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金属软管-对于城市里埋地的煤气管的技术评估

发布日期: 2012-7-28          浏览次数: 1631


在定性、定量和半定量风险评估方法中,半定量方法使用最为广泛。  半定量评估方法主要有穆氏评分(Muhlbauer)法(以下简称穆氏法)[2]和模糊综合评价(Fuzzy Assessment)法[3]。本文在归纳分析燃气管道风险评估研究现状的基础上,对这两种方法在城市埋地钢质燃气管道风险评估的适用性进行分析。


在近30年的开发研究与应用实践中,管道的风险评估技术在许多国家发挥了明显的经济效益和社会效益[1]。我国的十五科技计划中已将城市埋地燃气管道的风险评估列为重点研究内容。     

1 城市燃气管道与长输管道的主要差异


    在实际调查和研究中发现,城市埋地燃气管道在设计、施工、管理上有自身固有的特点,它与长输管道有很多不同之处,在选择风险评估方法时常要考虑被评价系统的特点以及可以得到的资料数据情况。主要表现在:


    ①  管道所处自然条件不同


    长输管道敷设在野外,地表覆盖层通常为泥土,遭受自然力条件的侵害较大,如严寒、闪电、暴雨或洪水、地震等,这些自然力条件的侵害影响是长输管道中需考虑的因素[6]。城市埋地燃气管道由于地表覆盖层大多为水泥或沥青路面,管道遭受严寒闪电洪水等自然力条件影响较少。

  ② 管道规划和建设进程不同


    城市燃气管网随着城市建设的发展逐步形成,且不断拓展。管道建设初期缺乏完善的管理体系,设计、施工和竣工验收标准往往参差不齐,防腐层等的质量缺陷相对较多。长输管道通常为同一时期建成,有完善的勘察、设计、施工、竣工、验收标准与程序,防腐层等的质量相对均衡且缺陷较少。


    ③   管道腐蚀防护形式不同


    我国城市埋地管道大部分并没有进行阴极保护,燃气管道十分依赖防腐层的防腐作用,防腐层微小的施工缺陷往往可造成管道的大面积腐蚀。长输管道全部使用阴极保护和防腐层双重作用抑制外腐蚀,且阴极保护方式多为外加电流阴极保护。

 

   ④ 管道结构不同[19、20] 


    城市燃气管道分布为网状,弯头、阀门、三通、四通及凝水缸等管道附件密布,往往100—500 m就有一个支管或阀门,管道变径普遍,不同材质管道相连的情况普遍。长输管道通常为同一管材的单管,支管、阀门和变径管很少。


 
    ⑤管道检测维护方式不同


    城市燃气管道管理相对被动,往往是接到泄漏报警后才进行漏口修补,属于事后维护;且城市燃气管道变径频繁,阀门、凝水缸、弯头等管件密布,难以使用智能清管器进行检测。国外长输管道已经建立了完善的管理体系,其维修检测侧重于智能清管器在线检测,能及时发现管道系统中的缺陷,便于进行预知性维护。    ⑥ 管道腐蚀形式不同


    城市埋地燃气管道不需要考虑大气腐蚀,且管内腐蚀不明显,主要的腐蚀破坏来自于土壤的腐蚀作用。长输管道的腐蚀破坏不仅要考虑土壤腐蚀,还要考虑大气腐蚀和内腐蚀。


    ⑦管道所处人文环境不同


    城市燃气管道敷设在人口稠密地区,周边环境复杂,一旦发生泄漏、火灾、爆炸事故,会造成严重的人员伤亡和财产损失。长输管道通常敷设在野外人口稀少地区,周围建筑物分布少,周边环境信息容易把握,发生事故后人员伤亡不大。



    ⑧  输送介质的压力不同


    城市燃气管道在市区多为中低压输送[21],而长输管道多采用高压输送。

  2 结论


    ① 穆氏模型不能直接用于城市燃气管道的风险评估。穆氏法的评估对象是长输管道,由于长输管道和城市埋地钢质燃气管道在结构和所处环境等多方面存在较大的差异,穆氏法中的前提假设和腐蚀模型均难以适用于城市管道。在中国特有的管理体制下,穆氏法中涉及的管理手段难以进行评分,而城市管道的实际情况也使得穆氏法做出相应的改进方可应用。


    ② 模糊综合评价法可处理多因素联合影响的体系,更适用于城市燃气管道的风险评估。它不仅对系统的评价在主观和客观上能相对统一,而且能够量化表示一些难以回避的模糊概念。模糊综合评价处理高度非线性的能力,可以将人的主观影响降到最低。影响城市埋地钢质燃气管道的因素既十分复杂又具有一定模糊性,而人的主观影响因素也较多,采用模糊综合评价法对受多种因素影响的城市埋地钢质燃气管道进行风险评估,更为全面客观,科学可行。  

