城市埋地燃氣管道風險評估方法的適用性

1、城市埋地燃氣管道風險評估方法的適用性2008-1-15 14:06:27 國際燃氣網(wǎng)網(wǎng)友評論   城市埋地燃氣管道由于大量敷設在人口稠密的城區(qū)地下，管道破損漏氣而引發(fā)的爆炸、火災、中毒等惡性事故，會給城市居民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失，給社會帶來不良的影響。風險評估技術正是為降低事故風險而引入的一種新型管理技術。在近30年的開發(fā)研究與應用實踐中，管道的風險評估技術在許多國家發(fā)揮了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益1。我國的十五科技計劃中已將城市埋地燃氣管道的風險評估列為重點研究內容。在定性、定量和半定量風險評估方法中，半定量方法使用最為廣泛。半定量評估方法主要有穆氏評分(Muhlbauer)法(

2、以下簡稱穆氏法)2和模糊綜合評價(Fuzzy Assessment)法3。本文在歸納分析燃氣管道風險評估研究現(xiàn)狀的基礎上，對這兩種方法在城市埋地鋼質燃氣管道風險評估的適用性進行分析。    1 燃氣管道風險評估研究現(xiàn)狀    國外燃氣管道風險評估研究現(xiàn)狀    埋地管道風險管理最早始于20世紀70年代。美國PRCI(Pipeline Research Committee Intemationa1)對美國和歐洲的輸氣管道事故數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分類，歸納總結出22種引起管道失效的基本因素4。 

3、0;  1985年，美國的Battelle Columbus研究院發(fā)表了風險調查指南，首先在管道風險分析方面運用了評分法4。WKMuhlbauer在此基礎上總結了美國近20年開展油氣管道風險評估技術研究工作的成果，于1992年編寫了著名的管道風險管理手冊，詳細介紹了管道風險評估的專家評分模型，一度成為世界各國普遍接受且作為開展埋地管道風險評估的重要參考文獻5；1996年在該書的第二版中增加了大量篇幅介紹不同場合的管道風險評估的修正模型，增加了對環(huán)境敏感區(qū)域、工作場所壓力及潛在人為差錯的評價，并且詳細介紹了如何利用風險和成本的關系建立資源分配模型6；2004年，該書的第三版豐富了原有風

4、險管理方面內容，以更清晰更具體的例子說明了建立風險評估基本模型的程序，增加了穿越段油氣輸送管道的風險評估模型的建立方法。    隨著人們對油氣輸送管道危險性認識日漸增多，國外逐漸發(fā)展起了新興的管道完整性管理體系7，對所有影響管道完整性的因素進行綜合、一體化的管理，從擬定工作計劃、流程和文件到進行管道風險分析、了解事故發(fā)生的可能性和事故后果、制定預防和應急措施、定期進行管道完整性檢測和評價等，內容包括管道設計、施工、運行、監(jiān)控、維修、更換、質量控制和通信等全過程，并貫穿管道整個運行期。目前這一管理體系在油氣長輸管道管理中日益受到重視。  

5、0; 在工程應用上，國外早在20世紀60年代末期就開始注意管道工程中考慮在役管線的檢測和剩余強度評價，如：美國石油學會頒布的基于風險的檢驗規(guī)范(API 581)8、燃氣管道系統(tǒng)完整性·補充文件(ASME B31.8S)9、確定已腐蝕管線剩余強度手冊·壓力管道規(guī)范補充文件(ASME B31G)10。至20世紀90年代初，美國的許多油氣管道都已應用了風險管理技術來指導管道的維護工作。隨后加拿大、歐洲的發(fā)達國家也先后加入了管道風險管理技術的開發(fā)和應用行列。英國Advantica公司通過統(tǒng)計分析大量管道資料及進行災害模擬試驗，在對天然氣管道的危害因素進行概率分析和事故后果量化的基礎

