城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究.pdf

'城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究王新华，徐永亮，屈安，孟涛。何仁洋。(1．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124；2．中国特种设备检测研究院，北京100013)摘要：针对安全基础薄弱、泄漏事故频发的城镇燃气聚乙烯管道，区别于以往传统钢质管道，引入可拓理论，结合肯特评分法和层次分析法，在对聚乙烯管道风险等级进行初步定义的基础上，确定了第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、泄漏失效4个主要评价指标，建立了城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定模型，确定了各风险评价指标的评分及其权重值的计算方法。为了证明所提出方法，通过一个简单的实例，对其失效风险等级进行定量计算，验证可拓理论在燃气聚乙烯管道失效风险评价中的可行性，结果表明所建指标较为合理，评价方法科学有效，评价结果可信，为城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定提供了新思路。关键词：城镇燃气；聚乙烯管道；风险等级；可拓理论；风险指标中图分类号：TH49；TQ055．8；0211．67文献标志码：B文章编号：1001-4837(2015)l2—0032—06doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2015．12．006StudyontheMethodofFailureRiskAssessmentforUrbanGasPolyethylenePipeWANGXin—hua，XUYong—Hang，QUAn，MENGTao，HERen—yang。(1．CollegeofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicsTechnology，BeijingUniversityofTech—nology，Beijing100124，China；2．ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute，Beijing100013，China)Abstract：Forthesafetyfoundationisweak，frequentleakageaccidentofurbangaspolyethylenepipe，differencefromthetraditionalsteelgaspipeline，introducingtheextensiontheory，combinedwithKentscoringmethodandanalytichierarchyprocess(AHP)，onthepreliminarydefinitionofpolyethylenepipe-linerisklevel，fourmainevaluationindexthirdpartydamage，brittlecracking，creepfailure，agingandleakagearedetermined，thefailureriskassessmentmodelofurbangaspolyethylenepipeisestablished，thecalculationmethodoftheevaluationindexandthecorrespondingweightvalueisdetermined．Asimpleexampleisusedtodemonstratetheproposedapproach，quantitativecalculationthefailurerisklevel，feasi-bilityoftheextensiontheoryinthefailureriskassessmentofgaspolyethylenepipe，theresultsshowthattheproposedindexisreasonable，scientificandeffectiveoftheevaluationmethod，theevaluationresults基金项目：国家质检总局质检公益性行业科研专项项目(201310159)·32· 第32卷第l2期压力容器总第277期arecredible，itprovidesanewwayforthefailureriskassessmentofurbangaspipelineKeywords：urbangas；polyethylenepipeline；risklevel；extensiontheory；riskindex物关于该指标的量值三者所组成的有序三元组，0引言记为=(N，C，V)，其中Ⅳ表示事物，C表示指标的名称，表示Ⅳ关于G所取的量值值域，这三聚乙烯管道以其优良的物理、化学性能已经者称为物元的三要素，有了物元的基本概念就可在中低压燃气管网中取代了过去的传统管材以把客观世界看成是一个复杂、相互联系的物元(如钢管、铸铁管等)，成为GB50028-2006(城网络。