城市地下燃气管网可靠性评价方法

技术领域

本发明公开一种城市地下燃气管网可靠性评价方法。

背景技术

地下市政管网由燃气管道、供热管道、给排水管道等组成，是城市的重要基础设施。它具有规模大、范围广、管线种类繁多、空间分布复杂等特点，而且承载着信息传输、能源输送、污水排放等，与人民生活息息相关。

燃气管线及其附属设施是市政管线的重要组成部分，是市政公用事业城市的重要的基础设施之一，是现代城镇的重要基础设施，与经济社会发展和人民生活息息相关。如何能对城市地下燃气管网可靠性进行评价是一个需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种城市地下燃气管网可靠性评价方法。

为达到上述目的，本发明的城市地下燃气管网可靠性评价方法，所述的方法包括：确定燃气泄漏可靠性影响因素；

所述的可靠性影响因素包括：外界干扰、管道腐蚀、管道缺陷、附属设备缺陷、泄漏记录；

对燃气泄漏的影响因素权重确定。

进一步的，所述的外界干扰：包括人员地面活动情况，地面建筑，施工干扰，埋深，公众教育，管线标识，巡线情况，气候、地理条件；

所述的管道腐蚀：包括土壤情况，防腐措施，运行年限，内腐蚀；

所述的管道缺陷：包括管线物理性质，设计、运行压力，施工、维护情况；

所述的附属设备缺陷：包括阀井、接口情况，其他附属设施情况，附属设施日常监测及维护。

进一步的，所述的人员地面活动情况，包括：由GIS系统中读取管线所在位置的最大人口密度，最大车流密度；

所述的地面建筑为由GIS系统中读取出评价管线段上方是否有建筑物覆盖；

所述的施工干扰为调研管线周边是否有施工项目。

进一步的，所述的腐蚀因素,是指据GIS系统中所有信息，获得土壤电阻率、含水量、pH值等数据，得到土壤腐蚀情况。

进一步的，对燃气泄漏影响因素权重的步骤为利用层次分析法确定各指标的权重系数。

进一步的，还包括对燃气扩散聚集评价的步骤。

进一步的，还包括对爆炸后效果评价的步骤。

本发明建立了一套简便有效的地下燃气管线可靠性评估方法，根据事故演化机理、扩散规律、爆炸危害，从燃气泄漏、燃气扩散、燃气与空气混合聚集、遇点火源点火、发生爆炸的后果严重度等方面分别进行分析评估。

附图说明

图1为燃气管道泄漏评价基本模型图。

图2气管线发生泄漏扩散至W点的范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的旨在建立一套简便有效的地下燃气管线可靠性评估方法，需要根据事故演化机理、扩散规律、爆炸危害，从燃气泄漏、燃气扩散、燃气与空气混合聚集、遇点火源点火、发生爆炸的后果严重度等方面分别进行分析，参考管道完整性评估的相关方法，对燃气管线周围可能产生爆炸的区域进行评估。

1、燃气泄漏

燃气管网相邻地下空间发生燃气爆炸是由于地下空间附近的燃气管线发生泄漏，导致燃气扩散到地下空间内，聚集到一定浓度点火发生爆炸。燃气泄漏评价主要是对燃气管线失效发生泄漏进行评价。

引起管道介质大量流失的原因是管道泄漏和管道破裂。大量管道事故分析报告的统计分析发现，导致管道泄漏的因素主要有内腐蚀、外腐蚀、施工损伤、焊接缺陷、接头缺陷和腐蚀等；导致管道破裂的因素主要是第三方破坏(指非管道员工的行为造成的管道意外损坏)、超压、焊接缺陷和腐蚀等。有时，单一因素即可引起管道事故，但更多的管道事故还是由多种因素联合作用的结果造成的。1991年加拿大能源保护委员会公布的管道事故原因统计报告显示，管道泄漏事故占总事故次数的83.5％，而管道破裂事故只有16..5％。加拿大NeoCorr工程有限公司针对管道事故因素做出统计如表2-1所示。

引起管道事故的因素中，除腐蚀、超压和第三方破坏三类因素是变化、发展的外，其余事故因素都是在管道建成后就已经存在的，并且一般没有太大的变化(管材中可扩展的裂纹除外)[8]。所以根据事故“浴盆”曲线所反映的规律，这些不变事故因素容易诱发投运初期的管道事故，而可变事故因素主要在管道使用的中、晚期诱发管道事故。