6、上，建立了輸氣管道定量風險評估技術，其專家分析軟件PIPESAFE已經(jīng)應用于英國及世界多個國家的高壓天然氣管道10。加拿大C-FFR公司也成功開發(fā)了管道維護和檢測的風險分析軟件包(PIRAMID)，用于管道的失效概率分析、失效后果和總風險計算11。    隨著新學科的出現(xiàn)和新技術的發(fā)展，新方法、新技術也應用于埋地管道風險分析研究中。如文獻12提出利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡對埋地管道缺陷進行仿真和模擬，并對埋地管道各種缺陷進行分類。GIS技術目前也正迅速成為用于設施管理、壽命周期檢測、風險分析、協(xié)調管理、改進運營效率的有效手段。管道GIS技術目前廣泛應用于美國、挪威等國家。&

7、#160;   國內燃氣管道風險評估研究現(xiàn)狀    20世紀90年代中期，我國已開展了有關油氣管道安全評價的系列研究及應用試驗工作。在我國最早由潘家華教授在1995年全面介紹了美國的管道風險管理手冊13。九五期間，中國石油天然氣總公司和國家質量技術監(jiān)督總局聯(lián)合組織了“油氣管道檢測與安全評價技術研究”國家重點科技攻關項目。十五科技計劃中，進一步將城市燃氣管道的風險評估作為重點研究內容。    國內油氣長輸管道的風險評估技術發(fā)展最快。研究人員在借鑒國外研究成果的基礎上，綜合運用專家評分法、故障樹法和模糊數(shù)學等多種分析方

8、法，提出了一系列切實可行的評價方法1417。    長輸管道方面，我國學者在長輸管道可靠性分析、剩余強度、壽命預測、風險評估等方面進行了大量的研究工作，如：文獻14利用有限元分析法，建立管道腐蝕缺陷非線性分析模型，對含缺陷油氣管道在各種外荷載作用下進行應力一應變的數(shù)值模擬；文獻15實現(xiàn)了長輸管道的風險評估，對管道失效可能性和后果的量化評估進行了一定的研究，提出了基于風險的油氣管道完整性維護決策方法。    城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)方面，文獻16采用故障樹分析方法對管道液化石油氣的火災爆炸原因和后果進行分析，建立了燃氣泄漏及由此引起的火災爆炸事

9、故風險評估模型，提出了風險評估中的不確定性問題和解決方法。文獻17利用模糊風險評估方法建立了天然氣管網(wǎng)失效因素體系和失效后果體系，并對管網(wǎng)的風險可接受程度進行探討，較全面地考慮了天然氣管網(wǎng)失效可能性和失效后果嚴重度的影響因素，克服了只依靠失效概率進行評估帶來的片面性和局限性。    工程應用上，2000年西南石油學院和中國石油西南分公司聯(lián)合研制開發(fā)的“輸氣管線風險評價軟件”在重慶氣礦達臥輸氣管道上成功進行了全線的風險分析與評估，標志著目前國際上通用的評分法已經(jīng)在我國現(xiàn)役長輸油氣管道上達到實際應用水平18。    由于城市燃氣管道風險影

10、響因素眾多，從設計、施工、操作到第三方破壞、腐蝕破壞、后果研究等方面多達幾百個相關因素，加之我國城市燃氣管道建設初期并沒有建立相應的歷史數(shù)據(jù)和原始設計資料庫，管道投入使用后的運行情況完全依靠人工記錄，大量資料缺失，這些客觀情況增加了建立城市埋地燃氣管道風險評估方法和模型的難度，削弱了城市燃氣管道原始數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。目前在城市埋地燃氣管道風險評估方面尚未形成系統(tǒng)、完整的風險評估技術。    2 城市燃氣管道與長輸管道的主要差異    在選擇風險評估方法時常要考慮被評價系統(tǒng)的特點以及可以得到的資料數(shù)據(jù)情況。在實際調查和研究中發(fā)現(xiàn)，城