镇燃气设计规范》的首选管材，聚乙烯管道的使事物Ⅳ的n个指标C，C，⋯，c，及其相应的用情况也成为了衡量一个地区燃气技术水平的量值V。，：，⋯，所构成的阵列R称为维物元。指标之一。目前，我国在用城镇燃气聚乙烯管记为：道已经使用了l0～30年，随着燃气管道埋地时间的增长，管道事故频发，导致人员和财产遭受R=(N，C，)=巨大损失。国内外对燃气聚乙烯管道的安全评价研究主要集中在设计、生产、储存、运输和安装等方面，对可拓物元评价就是在物元理论和可拓集合理于燃气聚乙烯管道的风险评价研究甚少。现有的论的基础上，将复杂、抽象的问题具体化、形象化绝大多数风险评价方法只针对埋地钢质管道，没成为一种模型，在上述理论基础上，利用该模型提有或者未能充分考虑到聚乙烯管道与钢质管道二出相应的应用方法。者之间的本质区别，而且管道风险评价中广泛使用的模糊数学法、事故树等半定量评价方法，没有2城镇燃气聚乙烯管道失效主要因素建立精确的数学模型和一套完整的计算方法，使得评价结果的准确性受到影响。物元和可拓理论2．1聚乙烯管道失效形式及原因模型很好地解决这一问题，它对定量指标的计算查阅我国燃气聚乙烯管道相关标准以及大量采用原始数据，克服其他评价方法在指标量对聚乙烯管道事故的调查分析I9J，聚乙烯管道化时存在的缺点，较好地解决了定性指标与定量运行过程中主要的失效部位在管体本身以及管段指标中存在的质与量的转化。利用可拓物元评价相互连接处，主要的失效形式有：管材破损或穿方法，不但能建立多指标、多等级的性能参数的评孔、脆性开裂、韧性破坏、泄漏失效。失效原因主价模型，还能用定量的数值表示评价结果与各等要有：级集合的关联度大小，并用此关联度大小确定待(1)管材破损或穿孔，主要由于人为施工、机评物元所处的等级，从而得出较为准确、完整的综械占压、自然灾害；合评价结果。(2)脆性破坏，包括管段连接处焊接质量问题导致的接头处开裂、低温环境导致管体快速开1可拓理论裂、管道表面存在的初始裂纹导致的慢速开裂、聚乙烯管道在运输和储存过程中受到阳光辐射和有可拓理论是20世纪80年代初由蔡文等¨机溶剂的腐蚀溶胀导致老化脆性开裂；提出的，是以可拓集合理论和物元理论相结合生(3)韧性破坏，主要是聚乙烯管道的蠕变失成的知识理论体系，来研究物元及其变换的理论效，即管道发生明显的塑性变形然后开裂，主要失的，用一种形式化的工具，从定性和定量的角度研效原因是管道长期承受内外载荷；究解决复杂问题的规律和方法¨J。(4)泄漏失效，由于阀门、钢塑转换接头、电在可拓理论中，物元表示为以事物、指标及事熔接头等管件、接头、密封面处产生介质泄漏，以 CPVT城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究Vo1．32No．122015及聚乙烯管道在静电荷增高到能够克服管材介电强度的足够水平时发生的针孔泄漏。2．2聚乙烯管道失效主要因素城镇燃气聚乙烯管道失效影响因素较多，根据其失效形式及原因，结合燃气聚乙烯管道事故第三方破坏(l，by1)案例，将燃气聚乙烯管道的失效主要因素划分为脆性开裂(，)以下4个方面：第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、(2)蠕变失效(，6J3)泄漏失效。泄漏失效(，)3城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级判定模型3．1风险等级划分根据特种设备安全技术规范TSGR700l一2013~压力容器定期检验规则》。。第四章“安全状况等级评定”及第五章“附则”，将城镇燃气聚乙烯管道的安全等级划分为5个等级n¨。各等级含义如下。I级：风险水平低，失效后果轻微。在规定的检修周期和设计条件下可以安全使用。Ⅱ级：风险水平较低，失效后果较小。在规定的检修周期和设计条件下可以安全使用。C2Ⅲ级：风险水平中等，能造成一定的失效后果。在规定检修周期和使用条件下可以监控j使用。Ⅳ级：风险水平较高，失效后果严重。建议立即消除隐患或马上修复，如确实需要使用，需重点：lf脆蠕性变失裂效("6l(3)监控。。b，)IV级：风险水平高，失效后果极其严重。