基于模糊綜合評價的城鎮埋地聚乙烯天然氣管道風險評價

李建鋒 錢存華

（1.蕪湖市特種設備監督檢驗中心 蕪湖 241004）

（2.南京工業大學 南京 210000）

1 前言

近年來，聚乙烯管以其優良的性能在城鎮燃氣管網建設中得到廣泛應用。與鋼管相比，聚乙烯管具有使用壽命長、抗腐蝕、造價低、維修簡便等優點，因此，聚乙烯管材廣泛應用于中壓城鎮燃氣輸送工程中。燃氣管道作為城市的能源“大動脈”連接著千家萬戶，在為人們提供便利的同時，也潛藏著風險，由燃氣使用而導致的事故屢屢發生。中國城市燃氣協會安全管理委員會發布的《全國燃氣事故分析報告》統計，2017—2020年全國媒體報道的燃氣事故數量分別為925起、813起、721起和615起。僅2021年上半年，共計發生天然氣事故191起，其中管網事故146起，死亡38人，受傷201人[1]。

城鎮燃氣輸送管道大多敷設在高后果地區，其一旦發生事故將造成嚴重后果，因此將燃氣管道運行過程中的風險進行量化并加以控制勢在必行，國內外多名專家學者對此類分析方法進行了研究。美國從20世紀70年代開始油氣管道風險評價技術的研究與應用工作，至20世紀90年代初期，率先將風險評價技術引入壓力管道安全管理領域，用來評估油氣輸送管道的運行風險，進而指導油氣輸送管道的維護與保養。Brian J G和Aamir K為了給管道設施風險管理決策提供數據支撐，對美國紐約州南部的油氣管道設施風險進行研究，通過對2012—2016年管道失效事故數據進行分析，將失效后果分為5個等級，即輕微、中度、嚴重、重大、災難性，并對失效后果概率進行統計分析，構造了風險矩陣[2]。繆春生等人通過對大量城市埋地燃氣管道失效案例進行統計分析，將導致埋地管道失效的原因分為4個方面，即第三方破壞、腐蝕侵蝕破壞、設計、施工失誤和誤操作。并利用模糊綜合評價法分別對失效可能性和失效后果進行評價，建立了在用城鎮埋地燃氣管道風險矩陣[3]。

2 燃氣用聚乙烯管失效模式

燃氣用聚乙烯管，是指材質為聚乙烯的燃氣管，又稱PE管，在埋地狀態（聚乙烯燃氣管道嚴禁明設[4]）下使用，主要用于城鎮天然氣的輸送。按照生產聚乙烯管所用的樹脂材料在進行聚合反應時因壓力、溫度等條件不同，可得到不同密度的樹脂來進行分類，分為高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯3種。國際上把聚乙烯管按照其制造材料的密度等級分為PE32、PE40、PE63、PE80、PE100五個等級，我國燃氣用聚乙烯管主要采用的材料等級為PE80和PE100。

燃氣用聚乙烯管主要有以下幾種失效模式：韌性失效、脆性失效、焊接接頭失效、表面失效、缺陷引起的失效[5-6]。除以上失效模式外，某些特定生物（例如白蟻）也會對管材造成破壞，導致管道失效[7]。

在不同的內壓載荷和溫度作用下，聚乙烯管的環向應力-失效模式如圖1所示，縱坐標與橫坐標圍成的區域內的任一點代表聚乙烯管的使用狀態，只要聚乙烯管的使用狀態的點落在安全使用區域內，在不考慮其他因素的情況下，可以認為聚乙烯管可以安全使用，若是落在安全使用區域外，則可能發生失效。圖1中σ1、σ2、σr數值由模擬試驗確定。

圖1 聚乙烯管與應力-時間有關的失效模式

1）韌性失效，由圖1可以看出當聚乙烯管的環向應力＞σ1時，首先發生的是由蠕變引起的韌性破壞失效。聚乙烯管的韌性破壞特征：首先，管材沿周向隆起（鼓包），隆起部分管材的壁厚不斷減薄，同時軸向和環向的應力狀態重新分配，在隆起部分形成應力集中，最終在隆起頂部發生破裂。

2）脆性失效，當環向應力在σ1和σ2之間時，隨著使用時間的增加，聚乙烯管將發生由慢速裂紋擴展引起的脆性破壞。聚乙烯管慢速裂紋擴展破壞的機理：聚乙烯管在較低應力長期作用下，材料晶片間的細帶大分子發生解纏，宏觀上表現為裂紋的擴展、擴大而管材本身無明顯變形，最終引起脆性破壞。

3）老化失效，當環向應力＜σ2時，將不會導致上述2種失效模式，這時候聚乙烯管失效的主導因素是使用時間，發生破壞的根本原因是使用時間過長，引起管材老化而導致失效。模擬實驗表明，此時聚乙烯管的使用時間已遠遠超過其設計壽命，因此這種失效在實際使用中一般不會發生。