 

   3 城市埋地管道风险评估方法的适用性


    3.1 穆氏法适用性分析


    穆氏法不仅全面考虑了影响管道系统安全性的各类因素(包括第三方破坏、腐蚀因素、设计因素、误操作因素),而且还考虑了输送介质对泄漏危害性、泄漏状态对人的影响情况,在长输管道实际工程应用中取得了成功。但由于长输管道与城市埋地燃气管道存在很大的区别,穆氏法不能完全套用在城市埋地燃气管道的风险评估上,原因在于以下几方面:


    ① 穆氏法中没有或欠考虑的因素


    a.土壤腐蚀性因素、杂散电流影响因素,均是穆氏法中欠考虑和没有考虑的评价因素,但作为城市埋地燃气管道风险评估,特别是腐蚀破坏的评估,却是重要的评估指标之一。


    b.城市埋地管道由于敷设在人口密集区域,经常会出现违章占压的情况,这是城市埋地燃气管道要考虑的因素。长输管道敷设在野外,基本没有违章占压现象,因而穆氏法中并没有考虑这方面因素的影响。


    e. 对事故后果的估算是风险评估中的重要内容。长输管道大多敷设在野外空旷区域,穆氏模型中后果的影响只考虑了人口密度,对财产损失和环境污染考虑欠周。城市埋地燃气管道不仅要考虑人员伤亡,还必须考虑财产损失、抢修经济投入等有形损失以及对环境、对企业和社会声誉的影响等无形损失。


    ② 穆氏法中需要的某些参数国内尚难提供


    a. 在我国目前的城市埋地燃气管道管理和运行体制下,很多设计、操作、运行、管理、维护的标准和规范带有中国特色,穆氏法中提及的措施与规范大部分并不适用于我国。如穆氏法中提到的称为“直呼系统”的服务系统。美国运输部将常规的直呼系统定义为:由两个或多个公用事业公司、政府部门或是其他地下设施的经营者,共同建立一个通信系统,提供一个电话号码给挖掘承包商以及公众,要求通告和记录他们从事开挖活动的内容[6]。目前国内城市管道的管理体制下并没有条件采用这种措施。


    b. 由于城市埋地钢质燃气管道常埋设于车行道的水泥路面下,且与其他市政设施交错埋设,很多测试方法如“管地电位测试”、“密间隔测量”等难以实施,读取数据的准确性也难以保证。城市埋地钢质燃气管道呈网状分布,管道附件众多,管内检测器在管道中难以开展有效的检测工作,因此,管内检测器项目也难以实施。这些实际情况使穆氏法应用于城市埋地钢质燃气管道风险评估时上述3项(管地电位测试、密间隔测量和管内检测器)评价内容的得分将难以确定。


    e.长输管道中由于输送介质的特性需要考虑管道的内腐蚀,并且要考虑地面管道的大气腐蚀,这些模型只能用于长输管道。由于城市燃气管道内腐蚀不明显,国内外大部分城市燃气管道都忽略内腐蚀的评价,而地面管道数量较少,也不考虑大气腐蚀。


    ③ 穆氏法中的腐蚀模型不适用


    a.穆氏法的腐蚀模型中,对内腐蚀和大气腐蚀分配了相应的权重和分值,共占腐蚀评估模型中的40%。但城市埋地燃气管道中不需要评价大气腐蚀,也基本不需要评价内腐蚀。


    b.长输管道由于实施外加电流阴极保护,当防腐层无缺陷时土壤腐蚀性影响很小,因此穆氏腐蚀模型对土壤腐蚀性所赋权重仅为4.2%,且仅考虑了土壤电阻率一个因素的影响。而对于防腐层缺陷相对较多而又没有有效实施阴极保护的城市埋地燃气管道,土壤腐蚀性对腐蚀模型有重大的影响,且土壤腐蚀过程非常复杂,土壤的腐蚀性不能仅用土壤电阻率判断,还要考虑细菌腐蚀、土壤酸碱度、土壤含水量等因素的影响。


    c.由于长输管道杂散电流干扰较小,穆氏腐蚀模型对杂散电流所赋权重也很小,仅占腐蚀评估的4.2%。而国内城市燃气管道普遍受杂散电流干扰,杂散电流造成的腐蚀作用非常明显,是衡量管道腐蚀的一个重要指标。


