基于監測數據的埋地燃氣管道動態風險評估

徐 立，楊 陽，朱麗榕

（1.合肥澤眾城市智能科技有限公司，合肥 230601；2.清華大學合肥公共安全研究院，合肥 230601；3.合肥市城市生命線工程安全運行監測中心，合肥 230061）

燃氣是當今社會不可或缺的重要能源，而大量燃氣管線作為輸送燃氣的主要載體，是國家民生基礎設施的關鍵組成[1]。近年來，隨著我國燃氣管線里程及部分管網管齡的增加，燃氣管線事故時有發生，由于燃氣自身的特性，泄漏后將發生嚴重的爆炸事故，產生極大的危害，造成惡劣的社會影響[2]。因此，燃氣管道的風險評估一直是眾多研究者的關注熱點。

多年來，專家學者的研究多集中于管道的靜態風險，圍繞燃氣管道發生事故的失效可能性和后果嚴重性2 個方面給出評價方法，而未考慮管道運行中的動態因素。近年來，許多研究學者已意識到這一問題，在風險評估中增加考慮動態因素，建立管道動態風險評估方法。劉克會等[3]將燃氣管道進行分段風險評估，并在此基礎上增加時間維度，用理想矩陣法進行燃氣管道運行的動態風險評價，提升了整個管道風險評價的準確性。焦建瑛[4]從管道后果嚴重性出發，主要考慮經濟、人口、社會和政治等動態因素，將評價區域網格化，實現網格化動態后果評估。而王文和等[5]從事故失效可能性出發，對失效可能性中的失效事件進行概率更新，使之隨時間實時動態改變，實現管網的動態風險分析。史運濤等[6]建立社區燃氣系統知識圖譜，分析燃氣系統中的動態影響關系，利用人工神經網絡圖，建立了燃氣系統動態風險評估方法。這些動態風險評估方法，極大地提高了燃氣管線的風險管控水平。

另外，對于燃氣管道事故的預防，部分管道管理單位采用在燃氣管道安裝數據監測傳感器，通過實時監測安裝點可燃氣體濃度等數據，保證管道的正常運行。如合肥，在燃氣管網相鄰地下空間內安裝可燃氣體監測儀，通過監測管道相鄰地下空間的可燃氣體濃度，準確判斷出燃氣管道是否泄露，對城市的管網安全起到至關重要的作用。如冬奧會用燃氣管道，基于分布式陰極保護。多頻譜瞬態彈性波和場指紋腐蝕泄漏監測、光纖泄漏檢測技術，分析泄漏信號特征參數，進行管道漏泄的判斷。本文以冬奧會用燃氣管道為例，結合冬奧用燃氣管道的泄漏信號監測數據，建立燃氣管道動態風險評估模型。

1 燃氣管道動態風險評估模型

燃氣管道動態風險評估指標分為2 類指標，分別是靜態指標和動態指標，如圖1所示。靜態指標包括管道的失效可能性與后果嚴重性判斷指標，用以計算燃氣管道的靜態風險。動態指標即監測數據，冬奧會用燃氣管道的監測數據為通過光纖泄漏傳感器監測的溫度、通過腐蝕傳感器測得的FC 值、通過聲發射泄漏傳感器測得泄漏量、陰極保護傳感器測得陰極電位。將靜態指標和動態指標結合，得出燃氣管道的動態風險。

圖1 燃氣管道動態風險評估指標

2 燃氣管道靜態風險計算模型

本文燃氣管道靜態風險計算模型以判斷管道失效可能性與失效后果嚴重性等級，并進行靜態風險等級劃分為理論依據建立的。

2.1 失效可能性評價方法

對于燃氣管道，通過大量的燃氣管網事故統計分析，主要考慮管網設備自身因素、運行環境影響因素和運行管理因素等信息，即

F=F設備自身+F運行環境+F運行管理。

燃氣管道設備自身因素主要包括管道的使用年限、管道防腐系統的情況、管道設計施工制造的質量及管道閥門的銹蝕程度。

燃氣管道都是深埋于地下，其周圍環境也是影響其安全運行的主要因素，其中影響最大的兩方面包括外部腐蝕及第三方破壞。

有效的管道管理可以降低管道安全風險系數，減少管道事故危害，主要從管道維護保養、規范操作規程和員工培訓等方面入手。

燃氣管道失效可能性評分細則見表1，評分標準設置為0～5 分，分數越小，說明管道運行越安全，發生事故的可能性越小。

表1 燃氣管道失效可能性評分細則

表1 燃氣管道失效可能性評分細則（續）

在各級指標中，按照評分標準對各級指標由專家進行打分，由F=F設備自身+F運行環境+F運行管理計算得到埋地燃氣管道的失效可能性得分，由表2的等級劃分得到管道的失效可能性等級。