结合W.Kent Muhlbauer的指数评分法及事故统计数据，根据各种典型事故类型，将管道事故原因分为四大类。

1)第三方破坏。包括覆盖层最小深度、地面设施、活动程度、管道用地标志、巡线频率等。

2)腐蚀因素。包括大气腐蚀、管道内腐蚀、埋地金属腐蚀，其中埋地金属腐蚀又分为阴极保护、包覆层状况、土壤腐蚀、运行年限、杂散电流等。

3)误操作因素。包括设计误操作、施工误操作、运行误操作、维护误操作。

4)设计因素。包括管道安全系数、系统安全系数、疲劳、水压试验、水击危害等。

W.Kent Muhlbauer提出的风险评价模型评分法对长输油气管道有很强的针对性，然而城市燃气管道与长输管道存在很大差别，其评分法并不完全通用。首先，长输管道与城市管道最大的区别在于长输管道多处于人口稀少的郊区或田野，人际活动罕至，而城市燃气管道多位于人口密度较高的街道或马路附近，人口活动频繁，施工作业较多，因此外界对管道的干扰情况是大不相同的；其次，长输管道的管径和压力级制通常是单一、恒定的，而城市燃气管道则恰恰相反，会根据城市规划及沿途的用气变化而发生改变；第三，管道所处的土壤环境不同，由于城市燃气管道受到其他埋地设施及地下工程的干扰较多，其土壤环境及腐蚀状况要远比长输管道复杂得多。

2、燃气扩散

燃气泄漏实质上包括射流和膨胀两个过程。燃气的扩散受气体泄漏条件、重力及其浮升力、风速、风向、大气稳定度、大气湿度、地表温度等多种不可控因素的影响，一般分为高斯烟羽扩散模型、高斯烟团扩散模型、特殊气象条件下的大气扩散模型等。

当管道燃气泄放时间不小于扩散时间时，可以采用高斯烟羽扩散模型进行计算。当管道为瞬时泄漏时，可采用高斯烟团模型进行计算。除上述两种模型外，还有重气扩散模型，即气体的密度大于空气密度。该类气体泄漏时由于重力的作用下沉，这时，高斯模型不再适用。为解决这个问题，可以引入箱式模型。箱式模型分为泄漏后的重气扩散以及重气消失后的气体扩散阶段。大部分燃气泄漏风险研究在对燃气扩散的过程都默认为燃气会扩散进大气中，但在实际情况中，燃气从泄漏点发生泄漏，通过在土壤中扩散后，聚集在燃气管线相邻地下有限空间的情况不在少数。目前，国内外大量研究机构对易燃易爆气体在大气环境中泄漏扩散规律进行了理论研究和数值模拟，采用扩散速度、距泄漏点的距离、泄漏时间等参数来表征泄漏气体的浓度分布。然而，对易燃易爆气体在土壤中扩散过程进行系统研究的很少。

谢昱姝等采用全尺度气体泄漏实验系统，模拟真实埋地管道泄漏场景，对泄漏后的天然气在土壤中扩散对流过程进行了实验研究。结果表明，埋地管道泄漏后天然气在土壤中的对流扩散过程可以分为4个阶段，孕育阶段、陡然增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段，其浓度随泄漏时间的变化过程符合S型曲线特征。天然气扩散至检测点所需时间与距泄漏口距离呈现近似的幂指数关系。当检测点位于泄漏口附近区域时，泄漏压力起主导作用。当检测点位于远离泄漏口区域时，泄漏量起主导作用。

3、燃气聚集

泄漏燃气一部分扩散至地表，由于风速等影响，在无限制空间中浓度降至爆炸下限以下，此时泄漏燃气不会发生爆炸事故；另一部分通过土壤扩散或沿埋地管道扩散，至燃气管线相邻的地下空间，产生聚集。此时若地下空间与其他空间连通，则燃气会沿连通渠道继续扩散，但地下空间相互连通渠道多数为细窄通道，燃气在空间内会有一定积累；若地下空间为密闭空间，则泄漏燃气聚集于此。即无论燃气管线相邻地下空间是否与其他空间连通，泄漏燃气都会产生聚集，浓度升高。

4、爆炸后果

在城市的人员密集区，地面活动水平较高，相应的给燃气管线带来破坏的可能性较高；人员活动也会导致点火源产生的可能性增高，故更容易发生燃气爆炸事故。一旦在人员密集区发生燃烧爆炸，会造成大量人员伤亡和财产损失，影响范围较大，不但影响生产、输送、使用场所，周围的一定区域都会受到事故影响。

