基于监测数据的埋地燃气管道动态风险评估

徐 立，杨 阳，朱丽榕

（1.合肥泽众城市智能科技有限公司，合肥 230601；2.清华大学合肥公共安全研究院，合肥 230601；3.合肥市城市生命线工程安全运行监测中心，合肥 230061）

燃气是当今社会不可或缺的重要能源，而大量燃气管线作为输送燃气的主要载体，是国家民生基础设施的关键组成[1]。近年来，随着我国燃气管线里程及部分管网管龄的增加，燃气管线事故时有发生，由于燃气自身的特性，泄漏后将发生严重的爆炸事故，产生极大的危害，造成恶劣的社会影响[2]。因此，燃气管道的风险评估一直是众多研究者的关注热点。

多年来，专家学者的研究多集中于管道的静态风险，围绕燃气管道发生事故的失效可能性和后果严重性2 个方面给出评价方法，而未考虑管道运行中的动态因素。近年来，许多研究学者已意识到这一问题，在风险评估中增加考虑动态因素，建立管道动态风险评估方法。刘克会等[3]将燃气管道进行分段风险评估，并在此基础上增加时间维度，用理想矩阵法进行燃气管道运行的动态风险评价，提升了整个管道风险评价的准确性。焦建瑛[4]从管道后果严重性出发，主要考虑经济、人口、社会和政治等动态因素，将评价区域网格化，实现网格化动态后果评估。而王文和等[5]从事故失效可能性出发，对失效可能性中的失效事件进行概率更新，使之随时间实时动态改变，实现管网的动态风险分析。史运涛等[6]建立社区燃气系统知识图谱，分析燃气系统中的动态影响关系，利用人工神经网络图，建立了燃气系统动态风险评估方法。这些动态风险评估方法，极大地提高了燃气管线的风险管控水平。

另外，对于燃气管道事故的预防，部分管道管理单位采用在燃气管道安装数据监测传感器，通过实时监测安装点可燃气体浓度等数据，保证管道的正常运行。如合肥，在燃气管网相邻地下空间内安装可燃气体监测仪，通过监测管道相邻地下空间的可燃气体浓度，准确判断出燃气管道是否泄露，对城市的管网安全起到至关重要的作用。如冬奥会用燃气管道，基于分布式阴极保护。多频谱瞬态弹性波和场指纹腐蚀泄漏监测、光纤泄漏检测技术，分析泄漏信号特征参数，进行管道漏泄的判断。本文以冬奥会用燃气管道为例，结合冬奥用燃气管道的泄漏信号监测数据，建立燃气管道动态风险评估模型。

1 燃气管道动态风险评估模型

燃气管道动态风险评估指标分为2 类指标，分别是静态指标和动态指标，如图1所示。静态指标包括管道的失效可能性与后果严重性判断指标，用以计算燃气管道的静态风险。动态指标即监测数据，冬奥会用燃气管道的监测数据为通过光纤泄漏传感器监测的温度、通过腐蚀传感器测得的FC 值、通过声发射泄漏传感器测得泄漏量、阴极保护传感器测得阴极电位。将静态指标和动态指标结合，得出燃气管道的动态风险。

图1 燃气管道动态风险评估指标

2 燃气管道静态风险计算模型

本文燃气管道静态风险计算模型以判断管道失效可能性与失效后果严重性等级，并进行静态风险等级划分为理论依据建立的。

2.1 失效可能性评价方法

对于燃气管道，通过大量的燃气管网事故统计分析，主要考虑管网设备自身因素、运行环境影响因素和运行管理因素等信息，即

F=F设备自身+F运行环境+F运行管理。

燃气管道设备自身因素主要包括管道的使用年限、管道防腐系统的情况、管道设计施工制造的质量及管道阀门的锈蚀程度。

燃气管道都是深埋于地下，其周围环境也是影响其安全运行的主要因素，其中影响最大的两方面包括外部腐蚀及第三方破坏。

有效的管道管理可以降低管道安全风险系数，减少管道事故危害，主要从管道维护保养、规范操作规程和员工培训等方面入手。

燃气管道失效可能性评分细则见表1，评分标准设置为0～5 分，分数越小，说明管道运行越安全，发生事故的可能性越小。

表1 燃气管道失效可能性评分细则

表1 燃气管道失效可能性评分细则（续）

在各级指标中，按照评分标准对各级指标由专家进行打分，由F=F设备自身+F运行环境+F运行管理计算得到埋地燃气管道的失效可能性得分，由表2的等级划分得到管道的失效可能性等级。