    因此,穆氏腐蚀模型需要进行相应的改进调整和校验后才能应用于城市埋地燃气管道的腐蚀评估。


    ④评价对象和因素权重处理方法不适用


    a.穆氏法研究的对象是油气长输管道,建立模型和方法也是围绕油气长输管道进行。城市埋地燃气管道有自身的结构和环境特点,因此,穆氏法不能直接应用于城市埋地燃气管道的风险评估。


    b. 城市燃气管道的风险构成是一个包含众多因素和复杂内在关系的体系。这些因素之间相互影响,相互制约,存在此消彼长的内在关系。这种内在关系的客观存在,使得城市埋地燃气管道风险在不同的环境条件下呈现不同的风险全貌,因而这种内在关系不能忽略。穆氏法的一条前提性假设即是认为各个影响因素之间相互独立,显然,这是穆氏法目前在城市燃气管道应用中尚存的不足之处[4]。


    c.穆氏法提出将造成管道事故的因素划分为第三方破坏、腐蚀破坏、设计因素和误操作因素4类,这4类管道风险因素总分都是0~100分,即每类因素所占的权重均为25%。这样处理不尽合理,因为每类因素对于管道失效的影响不同,每类因素在管道风险评估中所占的比重不同。


   美国运输部(Department of Transportation,简称DOT)统计,在1931年一1986年美国诸多管道事故中,第三方破坏占40%,腐蚀破坏占30%。在我国,有些地区管道的事故因素不尽相同。有关统计资料显示,在华南某市燃气管道事故中,第三方破坏引起的事故占30%,腐蚀破坏引起的事故占56%。这就说明不同国家、不同环境、不同工况、不同管理体制下管道事故的原因不尽相同。如果对于任何管道都采用一成不变的因素评分分值体系,势必影响评价结果的准确性和实用性。 


    因此,直接使用穆氏法评价城市埋地钢质燃气管道风险会产生较严重的偏差,有必要改进穆氏法的相应模型并经实际验证后才可应用。


    3.2 模糊综合评价方法适用性分析


    自1965年Zadeh创建模糊数学以来[22],由于其能定量地处理影响分析和设计过程中的各种模糊因素,模糊数学被广泛地应用于工业领域的各个行业。模糊综合评价是应用模糊集理论对系统进行综合评价的一种方法,它以模糊数学为基础,应用模糊关系合成的原理,构造等级模糊子集把反映被评价事物的模糊指标进行量化(即确定隶属度),然后再利用模糊变换原理将各指标综合[22]。


    模糊综合评价法应用于燃气管道风险评估的最大优点是它不仅便于将风险的模糊不确定性定量化,而且简捷实用、科学可靠,具有较强的可操作性。模糊综合评价方法较穆氏法更适用于城市燃气管道风险评估,主要原因概括如下:


   ①模糊综合评价方法在理论上完全可以适用于城市埋地燃气管道的风险评估,由于模糊综合评价在处理因素模糊性和不确定性上有一定的优势,可将影响城市埋地燃气管道风险的因素及其影响程度进行合理的量化,进而利用传统数学的方法进行分析,从而得到比其他方法更能客观反映城市埋地燃气管道风险现状的评估结果。


    ② 是城市燃气管道风险评价发展的要求


    在开展燃气管道风险评估的初期,传统的研究思路是希望找到引起燃气管道失效的所有因素,并依据其变化规律确定其概率密度分布函数,从而建立起城市燃气管道失效的概率分布模型。然而实际调查过程中却发现影响燃气管道失效的众多因素都具有不确定性,有些还无法量化。这种情况下即使建立了公式化计算的评估模型,其结果也与客观规律有所偏差,直接影响燃气管道风险评估技术的发展。为此,需要一种能处理诸多风险因素的不确定性,主要是参数的不确定性,以及其相互之间的影响作用的综合评价方法。因此,引入模糊数学的概念进行燃气管道的半定量风险评估,并充分认识失效因素量化和相互之间关系的模糊性,是进行燃气管道风险评估的有效方法[25]。


    ③ 具有成熟的理论基础


   a.模糊综合评价方法具备处理高度非线性系统的能力。模糊数学的方法特别适合高非线性系统或系统的数学模型不准确甚至很难得到的情况怛引。模糊综合评价是基于评价过程的非线性特点而提出的,它利用模糊数学中的模糊运算法则,对非线性的评价论域进行量化综合,从而得到可比的量化评价结果。因此,模糊综合评价能降低人为的主观影响,得到比较客观的量化结果。

    b.模糊综合评价为处理模糊、不精确或缺少必要资料的不确定性事物的建模提供了很好的工具。对于较复杂的系统,由于存在着许多诱发系统事故、影响事故后果的模糊因素,采用模糊集方法来描述和处理这些模糊因素,能使评价结果更接近工程实际[23]。城市埋地燃气管道在建设初期并未建立相应的数据库,令大量的评价资料缺失,采用模糊综合评价方法正好填补了此方面的不足。