聚乙烯管的焊接方法有熱熔焊接和電熔承插焊接2種。若是焊接操作不當、焊接參數設置錯誤或焊接環境不適宜等則會引起焊接接頭失效，典型的焊接接頭失效有以下幾種[8]。

1）假焊，假焊常見于熱熔焊接中，是熱熔焊接最致命的缺陷，危害極大。通常情況下，假焊缺陷采用耐壓試驗的方法無法查出，管道敷設以后隨著地質條件、內部壓力的變化，焊縫部位由于受到內壓和外部彎矩的影響而突然發生焊縫整體脆性開裂。這種由假焊引起的開裂沒有明顯的先兆，斷裂迅速，斷口整齊、光滑。

2）錯邊量過大，錯邊量過大缺陷主要存在于熱熔焊接中。造成此類缺陷的原因是，兩管在焊接對接時沒有對中，或是焊接過程中壓力過大，導致兩管邊緣錯開。由于錯邊量過大，使管道焊接部位的有效厚度減小，并且極易造成應力集中。在使用過程中，在內壓的作用下，一般會先發生韌性失效，即管道焊縫部位隆起（鼓包），從而導致焊縫部位的有效厚度進一步減小，最終造成韌性撕裂。

3）熔合部位開裂，此類缺陷主要發生在電熔承插焊接過程中。造成這種失效的原因是，電熔承插焊接時，管道表面的氧化層或污物未進行刮除或是刮除不徹底，導致管道外壁與電熔套筒內壁熔化粘接時混入雜物，母材未達到分子間結合。這類缺陷嚴重影響焊接質量，導致管材承壓能力下降，往往在使用壓力很低的情況下就發生泄漏、開裂，危害性較大。

聚乙烯管的焊接接頭缺陷一般都是在施工過程中產生的，在管道后續的運行過程中，這些焊接缺陷往往是造成管道失效的起始點。在新建管道時，必須要對施工管理過程進行控制，尤其是焊接過程。

聚乙烯管的表面失效主要是聚乙烯材料老化的過程首先發生在表面，特別是在長時間室外存放的過程中。其表面的物理、化學變化是導致失效的誘因。目前，國內對于聚乙烯管道表面失效的報道和研究較少。施工過程中，應嚴格按照相關標準的存放時間規定對材料進行驗收，必要時還應對材料進行力學性能驗證。

缺陷引起的失效主要是指在聚乙烯管的運輸、安裝和使用過程中，可能造成劃痕、劃傷等缺陷。使用過程中，在內壓和外部環境的相互作用下，這些缺陷往往成為各種失效的“發源地”。

3 埋地聚乙烯管風險因素

對埋地聚乙烯管道風險因素進行識別是進行風險評價的前提條件，如何準確地界定風險因素的種類，從而準確地對風險因素進行辨識，直接關系風險評價結果的準確性。參考GB/T 13861—2022《生產過程危險和有害因素分類與代碼》，將可能導致生產過程中危險和有害因素分為4大類，分別是“管理因素”“人的因素”“物的因素”“環境因素”[9]。在此原則基礎上，結合聚乙烯管道的物理特性、失效模式、介質特性、使用環境、歷史事故等因素，對埋地聚乙烯天然氣管道風險因素進行辨識。

從風險的產生及聚乙烯管本身的物理特性來看，城鎮埋地聚乙烯天然氣管道的風險具有以下特點：

1）對第三方破壞更加敏感。聚乙烯管與鋼質管道不同，制造聚乙烯燃氣管道的原材料是聚乙烯樹脂，屬于柔性材料，管材本身強度不高，很容易被尖銳物破壞，因此對第三方破壞非常敏感。

2）起主要作用的風險因素不固定，隨環境的變化而變化。對于鋼質管道，在不考慮其固有的缺陷（包括焊接缺陷）時，其主要風險來源于腐蝕，風險源相對固定。但是對于聚乙烯管道則不然，其主要風險因素隨著敷設環境的不同而不同，在市政施工頻繁的地區，第三方破壞是其主要風險因素，而在一些特定的地區，生物破壞則可能成為主要風險因素。

3）各風險因素之間相互“激勵”，存在很大的模糊性。城鎮埋地聚乙烯天然氣管道大多敷設在三級、四級地區，地表環境非常復雜，存在很多有可能導致管道失效的風險因素。但是這些風險因素往往不是孤立的，而是相互關聯，互為“激勵”。管道事故的歷史教訓表明，一個事故的發生，一般存在一個主要的、直接的因素以及若干個次要的、間接的因素。在某個特定的場合或者特定的時間段，這些因素相互作用，最終釀成事故。因此，若是將每個風險因素孤立起來研究，本身就是不科學的，其研究結果必然偏離實際。也正是這種模糊性的客觀存在，可以將整個管道系統的風險作為一個模糊系統進行研究。