11、市埋地燃氣管道在設計、施工、管理上有自身固有的特點，它與長輸管道有很多不同之處，主要表現(xiàn)在：    管道結構不同19、20     城市燃氣管道分布為網(wǎng)狀，彎頭、閥門、三通、四通及凝水缸等管道附件密布，往往100500 m就有一個支管或閥門，管道變徑普遍，不同材質管道相連的情況普遍。長輸管道通常為同一管材的單管，支管、閥門和變徑管很少。    管道規(guī)劃和建設進程不同    城市燃氣管網(wǎng)隨著城市建設的發(fā)展逐步形成，且不斷拓展。管道建設初期缺乏完善的管理體系，設計、施工和竣工驗收

12、標準往往參差不齊，防腐層等的質量缺陷相對較多。長輸管道通常為同一時期建成，有完善的勘察、設計、施工、竣工、驗收標準與程序，防腐層等的質量相對均衡且缺陷較少。    管道所處人文環(huán)境不同    城市燃氣管道敷設在人口稠密地區(qū)，周邊環(huán)境復雜，一旦發(fā)生泄漏、火災、爆炸事故，會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。長輸管道通常敷設在野外人口稀少地區(qū)，周圍建筑物分布少，周邊環(huán)境信息容易把握，發(fā)生事故后人員傷亡不大。    管道所處自然條件不同    長輸管道敷設在野外，地表覆蓋層通常為泥土，遭

13、受自然力條件的侵害較大，如嚴寒、閃電、暴雨或洪水、地震等，這些自然力條件的侵害影響是長輸管道中需考慮的因素6。城市埋地燃氣管道由于地表覆蓋層大多為水泥或瀝青路面，管道遭受嚴寒閃電洪水等自然力條件影響較少。    輸送介質的壓力不同    城市燃氣管道在市區(qū)多為中低壓輸送21，而長輸管道多采用高壓輸送。    管道腐蝕形式不同    城市埋地燃氣管道不需要考慮大氣腐蝕，且管內腐蝕不明顯，主要的腐蝕破壞來自于土壤的腐蝕作用。長輸管道的腐蝕破壞不僅要考慮土壤腐蝕，還要考慮大氣腐蝕和

14、內腐蝕。    管道腐蝕防護形式不同    我國城市埋地管道大部分并沒有進行陰極保護，燃氣管道十分依賴防腐層的防腐作用，防腐層微小的施工缺陷往往可造成管道的大面積腐蝕。長輸管道全部使用陰極保護和防腐層雙重作用抑制外腐蝕，且陰極保護方式多為外加電流陰極保護。    管道檢測維護方式不同    城市燃氣管道管理相對被動，往往是接到泄漏報警后才進行漏口修補，屬于事后維護；且城市燃氣管道變徑頻繁，閥門、凝水缸、彎頭等管件密布，難以使用智能清管器進行檢測。國外長輸管道已經(jīng)建立了完善的管

15、理體系，其維修檢測側重于智能清管器在線檢測，能及時發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)中的缺陷，便于進行預知性維護。    3 城市埋地管道風險評估方法的適用性    3.1 穆氏法適用性分析    穆氏法不僅全面考慮了影響管道系統(tǒng)安全性的各類因素(包括第三方破壞、腐蝕因素、設計因素、誤操作因素)，而且還考慮了輸送介質對泄漏危害性、泄漏狀態(tài)對人的影響情況，在長輸管道實際工程應用中取得了成功。但由于長輸管道與城市埋地燃氣管道存在很大的區(qū)別，穆氏法不能完全套用在城市埋地燃氣管道的風險評估上，原因在于以下幾方面：  