表2 埋地燃氣管線失效可能性等級劃分

2.2 后果嚴重性評價方法

對于埋地燃氣管道，其失效后果嚴重性主要考慮

C=C影響范圍+C搶修時間，

式中：C影響范圍為燃氣管道失效影響范圍，C搶修時間為設備搶修時間，具體評分方法見表3，分級方法見表4。

表3 埋地燃氣管道失效后果嚴重性評分

表4 埋地燃氣管道失效后果嚴重性等級劃分

2.3 靜態風險評價方法

根據燃氣管道基礎風險的失效可能性等級和后果嚴重性等級，按照風險矩陣進行風險等級劃分，劃分為極高風險、高風險、中風險和低風險4 個等級，分別用紅、橙、黃、綠4 種顏色表示，具體見圖2和表5。

表5 埋地燃氣管道風險等級劃分標準

圖2 埋地燃氣管道風險矩陣圖

3 構建結合監測變量的燃氣管道動態風險評估方法

3.1 構建判斷矩陣并確定指標權重

冬奧會用燃氣管道監測的動態指標為通過光纖泄漏傳感器監測的溫度、通過腐蝕傳感器測得的FC值、通過聲發射泄漏傳感器測得泄漏量、陰極保護傳感器測得陰極電位，則燃氣管道動態風險R={靜態風險，泄漏量，溫度，電位，FC 值}，其中靜態風險是靜態指標，通過上節方法獲取風險等級，泄漏量，溫度，電位，FC 值是實時監測的動態指標，通過實際監測值獲取。

對基礎風險、泄漏量、溫度、電位和FC 值采用定量的形式，通過判斷矩陣確定各指標的相對重要性，本文以表6中的1—9 標度法對指標進行兩兩比較。

表6 重要性標度含義表

通過專家打法分和實踐調查法評估指標相對重要性，構造其靜態風險，泄漏量，溫度，電位，FC 值判斷矩陣，見表7。

表7 埋地燃氣管道不同風險指標判斷條件對應的風險等級關系

用Matlab 軟件計算得到判斷矩陣最大特征值λmax=5.133 5，歸一化后的特征向量A=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]T。因此風險指標基礎風險、泄漏量、溫度、電位、FC 值對應的權重值分別為0.0304、0.3608、0.267 6、0.197 2、0.144。

3.2 確定風險指標的風險等級

通過現場調研并結合本文靜態風險的風險等級劃分結果，構建基礎風險、泄漏量（L/min）、溫度（℃）、電位（V）、FC 值的風險等級判斷表，具體見表8。

3.3 風險得分計算

最終埋地燃氣管道動態風險評估的最終風險得分為R=AT×B×VT，式中：A 為判斷矩陣的歸一化特征向量，反映了各風險指標的權重值，AT=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]。

B 為風險指標的隸屬度矩陣，以表8為判斷依據得到。如根據打分，判斷管道靜態風險等級為中，實際監測的泄露數據為0 L/min，溫度為18 ℃，電位為-0.95 V，FC 值為100，則隸屬度矩陣B 為

表8 埋地燃氣管道運行風險各指標判斷矩陣

V 為評價準則集V=[0，20，35，100]，劃分依據為保證任一實時監測指標報警狀態和風險評估最高等級保持同步；調取已投入運行的燃氣管道監測系統的歷史數據對計算標尺進行檢驗，以保證劃分的科學合理。

3.4 動態風險等級劃分

計算出風險得分R 后，依據埋地燃氣管道運行風險等級劃分，見表9，判斷出燃氣管道的具體風險程度。

表9 埋地燃氣管道運行風險等級劃分

4 結束語

本文針對已采取監測傳感器實時監測管道泄露等指標的燃氣管線，以冬奧用燃氣管道為例，將燃氣管道的靜態指標與實時監測的動態數據指標相結合，建立判斷矩陣，確定指標權重，給出了燃氣管道的動態風險評估模型，能夠正確反映管道運行風險的動態變化過程。