城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系研究

張偉明, 梁海濱, 李 琦, 伍 穎

(1.中石油昆侖燃氣有限公司燃氣技術研究院,黑龍江哈爾濱150000;2.西南石油大學 土木工程與測繪學院,四川成都610500)

1 概述

城鎮燃氣管道作為國民經濟發展和人民生活保障的資源和能源大動脈,具有城市生命線的重要地位[1]。我國是地震頻發國家,隨著城鎮燃氣管網密度以及規模不斷擴大,面對地震這種隨機性、毀壞力強的自然災害,單靠震后被動治理不能有效地降低地震帶來的損害,需提高抗震應急處理水平和震后搶險能力。地震波傳播引起的地面變形,會直接對管道造成破壞,而地震造成的液化、滑坡和地面破壞,可能間接導致燃氣管網受損而失效[2]。城鎮燃氣管網遭到地震破壞后,可能出現燃氣泄漏,引發爆炸、火災等一系列嚴重后果,對城鎮居民的生命、財產安全造成巨大影響。目前國內外已發生多起地震造成的燃氣管道震害事故。2008年汶川地震造成燃氣管網嚴重破壞,建筑較多區域的燃氣管道被毀壞的程度較為嚴重[3]。美國的加利福尼亞、意大利、希臘、土耳其、日本和新西蘭,這些地區的震害記錄表明,埋地管道很容易受到地震的影響[4]。目前,國內尚未建立城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系。本文旨在通過構建城鎮燃氣管網震害故障樹,建立城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系,可根據管網的地震易損性評估結果,優化區域安全管理措施,減小管道震害風險,提高城鎮燃氣管網的整體安全管理水平。

2 定義

地震易損性最初是在土木工程領域提出的,指地震作用下結構發生破壞的概率[5]。在本文中,地震作用下的結構指的是城鎮燃氣管網,由于城鎮燃氣管網的復雜性,無法定量描述結構發生破壞的概率,故將地震易損性原本的定量描述修改為定性描述,即采用破壞程度刻畫地震作用下的城鎮燃氣管網的抗震性能。

結合地震易損性定義,可將城鎮燃氣管網地震易損性定義為:在不同強度地震作用下城鎮燃氣管網發生各種破壞狀態的程度。

災害易損性分析是一種評估災害影響下結構損傷程度的有效手段,反映承災體受到災害攻擊時,目標易受損傷的程度[6]。對于一個待分析的災害風險系統,首先必須存在風險源(本文指地震);其次,必須有風險承受體,即人類社會或其他具體實物(本文指管道),可見災害易損性是由災害的危險性和承災體的易損性共同決定。

3 指標體系建立

從地震危險性與管道基礎條件兩個一級指標出發,進行次級指標梳理。地震危險性與管道基礎條件分別對應地震災害的危險性與管道承災體的易損性,符合災害易損性以及城鎮燃氣管網地震易損性的定義。

在本文中,定義城鎮燃氣管網地震易損性值V計算式為:

V=ef

(1)

式中V——城鎮燃氣管網地震易損性值

e——地震危險性評分值

f——管道基礎條件評分值

根據城鎮燃氣管網地震易損性定義,將城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系分為目標層與指標層。目標層即為城鎮燃氣管網地震易損性。將城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系的一級指標劃分為地震危險性與管道基礎條件,其余指標層即為需要進行地震易損性評估的指標。城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系指標層級構成見圖1。

圖1 城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系指標層級構成

已知一級指標與二者之間的關系,需要對影響管道震害情況下運行穩定性的因素追根溯源,探究引發管道震害安全事故的原因。因此,采用故障樹對管網震害事故之間的關系進行分析。

3.1 故障樹建立

① 故障樹分析法

故障樹分析法(Fault Tree Analysis,簡稱FTA)作為一種邏輯演繹分析工具,通過事故及聯合順序組合的圖示,描述頂事件與基本事件的內在聯系。通過構建故障樹,可以清晰地表達故障事件和故障原因之間的因果關系,幫助理解系統中潛在的故障演化路徑。故障樹的頂事件(T)是不希望發生的事件,它指系統的故障,中間事件(M)是導致頂事件發生的故障或事件,故障樹的底部事件是基本事件(X)[7]。

② 故障樹邏輯符號

故障樹分析法適用于本文城鎮燃氣管網地震易損性影響因素的識別。故障樹中常見的邏輯關系有“與”“或”“異或”,故障樹邏輯符號見圖2?！芭c”表示僅當所有輸入事件發生時,輸出事件才發生,符號如圖2a所示;“或”表示至少一個輸入事件發生時,輸出事件就發生,符號如圖2b所示;“異或”表示只有當單個輸入事件發生時,輸出事件才發生,符號如圖2c所示。篩選故障樹中的基本事件,可作為城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系中的指標來源。