   c.综合评价是指对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价,若这种评价过程涉及模糊因素,便是模糊综合评价[24]。由于同一事物具有多种属性,或受多种因素影响,因此在评价过程中要将评判的数个单独要素和部分要素综合到一种形式中。综合评价就是从整体上综合反映各被评价对象之间的差异,以达到对被评价对象进行分类或排序的目的。


    d. 模糊综合评价的理论基础是模糊数学。模糊数学就是用数学的方法研究和处理具有“模糊性”事物的数学。模糊性主要是指客观事物差异的中间过渡的不分明性,它是事物的一种客观属性,并不是人的主观认识达不到客观实际造成的。模糊数学并不是把精确的数学变得模糊,而是用精确的数学方法来处理模糊性事物。用模糊集合来表达模糊概念,用隶属函数将模糊性加以量化,从而将模糊性用传统的数学方法进行分析和处理。
 更符合城市埋地燃气管道的实际情况


    a.模糊综合评价方法可以根据城市埋地钢质燃气管道自身特点和环境特征灵活制定适用于城市埋地钢质燃气管道风险评估的评估结构和评估因素体系,针对现存可得到的评价资料,建立适合我国城市燃气管道实际的评估模型,得到切合实际的评估结果。


    b.模糊综合评价方法对于系统庞大复杂的燃气管道风险评估,可以采用多级模糊综合评价,将相互联系的因素统一归类分层,首先按最低层次的各个因素进行评价,然后再逐层向上评价,直到最后得出总的评价结果。


    c. 在城市埋地燃气管道风险评估中,一方面,由于各类失效因素并不都能数量化和模型化,须用到模糊数学方法解决。另一方面,在分析过程中往往会涉及人为的经验和判断,例如,“施工质量好”是个模糊事件,“土壤腐蚀性强”也是个模糊事件。而模糊集理论的基本功能就是利用语言变量来表示参数的非精确性[22],因而在处理该类问题时比传统的概率模型更能反映客观实际。承认模糊性,使用模糊数学的思想和方法,将使结果尽量客观从而取得更好的实际效果。


    d. 城市埋地燃气管道在设计、施工、操作、运行和维护过程中,有来自人、设备、环境等主观和客观方面的影响,各因素对管道的影响不是独立的,而是彼此关联的,且随时间、地点等条件的不同而不同。各类失效因素之间的联系既有客观不确定性又包含主观不确定性,具有很大的模糊性。模糊综合评价方法并未割断各个因素之问的联系,而是充分考虑了这些模糊性关系的客观存在,使得我们能使用模糊综合评价方法来解决常规方法不能解决的城市埋地燃气管道风险评估问题。


    e.城市埋地燃气管道风险评估中,各个影响因素对管道整体风险的影响比例不一样,即各个因素的重要程度不一样。模糊综合评价不仅综合考虑了各个因素的性质,而且也考虑了各个因素的重要程度。采用Delphi法、AHP法等权重确定方法将因素对评价对象的影响程度用[0,1]内的数值量化[22],数值的大小反映了因素对评价对象影响程度的大小,数值越大表示影响程度越大,其在评价体系中重要度越高,从而令评估的结果更贴近客观实际,也更趋合理。
    
  4 燃气管道风险评估研究现状


    ① 国内燃气管道风险评估研究现状


    20世纪90年代中期,我国已开展了有关油气管道安全评价的系列研究及应用试验工作。在我国最早由潘家华教授在1995年全面介绍了美国的《管道风险管理手册》[13]。九五期间,中国石油天然气总公司和国家质量技术监督总局联合组织了“油气管道检测与安全评价技术研究”国家重点科技攻关项目。十五科技计划中,进一步将城市燃气管道的风险评估作为重点研究内容。


    国内油气长输管道的风险评估技术发展最快。研究人员在借鉴国外研究成果的基础上,综合运用专家评分法、故障树法和模糊数学等多种分析方法,提出了一系列切实可行的评价方法[14—17]。


工程应用上,2000年西南石油学院和中国石油西南分公司联合研制开发的“输气管线风险评价软件”在重庆气矿达卧输气管道上成功进行了全线的风险分析与评估,标志着目前国际上通用的评分法已经在我国现役长输油气管道上达到实际应用水平[18]。 国外燃气管道风险评估研究现状 随着人们对油气输送管道危险性认识日渐增多,国外逐渐发展起了新兴的管道完整性管理体系[7],对所有影响管道完整性的因素进行综合、一体化的管理,从拟定工作计划、流程和文件到进行管道风险分析、了解事故发生的可能性和事故后果、制定预防和应急措施、定期进行管道完整性检测和评价等,内容包括管道设计、施工、运行、监控、维修、更换、质量控制和通信等全过程,并贯穿管道整个运行期。目前这一管理体系在油气长输管道管理中日益受到重视。