需要指出的是，風險因素種類的界定以及風險因素的辨識并不是一成不變的，實際應用中應根據埋地聚乙烯管道的具體使用環境對風險因素進行辨識，以能覆蓋所評價的管道系統中所有風險因素為準。若管道系統中含有部分鋼管，還應考慮鋼管失效的風險因素，例如腐蝕等。本文所給出的風險因素也不是一個固定的范本，在利用此法進行風險評估時，可以根據實際情況進行增減。具體見本文實例應用。

4 風險因素相對量化

如何確定各風險因素的權重，是對埋地聚乙烯天然氣管道進行風險評價需要解決的關鍵問題。導致埋地聚乙烯天然氣管道失效的風險因素有很多，若是給每個風險因素分配相同的權重，這顯然是不合理的。事實上，這些不同的風險因素對評價結果的“貢獻度”是不同的，尤其是敷設在不同的環境中，這些風險因素對評價結果的影響就更大[10]。本文采用層次分析法（AHP）確定風險因素的權重分配。具體方法如下：

1）確定目標和評價因素

評價目標V={城鎮埋地聚乙烯天然氣管道風險}；

n個評價因素（風險因素），u={u1，u2，…，un}。

2）構造判斷矩陣

將兩個因素xi和xj相互比較，以aij表示xi和xj對評價目標的影響大小，構造判斷矩陣。aij的值按照表1來確定。

表1 層次分析法尺度含義

對所有因素按照上述尺度含義兩兩進行比較，并將比較結果構造判斷矩陣，見式（1）。

3）計算最大特征根和對應的特征向量

按式（2）計算判斷矩陣A的特征根，其中I為單位矩陣。令行列式為0，計算判斷矩陣A的特征根λ，設最大特征根為λmax，再按式（3）計算最大特征根對應的特征向量ω。

4）一致性檢驗

判斷矩陣進行一致性檢驗，首先按式（4）計算一致性指標CI。平均隨機一致性指標RI值見表2。

表2 平均隨機一致性指標

一般認為，當CR=CI/RI＜0.1時，判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則需要對判斷矩陣進行修改，使判斷矩陣滿足一致性條件。如果通過了一致性檢驗，最大特征根對應的特征向量ω就是各因素的相對重要性排序。令ω=(a1,a2,…,ak)，則a1,a2,…,ak即為各指標權重系數。

5 單因素風險矩陣及風險等級

單因素風險矩陣由失效可能性、失效后果和風險等級構成。失效可能性分級[11]見表3，失效后果等級[9]的具體描述見表4。

表3 埋地天然氣管道的失效可能性分級

表4 埋地天然氣管道失效后果等級

由于城鎮埋地聚乙烯天然氣管道大多敷設環境均為人員密集、商業活動頻繁的高后果區，一旦發生事故，后果極其嚴重。鑒于此，在進行單因素風險評價時，本文提出弱化失效可能性，強化失效后果的觀點，以使評價結果趨于保守。依據這一原則，對單因素風險矩陣做了適當修正。具體見表5。

表5 單因素風險矩陣

當評價者無法明確確定單因素風險等級時，允許對風險等級進行模糊賦值，例如，可以對高風險等級賦值0.8，較高風險等級賦值0.2。

根據單因素風險矩陣，確定風險等級，為了進行加權平均計算，將4個風險等級進行量化，并依次賦值為4、3、2、1。見表6。

表6 風險評價結論定量分級標準

6 實例應用

6.1 綜合風險評價

本文選取某商業街供氣管道作為研究對象，對其進行模糊綜合風險評價。其基本參數見表7。

表7 天然氣管道基本參數

本文將城鎮埋地聚乙烯管道風險因素分為5大類，3個層級。具體見表8。

表8 風險因素匯總

需要特別指出的是，風險因素的劃分不是固定的，以能覆蓋所評價的管道的所有風險因素為準，可以根據實際情況進行適當調整。風險因素的層級也不是固定的，將風險因素的層級分的越細，評價結果則越接近實際，相應的運算量也越大。

確定評語集如下：

v={高風險等級（4），較高風險等級（3），中等風險等級（2），低風險等級（1）}利用層次分析法確定一級風險因素的權重，構造判斷矩陣見表9。

表9 層次分析法判斷矩陣

則矩陣S1記為：

計算矩陣S1的最大特征根并經一致性檢驗后得到一級風險因素權重系數，矩陣S1的最大特征根對應的特征向量為：

A1′=（0.07440.26540.91100.09020.2933）

經歸一化處理后得到一級風險因素的權重系數為：

A1=（0.04550.16240.55740.05520.1795）

運用同樣的方法可以確定二級風險因素以及三級風險因素的權重系數。

根據風險矩陣（見表5）進行單因素風險評價，以設計管理風險因素為例，見表10。

表10 設計管理因素風險評價

由此得到單因素風險矩陣：

則三級因素風險模糊評價矩陣：

B111=A111.R111=(00.37500.62500)

