统的气体流通性。

参考文献：

[1]李昕.燃气管网地震紧急处置系统规划设计研究[D].中国地震局工程力学研究所，2015.

[2]阳利永.重庆市贫困山区农户旱灾脆弱性与土地可持续管理[D].西南大学，2009.

[3]郝敏娟.市政天然气管网脆弱性模糊聚类分析[D].首都经济贸易大学，2018.

[4]马亮.城镇燃气管网系统的可靠性研究[D].2016.