16、;  評價對象和因素權重處理方法不適用    a.穆氏法研究的對象是油氣長輸管道，建立模型和方法也是圍繞油氣長輸管道進行。城市埋地燃氣管道有自身的結構和環(huán)境特點，因此，穆氏法不能直接應用于城市埋地燃氣管道的風險評估。    b. 城市燃氣管道的風險構成是一個包含眾多因素和復雜內在關系的體系。這些因素之間相互影響，相互制約，存在此消彼長的內在關系。這種內在關系的客觀存在，使得城市埋地燃氣管道風險在不同的環(huán)境條件下呈現(xiàn)不同的風險全貌，因而這種內在關系不能忽略。穆氏法的一條前提性假設即是認為各個影響因素之間相互獨立，顯然，這是穆氏

17、法目前在城市燃氣管道應用中尚存的不足之處4。    c.穆氏法提出將造成管道事故的因素劃分為第三方破壞、腐蝕破壞、設計因素和誤操作因素4類，這4類管道風險因素總分都是0100分，即每類因素所占的權重均為25%。這樣處理不盡合理，因為每類因素對于管道失效的影響不同，每類因素在管道風險評估中所占的比重不同。  美國運輸部(Department of Transportation，簡稱DOT)統(tǒng)計，在1931年一1986年美國諸多管道事故中，第三方破壞占40%，腐蝕破壞占30%。在我國，有些地區(qū)管道的事故因素不盡相同。有關統(tǒng)計資料顯示，在華南某市燃氣管道事故中

18、，第三方破壞引起的事故占30%，腐蝕破壞引起的事故占56%。這就說明不同國家、不同環(huán)境、不同工況、不同管理體制下管道事故的原因不盡相同。如果對于任何管道都采用一成不變的因素評分分值體系，勢必影響評價結果的準確性和實用性。    穆氏法中需要的某些參數(shù)國內尚難提供    a. 在我國目前的城市埋地燃氣管道管理和運行體制下，很多設計、操作、運行、管理、維護的標準和規(guī)范帶有中國特色，穆氏法中提及的措施與規(guī)范大部分并不適用于我國。如穆氏法中提到的稱為“直呼系統(tǒng)”的服務系統(tǒng)。美國運輸部將常規(guī)的直呼系統(tǒng)定義為：由兩個或多個公用事業(yè)公司、政府部門或

19、是其他地下設施的經(jīng)營者，共同建立一個通信系統(tǒng)，提供一個電話號碼給挖掘承包商以及公眾，要求通告和記錄他們從事開挖活動的內容6。目前國內城市管道的管理體制下并沒有條件采用這種措施。    b. 由于城市埋地鋼質燃氣管道常埋設于車行道的水泥路面下，且與其他市政設施交錯埋設，很多測試方法如“管地電位測試”、“密間隔測量”等難以實施，讀取數(shù)據(jù)的準確性也難以保證。城市埋地鋼質燃氣管道呈網(wǎng)狀分布，管道附件眾多，管內檢測器在管道中難以開展有效的檢測工作，因此，管內檢測器項目也難以實施。這些實際情況使穆氏法應用于城市埋地鋼質燃氣管道風險評估時上述3項(管地電位測試、密間隔測量和管內

20、檢測器)評價內容的得分將難以確定。    e.長輸管道中由于輸送介質的特性需要考慮管道的內腐蝕，并且要考慮地面管道的大氣腐蝕，這些模型只能用于長輸管道。由于城市燃氣管道內腐蝕不明顯，國內外大部分城市燃氣管道都忽略內腐蝕的評價，而地面管道數(shù)量較少，也不考慮大氣腐蝕。    穆氏法中的腐蝕模型不適用    a.穆氏法的腐蝕模型中，對內腐蝕和大氣腐蝕分配了相應的權重和分值，共占腐蝕評估模型中的40。但城市埋地燃氣管道中不需要評價大氣腐蝕，也基本不需要評價內腐蝕。    b.長輸管道

