管段脆弱性和重要性對城鎮天然氣管網可靠性的影響分析

張凱 李蜜悅 鄧瀾鈺 林鵬飛 李文璇 伍穎

摘?要：當前城鎮天然氣管網建設日漸密集、復雜，這些管網一旦出現事故，后果不堪設想。本文就城鎮天然氣管段的脆弱性、重要性為管段可靠性的分析依據，建立脆弱性、重要性指標，用模糊聚類法和貝葉斯分析法對可靠性進行定量分析就評價結果對管段運行、增加保護措施提供依據。

關鍵詞：城鎮天然氣管網;指標評價體系;脆弱性分析;可靠性分析

1 概述

城鎮天然氣系統因自然災害而引發嚴重次生災害的教訓十分慘痛，如1994年美國洛杉磯地震、2008年我國汶川地震[1]。為了保證安全可靠的向用戶供應燃氣，引入可靠性進行研究。目前國內外專家對城鎮天然氣系統可靠性的研究大多集中在管網系統上，采用數值模擬軟件、現場管道實驗數據分析等多種方法，其結果主要集中在對整個管網系統的安全性的定性評價分析，但對城鎮天然氣管段可靠性的定量分析及運用分析結果對管段運營管理提出建議的研究甚少。本文針對城鎮天然氣管網的管段可靠性評價進行研究，引入脆弱性以及重要性指標，采用模糊聚類分析法及貝葉斯分析法，對城鎮天然氣管段進行可靠性評價。

2 城鎮天然氣管段可靠性分析

將城鎮天然氣管網看成一個管段系統，其中的管段、管件和附件組成系統的不同單元。通過脆弱性、重要性綜合分析得到可靠性對評價各單元對管網系統的影響程度。以作為管網運行、維護階段的依據。

城鎮天然氣管網的可靠性是指管網在一定的條件與時間內能夠安全平穩運行的能力。可以通過管段脆弱性，可靠度，失效率等來評價管網的可靠性。

管段脆弱性是天然氣管道系統在外部不利影響下遭受損害的程度或承受損害的能力;是管段和系統本身的一種屬性[2]。自管段建成其脆弱性就成為管段系統的一個特性，可用來表征或描述管段燃氣系統遭受第三方破壞、自然災害等時的抵抗能力。

管段的重要性是指該管段無法正常運行時對整個管網的影響程度，影響程度大則管段重要性高，反之，則重要性低。

2.1 管段脆弱性指標和算法實現

管段脆弱性的指標體系主要分為外部環境脆弱性（即外界環境的狀況對管段的影響），自身脆弱性（即管段自身具有的特質），恢復能力脆弱性（即應對災害的能力）[3]。

通過對某管網中每根管段的脆弱性指標數據，采用極差法對原始數據進行標準化，構建模糊相似矩陣，再采用主觀評分法構造模糊相似矩陣，將模糊相似矩陣改造為模糊等價矩陣，最后進行聚類分析[3]。該算法通過MATLAB實現，得到的聚類結果由專家選取最佳閾值后，對管段進行合理分類。

2.2 管段重要性指標和算法實現

該研究中，管段重要性只考慮管段是否連通。首先將城鎮燃氣管網系統簡化為管段，節點與用戶。在對管網連通性進行描述之前有以下基本假設：假設管道只有兩種狀態，正常運行或者失效;節點不會失效。

管段重要性指標體系包含：指定用戶與至少一個氣源的連通可靠度，所有用戶與至少一個氣源的連通可靠度，指定氣源與所有燃氣用戶的連通可靠度，所有燃氣用戶與所有氣源的連通可靠度[4]。

首先通過貝葉斯方法對管網進行分析，通過分析再構建相應的管網故障樹，再通過故障樹獲得相應的有向無環圖結構，與每個有向無環圖中的每個節點相關的條件概率表，進行編程求解。

2.3 城鎮天然氣管段的可靠性評價

通過對脆弱性與重要性的相關計算分析得到的有結果表達式ai，bj通過以下表達式的相關函數關系可得管網中每個管段的可靠性。

cK=ai·bj

式中：

ai——管段脆弱性分析結果;

bj——管段重要性分析結果;

cK——管段可靠性分析結果。

根據上式得出的結果對每個管段可靠性數值的大小進行降序排列，排名靠后的管段可靠性差，應加強巡視力度，增加保護措施。

3 結論

在建立指標體系后，通過對燃氣管網中的管段脆弱性進行聚類分析，然后按脆弱性等級進行分類;以連通重要性作為依托對管道重要性以失效概率進行量化;再講兩者綜合得到管道的可靠性。本研究得出以下結論：

（1）建立了城鎮天然氣管段可靠性評價指標體系。

（2）從管段是否連通的角度入手，采用連通可靠度來表征各管段重要性，給出了管段重要性的定義。

（3）提出可靠性計算方法，該公式考慮了管道本身的性能參數和系統的氣體流通性。

參考文獻：

[1]李昕.燃氣管網地震緊急處置系統規劃設計研究[D].中國地震局工程力學研究所，2015.

[2]陽利永.重慶市貧困山區農戶旱災脆弱性與土地可持續管理[D].西南大學，2009.

[3]郝敏娟.市政天然氣管網脆弱性模糊聚類分析[D].首都經濟貿易大學，2018.

[4]馬亮.城鎮燃氣管網系統的可靠性研究[D].2016.