燃气管线相邻地下空间爆炸的后果主要从社会安全、承受损失的角度来考虑。考虑的重点是人口密度、周围建筑物及管线所在区域的重要性等因素。爆炸后果的毁伤性主要体现在冲击波伤害、热辐射伤害、破片伤害等。当热辐射强度达到一定程度时，处于热辐射环境下的物体会发生燃烧或产生变形，造成人员伤亡、财产损失。热辐射对人员造成的伤害程度或对物体的损坏情况与人员或物体受到的热辐射的多少有关，其主要评价指标有热通量与热剂量。热辐射主要用于火灾的后果评估，在燃气爆炸事故中，其热通量和热剂量较难进行准确计算。在大多数情况下，爆炸事故产生的破片大小及其散射的方向是随机的，较难进行评估。而燃气发生爆炸产生的主要影响就是冲击波超压，超压的大小决定了其会对建筑物以及室内人员造成伤害的程度。故在本文中对燃气爆炸后果的评价主要考虑其冲击波作用。

目前，发生爆炸以后，对于产生的冲击波超压的计算方法主要有TNT当量法、TNO多能法等，但是应用最为广泛的是TNT当量法。

TNT当量W

式中，W

在计算TNT当量的时候，是将实际物理模型等效成一个球体，以冲击波的形式一层一层向外进行传播。而实际情况中发生爆炸的场所一般是不规则的，并不是一个球体，TNT当量法在计算的过程中，为了简化计算，引入等效距离的概念，即将距离爆炸中心不同位置处等效成一个球，然后需要对球心，也就是爆炸中心进行选择。

爆炸发生以后对不同区域会产生不同的破坏作用，根据前面算出的TNT当量以及冲击波超压可以对爆炸区域的危险程度进行评估，在计算死亡区半径时使用爆炸超压—冲量准则；在估计重伤区和轻伤区半径时，使用超压准则。

1)死亡区半径：死亡区内径为零，外径记为R

2)重伤区半径：重伤区的内径为死亡区的外径，其外径记为

ΔP＝0.137Z

式中，

3)轻伤区半径：轻伤区内径为重伤区的外径，其外径为

爆炸对建筑物的影响主要是冲击波超压对建筑物的损坏。除对地面上的人和建筑物的影响外，爆炸产生的冲击波在土壤中传播，会对爆炸空间周围其他各类埋地管线产生影响。

我国现代城市规划起步较晚，早先的规划存在诸多不合理，使得后期的各类市政管道敷设空间受到限制，特种管道不能实现预先设计的安全距离，如煤气、天然气、石油等能源管道大量采用近平行距并行输送，伴随着城镇化建设的推进，管道间的埋设距离也越来越小，管道所处的环境也越来越复杂，所以管线受到第三方载荷作用的可能性也就越来越大，而相邻管线的爆炸对于管线安全性能的影响尤为突出。若各管道之间的距离较近，则相互影响较大，当一条油气管道发生泄漏致气云爆炸时，会对附近其他油气管道造成冲击破坏，导致并行油气管道出现接连爆炸等次生灾害。各类爆炸所产生的冲击超压会对爆炸发生附近的埋地管道产生严重的影响，会削弱管道的刚度和强度，导致管道动态失稳，结构破坏，进而发生更为严重的次生灾害。

土中爆炸冲击波的传播及其与埋地结构相互作用问题的研究，通常采用的方法有解析方法和数值模拟方法。Kouretzis等在忽略土体与结构内部准静态载荷作用并认为埋地管线为3维薄壁弹性柱状壳体的前提下，曾用解析方法推导了弹性介质在地表爆炸载荷作用下管线中应力应变分布函数表达式。国外相关专家也做过一些实测，结果与解析解吻合较好。国内在这些方面的研究尚处于起步阶段，都的箭和王飞采用实验方法研究了爆炸冲击波对埋地管线的影响，得出炸药量与爆心距是管道损伤的关键因素。

另外，爆炸所处位置的重要性也极大影响了爆炸的后果，即爆炸产生的社会影响。在学校、医院、政府部门等附近发生爆炸会带来更大的恐慌，而在加油站、仓库、超市等附近发生爆炸将会带来更大的经济损失。

地下管网可靠性

1、燃气泄漏评价

管线的风险评价与其他设备装置的风险评价不同，这是因为管线线路上的运行条件的多样性，造成了整条管线各段的风险程度各异。因此，需制定出一种指标把管线划分为管段，以便能准确的描述整条管线的风险等级。分段越细，评估越精确，但成本也随之增加。分段数过少，虽然减少了数据采集成本，但同时也降低了评价结果的精确度了。所以评价者在进行管线分段时，要综合考虑评价结果的精确度与数据采集的成本。管线的分段主要是根据管线的运行环境的人口密度、土壤条件、防腐层状况、管道的使用年限来进行划分。即沿管道走向最重要的变化是人口密度，其次是土壤状况、防腐层状况和管道使用年限。当根据以上条件进行管道分段时，分的段数太多时，评估者可以用减少分段条件的办法，进行反复分段，直到得到满意的分段数为止。即在进行管线分段时，在考虑到管道运行环境的同时也应考虑到管线的评价费用，这两个条件要协调考虑。

