基于模糊综合评价的城镇埋地聚乙烯天然气管道风险评价

李建锋 钱存华

（1.芜湖市特种设备监督检验中心 芜湖 241004）

（2.南京工业大学 南京 210000）

1 前言

近年来，聚乙烯管以其优良的性能在城镇燃气管网建设中得到广泛应用。与钢管相比，聚乙烯管具有使用寿命长、抗腐蚀、造价低、维修简便等优点，因此，聚乙烯管材广泛应用于中压城镇燃气输送工程中。燃气管道作为城市的能源“大动脉”连接着千家万户，在为人们提供便利的同时，也潜藏着风险，由燃气使用而导致的事故屡屡发生。中国城市燃气协会安全管理委员会发布的《全国燃气事故分析报告》统计，2017—2020年全国媒体报道的燃气事故数量分别为925起、813起、721起和615起。仅2021年上半年，共计发生天然气事故191起，其中管网事故146起，死亡38人，受伤201人[1]。

城镇燃气输送管道大多敷设在高后果地区，其一旦发生事故将造成严重后果，因此将燃气管道运行过程中的风险进行量化并加以控制势在必行，国内外多名专家学者对此类分析方法进行了研究。美国从20世纪70年代开始油气管道风险评价技术的研究与应用工作，至20世纪90年代初期，率先将风险评价技术引入压力管道安全管理领域，用来评估油气输送管道的运行风险，进而指导油气输送管道的维护与保养。Brian J G和Aamir K为了给管道设施风险管理决策提供数据支撑，对美国纽约州南部的油气管道设施风险进行研究，通过对2012—2016年管道失效事故数据进行分析，将失效后果分为5个等级，即轻微、中度、严重、重大、灾难性，并对失效后果概率进行统计分析，构造了风险矩阵[2]。缪春生等人通过对大量城市埋地燃气管道失效案例进行统计分析，将导致埋地管道失效的原因分为4个方面，即第三方破坏、腐蚀侵蚀破坏、设计、施工失误和误操作。并利用模糊综合评价法分别对失效可能性和失效后果进行评价，建立了在用城镇埋地燃气管道风险矩阵[3]。

2 燃气用聚乙烯管失效模式

燃气用聚乙烯管，是指材质为聚乙烯的燃气管，又称PE管，在埋地状态（聚乙烯燃气管道严禁明设[4]）下使用，主要用于城镇天然气的输送。按照生产聚乙烯管所用的树脂材料在进行聚合反应时因压力、温度等条件不同，可得到不同密度的树脂来进行分类，分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯3种。国际上把聚乙烯管按照其制造材料的密度等级分为PE32、PE40、PE63、PE80、PE100五个等级，我国燃气用聚乙烯管主要采用的材料等级为PE80和PE100。

燃气用聚乙烯管主要有以下几种失效模式：韧性失效、脆性失效、焊接接头失效、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（例如白蚁）也会对管材造成破坏，导致管道失效[7]。

在不同的内压载荷和温度作用下，聚乙烯管的环向应力-失效模式如图1所示，纵坐标与横坐标围成的区域内的任一点代表聚乙烯管的使用状态，只要聚乙烯管的使用状态的点落在安全使用区域内，在不考虑其他因素的情况下，可以认为聚乙烯管可以安全使用，若是落在安全使用区域外，则可能发生失效。图1中σ1、σ2、σr数值由模拟试验确定。

图1 聚乙烯管与应力-时间有关的失效模式

1）韧性失效，由图1可以看出当聚乙烯管的环向应力＞σ1时，首先发生的是由蠕变引起的韧性破坏失效。聚乙烯管的韧性破坏特征：首先，管材沿周向隆起（鼓包），隆起部分管材的壁厚不断减薄，同时轴向和环向的应力状态重新分配，在隆起部分形成应力集中，最终在隆起顶部发生破裂。

2）脆性失效，当环向应力在σ1和σ2之间时，随着使用时间的增加，聚乙烯管将发生由慢速裂纹扩展引起的脆性破坏。聚乙烯管慢速裂纹扩展破坏的机理：聚乙烯管在较低应力长期作用下，材料晶片间的细带大分子发生解缠，宏观上表现为裂纹的扩展、扩大而管材本身无明显变形，最终引起脆性破坏。