应立即采取措施。3．2确定风险评价指标视待评燃气聚乙烯管道为Ⅳ，其与风险有关的评价指标为C(i=1，2，⋯，n)。由聚乙烯管道失效主要因素，将燃气聚乙烯管道风险评价指标定为：第三方破坏、脆性开裂、蠕变失效、泄漏失效4项内容。即N=燃气聚乙烯管道，c：第三方破坏，C：=脆性开裂，C，=蠕变失效，c=泄漏失效，n=4。3．3确定风险评价指标的量域物元体与节域物元体采用专家调查研究法，确定各项风险评价指标C的量域。R。：(Ⅳ，c)：ljlR：(Nj，ci，)·34· 第32卷第12期压力容器总第277期Ⅳ第三方破坏风险评分值i式中p(v，和p(，)按下式计算：脆性开裂风险评分值2p()：f13i一l-(9)蠕变失效风险评分值3泄漏失效风险评分值4p()：]vi～l_(10)(4)式中——风险评价的待评物元体式中——第个指标关于第个等级的量域口1，2，3，V4——Ⅳ关于c1，c2，c3，c4的风险∈——第i个指标的风险评分值属于评分值，可由肯特评分方第．『个等级关于第i个指标的量法求出域3．5确定各评价指标的权重p(v，vi)——第i个指标的风险评分值与基于模糊层次分析法，构造各项所述风险评其量域的距离P(，Vp)——第i个指标的风险评分值与价指标c(i：1，2，3，4)对于所述燃气聚乙烯管道的判断矩阵D。其节域的距离3．7确定待评燃气聚乙烯管道关联函数值将所述判断矩阵D的4个行向量归一化后的算术平均值作为权重向量，按下式计算：燃气聚乙烯管道关于各风险等级(=1，2，⋯，5)的关联函数值由下式计算：1壹粤(5)’4(Ⅳ)=iE(v)(11)i=l式中d——两因素判断值3．8确定待评燃气聚乙烯管道风险等级i，——所述评价指标的下标序号，1，取对应燃气聚乙烯管道关联函数值最大时的2，3，4，i：1，2，3，4风险等级为评价结果，根据：3．6确定各评价指标的关联函数值(Ⅳ)=maxM~(Ⅳ)(12)评价指标c(i：1，2，3，4)关于各风险等级ⅣM(Ⅳ)为所述评价结果，其所对应的风险等(=1，2，⋯，5)的关联函数()采用下式计算。级即为待评燃气聚乙烯管道的风险等级。当∈Uji时：4具体实例(vi)：一(6)fi现有某市一条中压燃气聚乙烯管道，管道直当诺时：径315mm，运行压力0．27MPa，埋设深度110(vi)=≠pcm，管线全长19．56km，对其进行风险等级评定。(7)(1)步骤1。通过对该管段相关检测数据资料和专家打(“)=一p(，)一1，P(，vp)=p(，)(8)分，运用肯特评分法，得出各项风险指标评分统计结果，见表1。其中：1!=}一j。表1各项风险评价指标的评分结果评价指标第三方破坏脆性开裂蠕变失效泄漏失效合计指标评分69865455264注：4项风险评价指标的取值范围均为0～100分。(2)步骤2。各项风险评价指标的量域为：·35· 城镇燃气聚乙烯管道失效风险等级评定方法研究Vo1．32No．122015Nl。1ll‘风险等级高第三方破坏(80，100)C27)12脆性开裂(80，100)R1：(N1，c，“)=C3／313蠕变失效(80，100)泄漏失效(80，100)Cd"／314．风险等级低第三方破坏(0，20)(17)(3)步骤3。脆性开裂(0，20)各项风险评价指标Ci的节域"Up为：蠕变失效(0，20)泄漏失效(0，20)(131R：(P"JCi"JUpi)：R2=(Ⅳ2，C，2j)=P第三方破坏(0，100)脆性开裂(0，100)(18)风险等级较低第三方破坏(20，40)蠕变失效(0，100)泄漏失效(0，100)脆性开裂(2O，4O)(4)步骤4。蠕变失效(20，40)待评物元体R。如下：泄漏失效(20，40)(14)l2R0=(N，c，)=3R3=(N3，c，3)：dJ7、r第三方破坏69脆性开裂86风险等级中等第三方破坏(40，60)(19)蠕变失效54脆性开裂(40，6O)泄漏失效55蠕变失效(4O，60)(5)步骤5：计算评价指标权重。泄漏失效(40，60)在模糊层次分析法中，各因素之间需要进行(15)两两比较判断，通常采用某一个因素相对于另一个因素的重要程度来定量表示，从而得到模糊判R4=(N4，c，4)=断矩阵D=(d)．。在本例中，d为两因素判断值，与均为评价指标的下标序号，1，2，3，4，i1，2，3，4。根据管道相关资料和专家建议、风险等级较高第三方破坏(6O，80)意见，该燃气聚乙烯管道的判断矩阵D中的两因脆性开裂(60，80)素判断值见表2。蠕变失效(60，80)泄漏失效(60，80)表2聚乙烯管道两因素判断值(16)NClC2C3C4C13132R5=(Ⅳ5，C，5)=C23l／221C321／311／2C411／31／21／3 第32卷第l2期压力容器总第277期判断矩阵D具体为：分改进法和层次分析法，建立燃气聚乙烯管道风32险评价模型，能较为全面地分析出燃气聚乙烯管332121道风险等级，较好地解决了风险评价中一直存在D=(20)1111l／2的定性与定量因素综合评价问题。