表2 埋地燃气管线失效可能性等级划分

2.2 后果严重性评价方法

对于埋地燃气管道，其失效后果严重性主要考虑

C=C影响范围+C抢修时间，

式中：C影响范围为燃气管道失效影响范围，C抢修时间为设备抢修时间，具体评分方法见表3，分级方法见表4。

表3 埋地燃气管道失效后果严重性评分

表4 埋地燃气管道失效后果严重性等级划分

2.3 静态风险评价方法

根据燃气管道基础风险的失效可能性等级和后果严重性等级，按照风险矩阵进行风险等级划分，划分为极高风险、高风险、中风险和低风险4 个等级，分别用红、橙、黄、绿4 种颜色表示，具体见图2和表5。

表5 埋地燃气管道风险等级划分标准

图2 埋地燃气管道风险矩阵图

3 构建结合监测变量的燃气管道动态风险评估方法

3.1 构建判断矩阵并确定指标权重

冬奥会用燃气管道监测的动态指标为通过光纤泄漏传感器监测的温度、通过腐蚀传感器测得的FC值、通过声发射泄漏传感器测得泄漏量、阴极保护传感器测得阴极电位，则燃气管道动态风险R={静态风险，泄漏量，温度，电位，FC 值}，其中静态风险是静态指标，通过上节方法获取风险等级，泄漏量，温度，电位，FC 值是实时监测的动态指标，通过实际监测值获取。

对基础风险、泄漏量、温度、电位和FC 值采用定量的形式，通过判断矩阵确定各指标的相对重要性，本文以表6中的1—9 标度法对指标进行两两比较。

表6 重要性标度含义表

通过专家打法分和实践调查法评估指标相对重要性，构造其静态风险，泄漏量，温度，电位，FC 值判断矩阵，见表7。

表7 埋地燃气管道不同风险指标判断条件对应的风险等级关系

用Matlab 软件计算得到判断矩阵最大特征值λmax=5.133 5，归一化后的特征向量A=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]T。因此风险指标基础风险、泄漏量、温度、电位、FC 值对应的权重值分别为0.0304、0.3608、0.267 6、0.197 2、0.144。

3.2 确定风险指标的风险等级

通过现场调研并结合本文静态风险的风险等级划分结果，构建基础风险、泄漏量（L/min）、温度（℃）、电位（V）、FC 值的风险等级判断表，具体见表8。

3.3 风险得分计算

最终埋地燃气管道动态风险评估的最终风险得分为R=AT×B×VT，式中：A 为判断矩阵的归一化特征向量，反映了各风险指标的权重值，AT=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]。

B 为风险指标的隶属度矩阵，以表8为判断依据得到。如根据打分，判断管道静态风险等级为中，实际监测的泄露数据为0 L/min，温度为18 ℃，电位为-0.95 V，FC 值为100，则隶属度矩阵B 为

表8 埋地燃气管道运行风险各指标判断矩阵

V 为评价准则集V=[0，20，35，100]，划分依据为保证任一实时监测指标报警状态和风险评估最高等级保持同步；调取已投入运行的燃气管道监测系统的历史数据对计算标尺进行检验，以保证划分的科学合理。

3.4 动态风险等级划分

计算出风险得分R 后，依据埋地燃气管道运行风险等级划分，见表9，判断出燃气管道的具体风险程度。

表9 埋地燃气管道运行风险等级划分

4 结束语

本文针对已采取监测传感器实时监测管道泄露等指标的燃气管线，以冬奥用燃气管道为例，将燃气管道的静态指标与实时监测的动态数据指标相结合，建立判断矩阵，确定指标权重，给出了燃气管道的动态风险评估模型，能够正确反映管道运行风险的动态变化过程。