3）老化失效，当环向应力＜σ2时，将不会导致上述2种失效模式，这时候聚乙烯管失效的主导因素是使用时间，发生破坏的根本原因是使用时间过长，引起管材老化而导致失效。模拟实验表明，此时聚乙烯管的使用时间已远远超过其设计寿命，因此这种失效在实际使用中一般不会发生。

聚乙烯管的焊接方法有热熔焊接和电熔承插焊接2种。若是焊接操作不当、焊接参数设置错误或焊接环境不适宜等则会引起焊接接头失效，典型的焊接接头失效有以下几种[8]。

1）假焊，假焊常见于热熔焊接中，是热熔焊接最致命的缺陷，危害极大。通常情况下，假焊缺陷采用耐压试验的方法无法查出，管道敷设以后随着地质条件、内部压力的变化，焊缝部位由于受到内压和外部弯矩的影响而突然发生焊缝整体脆性开裂。这种由假焊引起的开裂没有明显的先兆，断裂迅速，断口整齐、光滑。

2）错边量过大，错边量过大缺陷主要存在于热熔焊接中。造成此类缺陷的原因是，两管在焊接对接时没有对中，或是焊接过程中压力过大，导致两管边缘错开。由于错边量过大，使管道焊接部位的有效厚度减小，并且极易造成应力集中。在使用过程中，在内压的作用下，一般会先发生韧性失效，即管道焊缝部位隆起（鼓包），从而导致焊缝部位的有效厚度进一步减小，最终造成韧性撕裂。

3）熔合部位开裂，此类缺陷主要发生在电熔承插焊接过程中。造成这种失效的原因是，电熔承插焊接时，管道表面的氧化层或污物未进行刮除或是刮除不彻底，导致管道外壁与电熔套筒内壁熔化粘接时混入杂物，母材未达到分子间结合。这类缺陷严重影响焊接质量，导致管材承压能力下降，往往在使用压力很低的情况下就发生泄漏、开裂，危害性较大。

聚乙烯管的焊接接头缺陷一般都是在施工过程中产生的，在管道后续的运行过程中，这些焊接缺陷往往是造成管道失效的起始点。在新建管道时，必须要对施工管理过程进行控制，尤其是焊接过程。

聚乙烯管的表面失效主要是聚乙烯材料老化的过程首先发生在表面，特别是在长时间室外存放的过程中。其表面的物理、化学变化是导致失效的诱因。目前，国内对于聚乙烯管道表面失效的报道和研究较少。施工过程中，应严格按照相关标准的存放时间规定对材料进行验收，必要时还应对材料进行力学性能验证。

缺陷引起的失效主要是指在聚乙烯管的运输、安装和使用过程中，可能造成划痕、划伤等缺陷。使用过程中，在内压和外部环境的相互作用下，这些缺陷往往成为各种失效的“发源地”。

3 埋地聚乙烯管风险因素

对埋地聚乙烯管道风险因素进行识别是进行风险评价的前提条件，如何准确地界定风险因素的种类，从而准确地对风险因素进行辨识，直接关系风险评价结果的准确性。参考GB/T 13861—2022《生产过程危险和有害因素分类与代码》，将可能导致生产过程中危险和有害因素分为4大类，分别是“管理因素”“人的因素”“物的因素”“环境因素”[9]。在此原则基础上，结合聚乙烯管道的物理特性、失效模式、介质特性、使用环境、历史事故等因素，对埋地聚乙烯天然气管道风险因素进行辨识。

从风险的产生及聚乙烯管本身的物理特性来看，城镇埋地聚乙烯天然气管道的风险具有以下特点：

1）对第三方破坏更加敏感。聚乙烯管与钢质管道不同，制造聚乙烯燃气管道的原材料是聚乙烯树脂，属于柔性材料，管材本身强度不高，很容易被尖锐物破坏，因此对第三方破坏非常敏感。

2）起主要作用的风险因素不固定，随环境的变化而变化。对于钢质管道，在不考虑其固有的缺陷（包括焊接缺陷）时，其主要风险来源于腐蚀，风险源相对固定。但是对于聚乙烯管道则不然，其主要风险因素随着敷设环境的不同而不同，在市政施工频繁的地区，第三方破坏是其主要风险因素，而在一些特定的地区，生物破坏则可能成为主要风险因素。