，1／21／3(2)通过实例分析，得出具体燃气聚乙烯管各项风险评价指标c(i=1，2，3，4)对于聚乙道风险等级，证明了该方法的可行性，从而实现了烯管道风险等级的权重，，，⋯，∞，由式(5)计“信息收集～风险评价一制定决策”的目标，将燃算得60】0．444，同理可得：∞20．283，∞3—气聚乙烯管道风险评价由以往的被动的应急抢险0．165，∞4s0．107。维修方法，变为主动的管道安全风险评价预警管(6)步骤6：各评价指标的关联函数值。理模式，为燃气聚乙烯管道的安全运行与维护提将量域物元体、节域物元体相应的端值代入供科学的依据。式(6)一(10)，计算得出风险评价指标关于各风参考文献：险等级的关联函数值，如表3所示。[1]蔡文，杨春燕，陈文伟，等．可拓集与可拓数据挖掘表3各风险评价指标关于风险等级的关联函数值[M]．北京：科学出版社，2008．[2]杨春燕，蔡文．可拓集中关联函数的研究进展[J]．(。)I级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级广东工业大学学报，2012，29(8)：7—14．第三方破坏一0．612—0．483—0．2250．450—0．261[3]GB15558．1003，燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系脆性开裂—0．825—0．766—0．650—0．3o0O．30o统第1部分：管材[s]．[4]GB15558．2—2005，燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系蠕变失效—0．425—0．233O．30o一O．115一0．361统第2部分：管件[s]。泄漏失效—0．437—0．2500．250—0．100—0．357[5]GB15558．3008，燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第3部分：阀门[S]．(7)步骤7：燃气聚乙烯管道的关联函数值。[6]MuhlbauerWK．PipelineRiskManagementManual将步骤5得出的权重以及步骤6得出的各风[M]．NewYork：GulfPublishingCompany，2004．险评价指标的关联函数值代入式(11)，得出燃气[7]CelinaB，HugoLopezM，PatrieiaF．Failumprediction聚乙烯管道的关联函数值，如表4所示。analysisforpolyethyleneflawedpipes[J]．EngineeringFractureMechanics，2003，70(15)：2149—2162．表4聚乙烯管道关联函数值[8]LeskoviesK，Koll6rM，BdrczyP．Astudyofstructure风险等级I级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级andmechanicalpropertiesofweldedjointsinpolyethy·lenepipes[J]．MaterialsScienceandEngineering，(Ⅳ)一0．626—0．5O1—0．1920．132—0．0552006，419(6)：138—143．[9]王立君，徐礼德，卢凤桂，等．蠕变对PE80管材焊缝(8)步骤8：确定所述燃气聚乙烯管道的风险裂尖应力奇性的影响[J]．压力容器，2001，18(3)：等级。31—33．取对应所述燃气聚乙烯管道关联函数值最大[10]TSGR7001-2013，压力容器定期检验规则[s]．时的风险等级为评价结果，即根据式(12)可知[11]陈学东，艾志斌，李景辰，等．压力容器风险评估技术在国家安全技术规范中的采用[J]．压力容器，M(N)=ma)【(Ⅳ)=0．132，处于风险等级Ⅳ级，2008．25(12)：1—4．即待评价燃气聚乙烯管道失效风险等级为Ⅳ级。收稿日期：2015—11—06修稿日期：2015—12—145结语作者简介：王新华(1969一)，男，教授，主要从事油气管道内外腐蚀、流体传动与控制技术、机电伺服驱动技术等方(1)根据燃气聚乙烯管道风险评价理论和收面的研究工作，通信地址：100124北京市朝阳区平乐园集整理得到的燃气聚乙烯管道事故信息为基础，100号北京工业大学机电楼103C室，E—mail：wxheln-在物元理论和可拓集合理论基础上，结合肯特评ma2005@163．corn。·37·'