城市燃气输配管网可靠性的多视角分析

李 军，玉建军，严铭卿，马洪敬，秦朝葵，程国梁

(1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074；3.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804；4.天津泰达滨海清洁能源集团有限公司，天津 300308)

1 概述

可靠性指产品正常工作的能力，是衡量产品质量的一个指标。GB 50153—2008《工程结构可靠性设计统一标准》(以下简称GB 50153—2008)第2.1.22条将可靠性定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力”。这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。随着各种工业系统复杂程度的增加，可靠性理论作为一门系统工程科学，几乎在包括管网系统之内的所有工业系统中得到广泛应用。

城市燃气输配管网的主要功能是向用户安全输配足够压力和流量的燃气，其作为一种在局部管道失效下仍具有部分供气能力的可修复系统，需要研究可靠性问题[1]。本文以城市燃气输配管网为研究对象，以可靠性为研究问题的切入点，分析燃气管道结构可靠性、管网连通可靠性、管网水力工况、管网供气可靠性等相关问题的区别与联系。

2 燃气管道结构可靠性

燃气管道本身的安全是管网供气功能正常发挥的前提和保障。燃气管道结构可靠性分析即是研究管道在各种荷载作用下的安全性问题。

以城市燃气输配管道常用管材钢管为例，其管道结构设计是在水力计算确定管径的基础上，采用安全系数法计算钢管壁厚，并根据需要进行稳定性校核[1]。安全系数法也称许用应力法[2]，其基本思想是：结构在承受外部载荷后，由计算得到的应力应小于该结构材料的许用应力。该方法将各设计变量假定为确定的量，并用安全系数来保证设计的安全裕量，安全系数是在大量设计实践及工程经验的基础上总结得出的，它反映了一定的统计特性，对不同的结构，安全系数的取值也不同。

然而，从可靠性角度分析，“荷载效应”的持久与叠加耦合作用和“结构抗力”的蠕变是导致管道失效的直接原因。管道的材料性能、内外部荷载、计算应力和实际抵抗能力等都不可避免地受到各种因素的影响，具有不确定性。如果在设计中考虑这些不确定因素的影响，就需要引进可靠性设计方法，又称为概率设计方法。这种设计方法认为，作用于结构上的真实外部荷载及结构的实际抵抗能力，都是概率意义上的量，服从一定的分布，设计时不可能精确地确定它们[2-3]。以此为出发点进行管道结构设计，能够更好地符合客观实际，也能够根据结构可靠性要求，把管道失效风险控制在一个可接受的水平。

管道的结构可靠性分析或设计一般包括以下过程[2-3]：

① 根据结构的特点，确定影响结构可靠性的随机变量；

② 根据结构的荷载情况，确定结构所有可能的失效模式；

③ 根据实际情况确定各随机变量的统计特性，例如均值、均方差及分布类型等；

④ 基于结构可靠性理论，计算结构的可靠度(或失效概率)；

⑤ 分析各随机变量对结构失效的影响，确定各变量的灵敏性；

⑥ 确定结构的目标可靠度。

目前，管道本身的结构可靠性研究集中在长输油气管道方面，其方法大都基于应力-干涉理论，建立管道工作压力与爆破压力之间关系的极限状态方程，分析其失效概率、剩余强度和寿命等[4-5]，而城市燃气输配管道主要采用肯特法、故障树法、模糊综合评价法等主观方法对其进行安全可靠性评价[6-7]。本文笔者曾借鉴长输油气管道的结构可靠性方法建立极限状态方程，初步分析了腐蚀作用下的城市埋地燃气输配管道失效概率，但所用文献数据的可靠性和所建模型的合理性还有待深入探讨[8]。

3 燃气管网连通可靠性

城市燃气输配管网主要由连接气源点和各用气节点间的大量燃气管道构成。管网供气功能的发挥不仅与组成管网的各管道结构可靠性相关，而且与各管道之间的联系方式密切相关，这种联系主要表现为管网的拓扑结构特征。

作为生命线工程的重要组成部分，城市燃气输配管网常设计成环状，使得气源和各用气节点之间能够构建多条通路，以便当其中一条通路因某根管道失效而破坏时，仍然有可备用的通路正常工作，保证气源和用户之间的连通。

结合GB 50153—2008及系统可靠性相关理论，可将燃气管网的连通可靠性定义为管网在规定时间和规定的条件下，气源与各燃气用户之间保持连通的概率。显然，这种连通的概率取决于组成系统的各管道单元自身的结构可靠性和管道与管道相互之间的拓扑关系，故部分文献也将连通可靠性称之为管网的系统结构可靠性或机械可靠性[2，9]。根据视角的不同，燃气管网连通可靠性可以分为用气节点连通可靠性和管网系统连通可靠性两个方面。用气节点连通可靠性是从燃气用户的角度出发，分析某一特定用户(用气节点)与气源点之间是否连通从而获得来自气源点的燃气，也即研究指定用气节点与气源点连通的概率；管网系统连通可靠度是从燃气气源和整个管网的角度出发，研究气源点与所有用气节点连通的概率。本文作者曾基于图论等相关知识，在借鉴当今通信信息网络、高压输电网络、区域交通网络、城市供水管网等大型网络系统可靠性研究成果的基础上，对城市燃气输配管网的连通可靠性进行了初步的尝试性研究，定量分析了环状管网的拓扑结构对管网运行的影响,并利用管道的连通重要度来定量评价不同位置的管道对管网连通可靠度的贡献[9]。