圖2 故障樹邏輯符號

③ 失效事件故障樹

為探究城鎮燃氣管網震害失效的潛在原因,依據相關標準、大量文獻調研與專家意見,結合城鎮燃氣管網在設計、施工、運維等方面的震害特點,建立了地震影響失效、管道腐蝕或老化失效、管道設計失效、管道施工失效、第三方損傷失效、誤操作失效6個故障樹(見圖3～8),根據故障樹可梳理出失效事件之間的邏輯性。圖6a中監檢一般指政府監督檢查部門的監督、調查、處置等。故障樹分析可以幫助確定引起管道震害事故的根本原因或次要原因,因此,根據故障樹中基本事件,進行城鎮燃氣管網地震易損性評估指標選取。

3.2 指標體系

3.2.1指標確定

① 地震危險性下的二級指標確定

以地震危險性下的二級指標確定為例進行說明。根據故障樹的震害基本事件梳理,確定以地震動破壞、建筑抗震設防、地震地質災害為地震危險性下的二級指標。具體如下。

圖3 地震影響失效故障樹

a.地震動破壞

地震動破壞需采用量化指標來反映其強度,同時,需要考慮影響地震動破壞強度的外因素。斷層與地震峰值加速度用于反映地震動破壞的頻率強度,屬于影響地震動破壞的內因素,場地類型與場地土類型交界是反映影響地震動破壞的外因素。

b.建筑抗震設防

建構筑物倒塌是地震影響下最為顯著的城鎮遭受自然災害破壞的特征,建構筑物的坍塌可能造成地下管網的承壓環境改變,又或是造成跨越、穿隧道管道的直接失效。建筑抗震設防影響地震下建筑倒塌對管道的二次影響。

c.地震地質災害

滑坡、地面沉降、斷層錯動、砂土液化等這類地震地質災害發生的機制相似,對管道造成的失效影響也類似,即因地震引發地質災害,導致土體對管道進行加載,使得管道因承受巨大拖拽力而發生彎曲變形、拉裂甚至整體斷裂。為了簡化評價過程,將地震地質災害作為地震危險性下的二級指標,不再詳細進行地質災害的劃分。

同理,通過分析確定管道腐蝕、管道老化、管道設計、管道施工、第三方損傷、誤操作為管道基礎條件下的二級指標。

a.管道腐蝕或老化失效部分故障樹

圖4 管道腐蝕或老化失效故障樹

圖5 管道設計失效故障樹

② 地震動破壞下的三級指標確定

以確定地震動破壞下的三級指標為例進行說明。

a.斷層

斷層是地震動的主要類型,是反映地殼運動強度的一種破壞現象,斷層的累積可造成地震的發生,因此可采用斷層對地震發生頻率進行劃分。

b.地震峰值加速度

地震動破壞的強度由地震震級決定,目前相關地震研究工作以地震峰值加速度進行地震震級的刻畫,因此以地震峰值加速度對地震動破壞的強度進行劃分[8-9]。

c.場地類型、場地土類型交界

不同場地條件下地震動破壞的綜合放大效應不同,且在場地土交界處管道受力不一致,更容易發生破壞,因此,以場地類型、場地土類型交界對地震動破壞的綜合放大效應進行刻畫。

綜上,以斷層、地震峰值加速度、場地類型、場地土類型交界作為地震動破壞下的三級指標。

通過以上分析,失效事件不能直接作為指標,可考慮指標選取的完整性、科學性、可運算性、相互獨立性、簡約性、定量和定性相結合原則,進行故障樹失效事件的篩選,確定城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系中的其余各層級指標。

③ 鋼管和PE管地震易損性評估說明

需說明的是,本文對鋼管和PE管兩種管材類型的城鎮燃氣管網開展地震易損性評估。

a.兩種管材震害風險上表現一致

指標設置上,針對兩種管材類型在城鎮燃氣管網震害風險上表現一致的指標,采用同一指標、同一風險劃分的方式進行評估。

b.兩種管材震害風險上表現不一致

針對兩種管材類型在城鎮燃氣管網震害風險上表現不一致的指標,采用同一指標、不同風險劃分的方式進行評估。

c.兩種管材震害風險完全不交叉

針對兩種管材類型在城鎮燃氣管網震害風險上完全不交叉的評估指標,如管道腐蝕和管道老化分別發生在鋼管和PE管,根據“異或”邏輯關系,實際地震易損性評估中二選一進行評估。