  ②  埋地管道风险管理最早始于20世纪70年代。美国PRCI(Pipeline Research Committee Intemationa1)对美国和欧洲的输气管道事故数据进行了统计和分类,归纳总结出22种引起管道失效的基本因素[4]。


    1985年,美国的Battelle Columbus研究院发表了《风险调查指南》,首先在管道风险分析方面运用了评分法[4]。W.K.Muhlbauer在此基础上总结了美国近20年开展油气管道风险评估技术研究工作的成果,于1992年编写了著名的《管道风险管理手册》,详细介绍了管道风险评估的专家评分模型,一度成为世界各国普遍接受且作为开展埋地管道风险评估的重要参考文献[5];1996年在该书的第二版中增加了大量篇幅介绍不同场合的管道风险评估的修正模型,增加了对环境敏感区域、工作场所压力及潜在人为差错的评价,并且详细介绍了如何利用风险和成本的关系建立资源分配模型[6];2004年,该书的第三版丰富了原有风险管理方面内容,以更清晰更具体的例子说明了建立风险评估基本模型的程序,增加了穿越段油气输送管道的风险评估模型的建立方法。


 随着新学科的出现和新技术的发展,新方法、新技术也应用于埋地管道风险分析研究中。如文献[12]提出利用模糊神经网络对埋地管道缺陷进行仿真和模拟,并对埋地管道各种缺陷进行分类。GIS技术目前也正迅速成为用于设施管理、寿命周期检测、风险分析、协调管理、改进运营效率的有效手段。管道GIS技术目前广泛应用于美国、挪威等国家。

      在工程应用上,国外早在20世纪60年代末期就开始注意管道工程中考虑在役管线的检测和剩余强度评价,如:美国石油学会颁布的《基于风险的检验规范》(API 581)[8]、《燃气管道系统完整性·补充文件》(ASME B31.8S)[9]、《确定已腐蚀管线剩余强度手册·压力管道规范补充文件》(ASME B31G)[10]。至20世纪90年代初,美国的许多油气管道都已应用了风险管理技术来指导管道的维护工作。随后加拿大、欧洲的发达国家也先后加入了管道风险管理技术的开发和应用行列。英国Advantica公司通过统计分析大量管道资料及进行灾害模拟试验,在对天然气管道的危害因素进行概率分析和事故后果量化的基础上,建立了输气管道定量风险评估技术,其专家分析软件PIPESAFE已经应用于英国及世界多个国家的高压天然气管道[10]。加拿大C-FFR公司也成功开发了管道维护和检测的风险分析软件包(PIRAMID),用于管道的失效概率分析、失效后果和总风险计算[11]。


   
长输管道方面,我国学者在长输管道可靠性分析、剩余强度、寿命预测、风险评估等方面进行了大量的研究工作,如:文献[14]利用有限元分析法,建立管道腐蚀缺陷非线性分析模型,对含缺陷油气管道在各种外荷载作用下进行应力一应变的数值模拟;文献[15]实现了长输管道的风险评估,对管道失效可能性和后果的量化评估进行了一定的研究,提出了基于风险的油气管道完整性维护决策方法。


由于城市燃气管道风险影响因素众多,从设计、施工、操作到第三方破坏、腐蚀破坏、后果研究等方面多达几百个相关因素,加之我国城市燃气管道建设初期并没有建立相应的历史数据和原始设计资料库,管道投入使用后的运行情况完全依靠人工记录,大量资料缺失,这些客观情况增加了建立城市埋地燃气管道风险评估方法和模型的难度,削弱了城市燃气管道原始数据的真实性和可靠性。目前在城市埋地燃气管道风险评估方面尚未形成系统、完整的风险评估技术。城市燃气管网系统方面,文献[16]采用故障树分析方法对管道液化石油气的火灾爆炸原因和后果进行分析,建立了燃气泄漏及由此引起的火灾爆炸事故风险评估模型,提出了风险评估中的不确定性问题和解决方法。文献[17]利用模糊风险评估方法建立了天然气管网失效因素体系和失效后果体系,并对管网的风险可接受程度进行探讨,较全面地考虑了天然气管网失效可能性和失效后果严重度的影响因素,克服了只依靠失效概率进行评估带来的片面性和局限性。

 

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