運用同樣方法可以得到：

B112=(0.36480.41810.19300.0242)

再對安全管理制度及應急管理制度因素進行評價，見表11。

表11 安全管理制度及應急管理制度評價

最終得到第一類風險因素模糊綜合評價矩陣：

運用同樣方法計算可得：

綜上，得到整體風險綜合模糊評價矩陣：

加權平均處理后得到整體模糊綜合風險評價結果：

對照表6可知，該管段處于較高風險等級。

6.2 評價結果分析

對每一大類風險因素進行模糊綜合評價，得到以下結果：

可以看出，該管道所有風險因素中與時間有關的因素處于低風險等級，腐蝕因素處于中風險等級，其余3類風險均處于較高風險等級。這是因為該段管道使用年限較短，約7年時間，根據事故“浴盆曲線”理論，該段管道目前處于“穩定期”內。腐蝕因素處于中風險等級是因為末端埋地鋼管采用的是環氧煤瀝青油布防腐，環氧煤瀝青隨著時間的推移會逐漸脆化，防腐效果降低，一旦滲入水分，反而會加速腐蝕。故腐蝕因素評價為中風險水平，需要燃氣運營企業對鋼管腐蝕情況保持關注，是比較科學、中肯的。

7 結論及展望

7.1 結論

通過以上評價，可以得出以下4點結論：

1）利用層次分析法及模糊綜合評價方法可以將定性評價轉化為定量評價，并輸出定量風險值，評價結果可以反映管道的真實風險水平。此外，對每一類風險因素進行單獨評價，可以明確風險的來源，故提出的降險措施更具針對性。因此，采用此方法對埋地管道進行風險評價在理論方面以及實用方面均是可行的。

2）對風險等級進行量化賦值，并在整體綜合風險評價時對量化賦值進行加權處理，可以充分利用每一類風險因素的評價數據，整體評價結果體現出各類風險因素的綜合作用，評價結果更能反映管道的真實風險水平。

3）準確辨識埋地管道的風險因素，是風險評價結果準確、客觀的前提，風險因素識別不準確會導致評價結果偏離實際。風險因素種類的界定并不是一成不變的，應根據管道的實際情況（使用年限、敷設環境等）對風險因素進行辨識，以能覆蓋所評價的管道的所有風險為準。

4）此評價方法的可塑性、可拓展性較強。應用時，可以根據實際情況適當增減風險因素以及風險因素的層級，風險因素辨識越完整、準確，劃分的風險層級越多，最終的評價結果越接近實際。

7.2 展望

1）綜合風險等級隸屬度的評價，依靠評價者的主觀判斷，對評價者的經驗以及專業技術水平要求較高，不同的評價者可能得出不同的結論。若是管道失效數據比較齊全，那么這個風險等級隸屬度就可以通過對大量失效數據進行統計分析得到，這樣就能使評價結果更加客觀。但是，目前尚缺乏此類數據，這是今后管道風險評價需要繼續研究的方向。

2）將風險評價技術與無損檢測技術相結合，建立材料-焊接-檢測-運行-維護等多個環節協同化的風險評價方法，形成基于安裝施工過程數據預判風險與無損檢測驗證技術相結合的聚乙烯管道安全保障方法[12]。

3）目前尚缺失埋地聚乙烯天然氣管道方面的風險因素辨識的方法、標準。準確地識別風險因素是進行風險評價的前提，現在的風險因素識別主要依賴于評價者的經驗，亟須一套系統的埋地管道風險識別方法，這也是今后需要繼續研究的一個方向。目前，風險辨識用得較多的是危險源理論以及灰色關聯度理論，目前已有學者開展了此項研究[13]。

4）失效可能性方面，現有的長輸油氣管道的失效可能性評估模型并不適用于埋地聚乙烯天然氣管道，目前針對埋地聚乙烯天然氣管道還沒有一個比較科學的失效可能性模型。筆者根據自己從業經驗提出，針對埋地聚乙烯天然氣管道的風險評價，可以弱化失效可能性，強化失效后果。這是因為城鎮埋地聚乙烯天然氣管道敷設的環境絕大多數為高后果區，對于運營企業來說，任何一次高后果事故都是難以承擔的。再者，偏保守的評價也有利于保障管道的安全運行。這個方向是否可行，還有待于進一步的驗證，也歡迎各位專家、同行提出寶貴的意見和建議。