通过对气管线泄漏危险源辨识和分析，得到以下结果：

1)第三方破坏：线路情况，地面活动水平，地面设施，自然灾害，巡线；

2)腐蚀因素：内腐蚀，外腐蚀，应力腐蚀；

3)误操作：设计误操作，施工误操作，运营误操作，维护误操作；

4)设计缺陷：管道安全性因素，疲劳因素，系统水压实验。

在这四类泄漏影响因素中，有些因素对管线泄漏的影响程度较小，，且难以从GIS系统中获取。为保证评价模型可以应用于实际工程问题，要求泄漏评价涉及的各项因子都可以从GIS系统中直接获取，才能更好的保证评价模型的实用性、便捷性和科学性。针对城市燃气管网，对燃气管线泄漏影响因素进行调整，结果如下：

1)外界干扰：包括人员地面活动情况，地面建筑，施工干扰，埋深，公众教育，管线标识，巡线情况，气候、地理条件；

2)管道腐蚀：包括土壤情况，防腐措施，运行年限，内腐蚀；

3)管道缺陷：包括管线物理性质，设计、运行压力，施工、维护情况；

4)附属设备缺陷：包括阀井、接口情况，其他附属设施情况，附属设施日常监测及维护。

基本模型考虑了四大指数和泄漏记录，能够对于燃气管道做出一个基本的评估，具体如图1示。

评估模型用4个因子来对可能增加或降低管道失效风险的所有因素的可能性和重要性进行评价，然后通过泄漏影响系数来调整因素之和。

泄漏记录是燃气泄漏评价必须要考虑到的一项指标。根据以往事故经验，发生过泄漏的燃气管线位置更容易发生第二次泄漏，是因为会发生泄漏表示该位置管道较为薄弱，容易发生管道失效。另外，在对4相影响因素的评分中存在着一定程度的不确定性，引入泄漏记录调整可以在一定程度上对泄漏评价进行弥补。泄漏记录即为对某管线泄漏次数的记录，泄漏次数越多，应该引起的关注度就应该越高。只有将该属性引入燃气管道可靠性评估模型，才能使得预测的情况更加接近真实值。