21、由于實施外加電流陰極保護，當防腐層無缺陷時土壤腐蝕性影響很小，因此穆氏腐蝕模型對土壤腐蝕性所賦權重僅為4.2%，且僅考慮了土壤電阻率一個因素的影響。而對于防腐層缺陷相對較多而又沒有有效實施陰極保護的城市埋地燃氣管道，土壤腐蝕性對腐蝕模型有重大的影響，且土壤腐蝕過程非常復雜，土壤的腐蝕性不能僅用土壤電阻率判斷，還要考慮細菌腐蝕、土壤酸堿度、土壤含水量等因素的影響。    c.由于長輸管道雜散電流干擾較小，穆氏腐蝕模型對雜散電流所賦權重也很小，僅占腐蝕評估的4.2%。而國內城市燃氣管道普遍受雜散電流干擾，雜散電流造成的腐蝕作用非常明顯，是衡量管道腐蝕的一個重要指標。&

22、#160;   因此，穆氏腐蝕模型需要進行相應的改進調整和校驗后才能應用于城市埋地燃氣管道的腐蝕評估。    穆氏法中沒有或欠考慮的因素    a.土壤腐蝕性因素、雜散電流影響因素，均是穆氏法中欠考慮和沒有考慮的評價因素，但作為城市埋地燃氣管道風險評估，特別是腐蝕破壞的評估，卻是重要的評估指標之一。    b.城市埋地管道由于敷設在人口密集區(qū)域，經(jīng)常會出現(xiàn)違章占壓的情況，這是城市埋地燃氣管道要考慮的因素。長輸管道敷設在野外，基本沒有違章占壓現(xiàn)象，因而穆氏法中并沒有考慮這方面因素的影響。

23、    e. 對事故后果的估算是風險評估中的重要內容。長輸管道大多敷設在野外空曠區(qū)域，穆氏模型中后果的影響只考慮了人口密度，對財產(chǎn)損失和環(huán)境污染考慮欠周。城市埋地燃氣管道不僅要考慮人員傷亡，還必須考慮財產(chǎn)損失、搶修經(jīng)濟投入等有形損失以及對環(huán)境、對企業(yè)和社會聲譽的影響等無形損失。    因此，直接使用穆氏法評價城市埋地鋼質燃氣管道風險會產(chǎn)生較嚴重的偏差，有必要改進穆氏法的相應模型并經(jīng)實際驗證后才可應用。    3.2 模糊綜合評價方法適用性分析    自1965年Zadeh創(chuàng)建

24、模糊數(shù)學以來22，由于其能定量地處理影響分析和設計過程中的各種模糊因素，模糊數(shù)學被廣泛地應用于工業(yè)領域的各個行業(yè)。模糊綜合評價是應用模糊集理論對系統(tǒng)進行綜合評價的一種方法，它以模糊數(shù)學為基礎，應用模糊關系合成的原理，構造等級模糊子集把反映被評價事物的模糊指標進行量化(即確定隸屬度)，然后再利用模糊變換原理將各指標綜合22。    模糊綜合評價法應用于燃氣管道風險評估的最大優(yōu)點是它不僅便于將風險的模糊不確定性定量化，而且簡捷實用、科學可靠，具有較強的可操作性。模糊綜合評價方法較穆氏法更適用于城市燃氣管道風險評估，主要原因概括如下：  具有成熟的理論基礎&#

25、160; a. 模糊綜合評價的理論基礎是模糊數(shù)學。模糊數(shù)學就是用數(shù)學的方法研究和處理具有“模糊性”事物的數(shù)學。模糊性主要是指客觀事物差異的中間過渡的不分明性，它是事物的一種客觀屬性，并不是人的主觀認識達不到客觀實際造成的。模糊數(shù)學并不是把精確的數(shù)學變得模糊，而是用精確的數(shù)學方法來處理模糊性事物。用模糊集合來表達模糊概念，用隸屬函數(shù)將模糊性加以量化，從而將模糊性用傳統(tǒng)的數(shù)學方法進行分析和處理。  b.模糊綜合評價為處理模糊、不精確或缺少必要資料的不確定性事物的建模提供了很好的工具。對于較復雜的系統(tǒng)，由于存在著許多誘發(fā)系統(tǒng)事故、影響事故后果的模糊因素，采用模糊集方法來描述和處理這些模糊因