3）各风险因素之间相互“激励”，存在很大的模糊性。城镇埋地聚乙烯天然气管道大多敷设在三级、四级地区，地表环境非常复杂，存在很多有可能导致管道失效的风险因素。但是这些风险因素往往不是孤立的，而是相互关联，互为“激励”。管道事故的历史教训表明，一个事故的发生，一般存在一个主要的、直接的因素以及若干个次要的、间接的因素。在某个特定的场合或者特定的时间段，这些因素相互作用，最终酿成事故。因此，若是将每个风险因素孤立起来研究，本身就是不科学的，其研究结果必然偏离实际。也正是这种模糊性的客观存在，可以将整个管道系统的风险作为一个模糊系统进行研究。

需要指出的是，风险因素种类的界定以及风险因素的辨识并不是一成不变的，实际应用中应根据埋地聚乙烯管道的具体使用环境对风险因素进行辨识，以能覆盖所评价的管道系统中所有风险因素为准。若管道系统中含有部分钢管，还应考虑钢管失效的风险因素，例如腐蚀等。本文所给出的风险因素也不是一个固定的范本，在利用此法进行风险评估时，可以根据实际情况进行增减。具体见本文实例应用。

4 风险因素相对量化

如何确定各风险因素的权重，是对埋地聚乙烯天然气管道进行风险评价需要解决的关键问题。导致埋地聚乙烯天然气管道失效的风险因素有很多，若是给每个风险因素分配相同的权重，这显然是不合理的。事实上，这些不同的风险因素对评价结果的“贡献度”是不同的，尤其是敷设在不同的环境中，这些风险因素对评价结果的影响就更大[10]。本文采用层次分析法（AHP）确定风险因素的权重分配。具体方法如下：

1）确定目标和评价因素

评价目标V={城镇埋地聚乙烯天然气管道风险}；

n个评价因素（风险因素），u={u1，u2，…，un}。

2）构造判断矩阵

将两个因素xi和xj相互比较，以aij表示xi和xj对评价目标的影响大小，构造判断矩阵。aij的值按照表1来确定。

表1 层次分析法尺度含义

对所有因素按照上述尺度含义两两进行比较，并将比较结果构造判断矩阵，见式（1）。

3）计算最大特征根和对应的特征向量

按式（2）计算判断矩阵A的特征根，其中I为单位矩阵。令行列式为0，计算判断矩阵A的特征根λ，设最大特征根为λmax，再按式（3）计算最大特征根对应的特征向量ω。

4）一致性检验

判断矩阵进行一致性检验，首先按式（4）计算一致性指标CI。平均随机一致性指标RI值见表2。

表2 平均随机一致性指标

一般认为，当CR=CI/RI＜0.1时，判断矩阵的一致性是可以接受的，否则需要对判断矩阵进行修改，使判断矩阵满足一致性条件。如果通过了一致性检验，最大特征根对应的特征向量ω就是各因素的相对重要性排序。令ω=(a1,a2,…,ak)，则a1,a2,…,ak即为各指标权重系数。

5 单因素风险矩阵及风险等级

单因素风险矩阵由失效可能性、失效后果和风险等级构成。失效可能性分级[11]见表3，失效后果等级[9]的具体描述见表4。

表3 埋地天然气管道的失效可能性分级

表4 埋地天然气管道失效后果等级

由于城镇埋地聚乙烯天然气管道大多敷设环境均为人员密集、商业活动频繁的高后果区，一旦发生事故，后果极其严重。鉴于此，在进行单因素风险评价时，本文提出弱化失效可能性，强化失效后果的观点，以使评价结果趋于保守。依据这一原则，对单因素风险矩阵做了适当修正。具体见表5。

表5 单因素风险矩阵

当评价者无法明确确定单因素风险等级时，允许对风险等级进行模糊赋值，例如，可以对高风险等级赋值0.8，较高风险等级赋值0.2。

根据单因素风险矩阵，确定风险等级，为了进行加权平均计算，将4个风险等级进行量化，并依次赋值为4、3、2、1。见表6。

表6 风险评价结论定量分级标准

6 实例应用

6.1 综合风险评价

本文选取某商业街供气管道作为研究对象，对其进行模糊综合风险评价。其基本参数见表7。

表7 天然气管道基本参数

本文将城镇埋地聚乙烯管道风险因素分为5大类，3个层级。具体见表8。

表8 风险因素汇总

需要特别指出的是，风险因素的划分不是固定的，以能覆盖所评价的管道的所有风险因素为准，可以根据实际情况进行适当调整。风险因素的层级也不是固定的，将风险因素的层级分的越细，评价结果则越接近实际，相应的运算量也越大。