4 燃气管网水力工况

燃气管网水力工况主要分析管网各用气节点压力、流量的整体工作状况是否满足设计供气要求，特别是在个别管道失效的情况下，管网系统还能在多大程度上满足各类用户的用气需求，部分文献也称为管网水力可靠性分析[10]。

同连通可靠性类似，根据视角的不同，燃气管网水力工况也可以从指定用气节点水力工况和管网整体水力工况两个角度进行分析。用气节点水力工况分析是从燃气用户的角度出发，分析某一特定用户(用气节点)的流量、压力的工作状况；管网整体水力工况分析是将管网作为一个整体来研究管网系统的流量、压力的工作状况。本文作者曾从以上两个角度提出了改善燃气管网水力工况的措施，但其科学性和实用性尚需进一步探讨[11]。同时，结合GB 50153—2008及系统可靠性相关理论，可否将“水力工况分析”称之为“水力可靠性分析”也有待商榷。

需要说明的是，燃气管网连通可靠性和水力工况分析是两类各有侧重的流体网络分析方法，水力工况分析是从各个节点获得的用气量这一角度考察问题，其是在已知管网拓扑结构、管道属性、管网各节点期望用气量(设计用气量)、气源供气压力等参数条件下，计算管网中各管道及各用气节点的实际流量、压力的过程，也是评价管网服务水平与工作性能的基础。而对燃气管网进行连通可靠性分析，如前所述，其目的在于考察各用气节点与气源点的连通概率，某一用气节点流量为零的概率尽管在形式上可以被认为是此点与气源点不连通的概率，但两者的意义并不相等，因此，连通可靠性不代表节点能够获得期望流量和压力的能力。同样，水力工况分析也不能简单地退化为管网的连通可靠性。

5 燃气管网供气可靠性

如前分析，燃气管网连通可靠性和水力工况都只是从某一侧面反映了管网系统的工作状况，两者之间虽然有内在的联系，但技术路线与成果彼此独立，不能利用任一者对管网的整体功能进行综合评价。为此，有必要在充分考虑管道结构可靠性和管网水力工况的基础上，采用一个综合的评价标准——供气可靠性，对整个管网的供气能力进行综合评价。

结合GB 50153—2008及系统可靠性相关理论，可将城市燃气输配管网的供气可靠性定义为：在按设计条件使用的情况下，在一定的服役年限内，将满足所有用户需求压力和流量的燃气安全可靠地送往用户的能力。对城市燃气输配管网的供气可靠性进行评价[12]，目的在于对已设计或建造的燃气管网，从组成管网的管道单元和拓扑结构出发，在考虑水力条件的影响下，由各单元的结构可靠概率计算出管网的故障或完好状态的概率，从而得出对管网工作能力可靠程度的评价。

需要特别指出的是，燃气管网的供气可靠性是一种评价指标而非性能参数，也不同于水力工况分析中的管网故障时供气量的维持分数，而是一种概率意义上的对管网整体供气能力的综合评价[1]。根据这种评价结果，可以从管道结构和水力工况两个方面来引导改善设计或改进已建成系统。

6 结论

城市燃气输配管网是一种在局部管道失效下仍具有部分供气能力的可修复系统，故需要研究其可靠性问题。根据研究角度的不同，可分为结构可靠性、连通可靠性，水力工况及供气可靠性几个方面。不同角度的可靠性分析是遵循了不同的途径进行的，应视不同类型的生命线工程系统与研究目的而有所侧重。

管道结构可靠性及管网系统结构可靠性(连通可靠性)仅从机械角度对管网系统及组成单元进行分析，侧重考察组成管网的各部分及管网系统在一定条件下具有结构完整性的概率，而未考虑水力工况的影响。

管网水力工况分析是从流体力学角度分析管网各用气节点压力、流量的整体工作状况是否满足设计供气要求，其侧重点是在个别管道发生失效的情况下还能多大程度上可以满足各类用户的用气需求。其前提假定是，局部管道失效对管网供气量的影响，而实际上，任一管道的失效都是一个随机概率事件，即水力工况分析也未考虑结构失效概率的影响。

管网供气可靠性是在考虑结构可靠性和水力工况的基础上采用的一个综合评价标准，也是一种概率意义上的对管网整体供气能力的综合评价。根据这种评价结果，可以从管道结构和水力工况两个方面来引导改善设计或改进已建成系统，进而更好地促进管网供气功能的发挥。