26、素，能使評價結果更接近工程實際23。城市埋地燃氣管道在建設初期并未建立相應的數(shù)據(jù)庫，令大量的評價資料缺失，采用模糊綜合評價方法正好填補了此方面的不足。   c.綜合評價是指對多種因素所影響的事物或現(xiàn)象進行總的評價，若這種評價過程涉及模糊因素，便是模糊綜合評價24。由于同一事物具有多種屬性，或受多種因素影響，因此在評價過程中要將評判的數(shù)個單獨要素和部分要素綜合到一種形式中。綜合評價就是從整體上綜合反映各被評價對象之間的差異，以達到對被評價對象進行分類或排序的目的。    d. 模糊綜合評價方法具備處理高度非線性系統(tǒng)的能力。模糊數(shù)學的方法特別適合高

27、非線性系統(tǒng)或系統(tǒng)的數(shù)學模型不準確甚至很難得到的情況怛引。模糊綜合評價是基于評價過程的非線性特點而提出的，它利用模糊數(shù)學中的模糊運算法則，對非線性的評價論域進行量化綜合，從而得到可比的量化評價結果。因此，模糊綜合評價能降低人為的主觀影響，得到比較客觀的量化結果。    是城市燃氣管道風險評價發(fā)展的要求    在開展燃氣管道風險評估的初期，傳統(tǒng)的研究思路是希望找到引起燃氣管道失效的所有因素，并依據(jù)其變化規(guī)律確定其概率密度分布函數(shù)，從而建立起城市燃氣管道失效的概率分布模型。然而實際調查過程中卻發(fā)現(xiàn)影響燃氣管道失效的眾多因素都具有不確定性，有

28、些還無法量化。這種情況下即使建立了公式化計算的評估模型，其結果也與客觀規(guī)律有所偏差，直接影響燃氣管道風險評估技術的發(fā)展。為此，需要一種能處理諸多風險因素的不確定性，主要是參數(shù)的不確定性，以及其相互之間的影響作用的綜合評價方法。因此，引入模糊數(shù)學的概念進行燃氣管道的半定量風險評估，并充分認識失效因素量化和相互之間關系的模糊性，是進行燃氣管道風險評估的有效方法25。    更符合城市埋地燃氣管道的實際情況    a.模糊綜合評價方法可以根據(jù)城市埋地鋼質燃氣管道自身特點和環(huán)境特征靈活制定適用于城市埋地鋼質燃氣管道風險評估的評估結構和評估因素

29、體系，針對現(xiàn)存可得到的評價資料，建立適合我國城市燃氣管道實際的評估模型，得到切合實際的評估結果。    b.模糊綜合評價方法對于系統(tǒng)龐大復雜的燃氣管道風險評估，可以采用多級模糊綜合評價，將相互聯(lián)系的因素統(tǒng)一歸類分層，首先按最低層次的各個因素進行評價，然后再逐層向上評價，直到最后得出總的評價結果。    c. 在城市埋地燃氣管道風險評估中，一方面，由于各類失效因素并不都能數(shù)量化和模型化，須用到模糊數(shù)學方法解決。另一方面，在分析過程中往往會涉及人為的經(jīng)驗和判斷，例如，“施工質量好”是個模糊事件，“土壤腐蝕性強”也是個模糊事件。而模糊集理論的基本功能就是利用語言變量來表示參數(shù)的非精確性22，因而在處理該類問題時比傳統(tǒng)的概率模型更能反映客觀實際。承認模糊性，使用模糊數(shù)學的思想和方法，將使結果盡量客觀從而取得更好的實際效果。    d. 城市埋地燃氣管道在設計、施工、操作、運行和維護過程中，有來自人、設備