(1)外界干扰因素

1)人员地面活动情况P

P

2)地面建筑P

3)施工干扰P

(2)腐蚀因素

1)土壤情况P

当燃气管线所处位置土壤性质的不同因子分处不同腐蚀等级时，按照腐蚀等级较高一项进行评价。例如，土壤含水率为5％，pH值为6.0，则土壤腐蚀等级为“中”级。

表1土壤腐蚀性评价指标及分级标准

表2中所列各项因子主要影响埋地钢管的腐蚀情况，针对绝缘管材、PE管等，土壤腐蚀等级为“低”级。

根据GIS系统中所有信息，获得土壤电阻率、含水量、pH值等数据，，得到土壤腐蚀情况P

2)防腐措施P

(3)管道缺陷

1)管线物理性质P

2)设计、运行压力P

3)施工、维护情况P

4、燃气泄漏影响因素权重确定

利用层次分析法确定各指标的权重系数。比较各指标的相互关系，，构建判断矩阵。

1)燃气泄漏评价外界干扰因素P_11指标权重

燃气泄漏评价外界干扰因素的8个指标的判断矩阵X_1，即

经过整个指标体系的计算并检验其一致性，各因子对燃气泄漏评价外界干扰因素的权重结果如表2所示。

表2燃气泄漏评价外界干扰因素指标权重

P

0.21P

2)燃气泄漏评价腐蚀因素P

燃气泄漏评价腐蚀因素的4个指标的判断矩阵X

经过整个指标体系的计算并检验其一致性，各因子对燃气泄漏评价腐蚀因素的权重结果如表3所示。

表3燃气泄漏评价腐蚀因素指标权重

P

3)燃气泄漏评价管道缺陷P

燃气泄漏评价管道缺陷的3个指标的判断矩阵X

经过整个指标体系的计算并检验其一致性，各因子对燃气泄漏评价管道缺陷的权重结果如表4所示。

表4燃气泄漏评价管道缺陷指标权重

P

4)燃气泄漏评价附属设施缺陷P

燃气泄漏评价附属设施缺陷的3个指标的判断矩阵X

经过整个指标体系的计算并检验其一致性，各因子对燃气泄漏评价附属设施缺陷的权重结果如表5所示。

表5燃气泄漏评价附属设施缺陷指标权重

P

5)燃气泄漏评价各项指标权重

燃气发生泄漏可能性的4个指标的判断矩阵X

经过整个指标体系的计算并检验其一致性，各因子对燃气发生泄漏可能性的权重结果如表6所示。

表6燃气泄漏可能性评价指标体系权重

4、燃气扩散聚集评价

埋地燃气管线泄漏以后，可燃气体一方面可以通过土壤扩散至邻近地下空间或地表，另一方扩散至邻近市政管线内(如污水管线、电缆沟)，并沿管线扩散，前者扩散范围受到泄漏点周围环境影响明显，且是扩散的主要方式，故为国内外研究的重点。

燃气泄漏扩散范围主要受到扩散时间、泄漏量、泄漏压力、土壤成分、含水率、土壤表层覆盖物、天气等因素影响。

此外土壤密实度、管线埋深、泄漏口尺寸、泄漏口朝向等因素都会对扩散范围有影响。

在以上影响因素中，对于选定的一段管线，土壤成分是定量，但是含水率受到降雨的影响在一年的时间范围内是不可预测的变量；管线压力是定量，但是泄漏量是不可预测的变量；土壤表层覆盖物是定量；温度在一年内可看成是有规律变化的量；在未检测到之前可认为是没有发生泄漏，因此泄漏时间是未知量。由于扩散距离的影响因素中存在众多可以测或不可预测的变量，因此可以将一年内可能出现的扩散距离作为一个概率函数，在此基础上得到测点距泄漏点的距离d与能否监测到泄漏之间存在的概率函数P。

以混凝土路面为例，测点距泄漏点的距离d与能否监测到泄漏之间的概率函数P，参考德国水和燃气协会(DVGW)研究成果，R

燃气管线上任一点发生泄漏都有可能扩散至管线相邻地下空间。对于管线旁任意一指定空间，由于燃气扩散的半径是一定的，可能泄漏扩散至此空间的管线长度是一定的。如图2示，对于某一地下空间W，发生泄漏后可能扩散至W

的管线为L

则以可能泄漏扩散至某一空间的燃气管线长度L

燃气管线相邻地下空间体积尺寸各不相同，不能看作质点进行处理。故可能泄漏扩散至W的燃气管线长度为L

对于圆形空间

对于方形空间

则泄漏燃气扩散到相邻地下空间的概率等级P

除燃气泄漏扩散至管网相邻地下空间外，还需考虑空间内已有燃气存在的情况，对燃气扩散到空间内并聚集的概率等级进行修正。根据对燃气管线的普查结果，获取空间内可燃气体浓度c，约定空间内可燃气体的相对等级

/>

4、爆炸后效果评价

以相邻地下空间内燃气发生爆炸产生的最严重后果作为后果评价的结果，即相邻地下空间内充满可燃气体，且可燃气体浓度刚好处于爆炸后TNT当量达到最大值的浓度。一方面确保爆炸危险性评价的可靠性，另一方面燃气爆炸的TNT当量需要考虑燃气的泄漏量，而燃气的泄漏量在实际工程应用中难以获取确切值，故以管线相邻地下空间内特定浓度的燃气的量作为发生爆炸时的泄漏量进行计算。

计算燃气爆炸的TNT当量，假设有一定比例的泄漏气体参与了爆炸，即

式中，W

对于A的取值，由气云爆炸事故的统计资料得，其取值范围在0.02％～15.9％。其中50％的气云爆炸事故中A<3％；60％的事故中，A<4％；97％的事故中A<10％。。根据危害最大化原则，取A＝0.10。

通过对燃气管网相邻地下空间的物理数据采集，即圆形空间的半径与深度r、h，长方形空间的长宽深a、b、h，可以得到空间的体积V，即

对于燃气中的爆炸气体，其主要组分为甲烷，由甲烷与氧气反应的化学式得到，甲烷与氧气的体积比为1:2，即甲烷与空气的体积比大约为21:200时反应最为充分，爆炸最为剧烈。此时甲烷的体积浓度约为9.5％。则

即可求得燃气爆炸的TNT当量。

燃气管网相邻地下空间的爆炸危险性是燃气发生爆炸的可能性与爆炸后果严重程度的共同结果。燃气发生爆炸的可能性由燃气泄漏可能性、燃气扩散可能性、燃气聚集可能性与发生点火可能性共同作用，由上述讨论结果可知地下燃气管网及相邻地下空间可靠性评估模型为R＝P

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。