3.2.2序關系法

采用序關系法確定城鎮燃氣管網地震易損性評估指標的權重。序關系法不需要構建判斷矩陣,且無一致性檢查,可操作性強[10]。

根據上面分析方法,得到城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系各級指標及權重,見表1(表中空白表示無此項,“—”表示權重不參與計算)。

4 地震易損性確定

4.1 地震易損性

根據故障樹邏輯關系建立的城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系,城鎮燃氣管網地震易損性值為地震危險性評分值與管道基礎條件評分值的乘積。在指標體系中,往往存在多個具有下一層級指標的復合指標,定義各個底層指標的評分值為0～5分。

圖6 管道施工失效故障樹

圖7 第三方損傷失效故障樹

圖8 誤操作失效故障樹

表1 城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系各級指標及權重

續表

續表

續表

在故障樹分析中,已分析到影響管道震害失效的因素之間存在“與”“或”“異或”關系。由于城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系中的各級指標來源于故障樹,因此指標之間也存在“與”“或”“異或”關系。

在已建立的指標體系表1中,只有“H2S和CO2含量”與“凝析水含量”、“土壤腐蝕性物質”與“土壤含水量”、“拉應力腐蝕”與“交變應力腐蝕”是“與”關系。“異或”關系指標只存在于同一層級,二者不同時發生。在指標體系中,由于城鎮燃氣管網常用的管材有鋼管和PE管,鋼管和PE管的相關指標二選一進行評價,這類指標有“管道腐蝕(鋼管)”與“管道老化(PE管)”、“鋼管連接”與“PE管連接”、“埋地鋼管探測”與“PE管道示蹤系統完整性”,它們之間的關系便是“異或”關系。除此以外的其他指標之間均為“或”關系。

為方便計算,將待計算的指標稱為計算級指標。計算級指標是一級指標、二級指標、三級指標、四級指標之一。

“或”關系的計算級指標計算式為:

(2)

式中H——計算級指標評分值

n——計算級指標的下級指標數量

wk——計算級指標的下級指標權重

Ik——計算級指標的下級指標評分值

“與”關系的計算級指標計算式為:

(3)

對于存在“異或”關系的兩個指標,由于“異或”關系指標只存在于同一層級,二者不同時發生,因此二選一進行評價即可?！爱惢颉标P系的指標分值計算不同于邏輯“與”“或”,在二選一后,保留下的指標與同一層級指標計算分值。

4.2 地震易損性等級

SY/T 6828—2017《油氣管道地質災害風險管理技術規范》中,將管道地質災害風險分為高、較高、中、較低、低等級。因此,可參考該規范,將城鎮燃氣管網地震易損性分為低易損性、較低易損性、中易損性、較高易損性、高易損性等級。

地震易損性值最小值記為Vmin,最大值記為Vmax。此處需要強調的是,由于指標體系中部分指標存在“異或”關系,如“管道腐蝕”與“管道老化”不同時發生,在評價時,根據實際情況,Vmax可能出現不一樣的情況,需結合所評價的城鎮燃氣管網情況計算Vmax。

借鑒英國焊接學會的矩陣風險等級3∶3∶7∶8∶4的比例對地震易損性進行區間劃分[11],記Vmin+VmaxVmin的值為Vl,可得城鎮燃氣管網地震相對易損性值區間,等級劃分見表2。

完成城鎮燃氣管網地震易損性值的計算后,結合表2中的相對易損性值區間,來評定城鎮燃氣管網地震易損性等級。

城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系能夠對各個地區的城鎮燃氣管網進行地震易損性等級評估,得到不同地區的城鎮燃氣管網地震易損性等級,以進一步完善管網震害應急預案與處置等措施[12]。

表2 城鎮燃氣管網地震易損性等級劃分

5 結論

① 提出城鎮燃氣管網地震易損性的定義,根據定義從地震危險性和管道基礎條件兩個方面分析影響地震下管道運行安全的原因,作為城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系的兩個一級指標。

② 構建城鎮燃氣管網震害故障樹,由故障樹自上而下分析震害事故之間的邏輯關系,分析地震下影響管網運行可靠性的原因,得到城鎮燃氣管網地震易損性評估指標。

③ 基于故障樹中的頂事件、中間事件以及基本事件,篩選符合城鎮燃氣管網特點的地震易損性指標,采用序關系法計算指標權重,建立了一個城鎮燃氣管網地震易損性評估指標體系。

④ 給出城鎮燃氣管網地震易損性值計算方法,結合相對易損性值區間,評定城鎮燃氣管網地震易損性等級。