确定评语集如下：

v={高风险等级（4），较高风险等级（3），中等风险等级（2），低风险等级（1）}利用层次分析法确定一级风险因素的权重，构造判断矩阵见表9。

表9 层次分析法判断矩阵

则矩阵S1记为：

计算矩阵S1的最大特征根并经一致性检验后得到一级风险因素权重系数，矩阵S1的最大特征根对应的特征向量为：

A1′=（0.07440.26540.91100.09020.2933）

经归一化处理后得到一级风险因素的权重系数为：

A1=（0.04550.16240.55740.05520.1795）

运用同样的方法可以确定二级风险因素以及三级风险因素的权重系数。

根据风险矩阵（见表5）进行单因素风险评价，以设计管理风险因素为例，见表10。

表10 设计管理因素风险评价

由此得到单因素风险矩阵：

则三级因素风险模糊评价矩阵：

B111=A111.R111=(00.37500.62500)

运用同样方法可以得到：

B112=(0.36480.41810.19300.0242)

再对安全管理制度及应急管理制度因素进行评价，见表11。

表11 安全管理制度及应急管理制度评价

最终得到第一类风险因素模糊综合评价矩阵：

运用同样方法计算可得：

综上，得到整体风险综合模糊评价矩阵：

加权平均处理后得到整体模糊综合风险评价结果：

对照表6可知，该管段处于较高风险等级。

6.2 评价结果分析

对每一大类风险因素进行模糊综合评价，得到以下结果：

可以看出，该管道所有风险因素中与时间有关的因素处于低风险等级，腐蚀因素处于中风险等级，其余3类风险均处于较高风险等级。这是因为该段管道使用年限较短，约7年时间，根据事故“浴盆曲线”理论，该段管道目前处于“稳定期”内。腐蚀因素处于中风险等级是因为末端埋地钢管采用的是环氧煤沥青油布防腐，环氧煤沥青随着时间的推移会逐渐脆化，防腐效果降低，一旦渗入水分，反而会加速腐蚀。故腐蚀因素评价为中风险水平，需要燃气运营企业对钢管腐蚀情况保持关注，是比较科学、中肯的。

7 结论及展望

7.1 结论

通过以上评价，可以得出以下4点结论：

1）利用层次分析法及模糊综合评价方法可以将定性评价转化为定量评价，并输出定量风险值，评价结果可以反映管道的真实风险水平。此外，对每一类风险因素进行单独评价，可以明确风险的来源，故提出的降险措施更具针对性。因此，采用此方法对埋地管道进行风险评价在理论方面以及实用方面均是可行的。

2）对风险等级进行量化赋值，并在整体综合风险评价时对量化赋值进行加权处理，可以充分利用每一类风险因素的评价数据，整体评价结果体现出各类风险因素的综合作用，评价结果更能反映管道的真实风险水平。

3）准确辨识埋地管道的风险因素，是风险评价结果准确、客观的前提，风险因素识别不准确会导致评价结果偏离实际。风险因素种类的界定并不是一成不变的，应根据管道的实际情况（使用年限、敷设环境等）对风险因素进行辨识，以能覆盖所评价的管道的所有风险为准。

4）此评价方法的可塑性、可拓展性较强。应用时，可以根据实际情况适当增减风险因素以及风险因素的层级，风险因素辨识越完整、准确，划分的风险层级越多，最终的评价结果越接近实际。

7.2 展望

1）综合风险等级隶属度的评价，依靠评价者的主观判断，对评价者的经验以及专业技术水平要求较高，不同的评价者可能得出不同的结论。若是管道失效数据比较齐全，那么这个风险等级隶属度就可以通过对大量失效数据进行统计分析得到，这样就能使评价结果更加客观。但是，目前尚缺乏此类数据，这是今后管道风险评价需要继续研究的方向。

2）将风险评价技术与无损检测技术相结合，建立材料-焊接-检测-运行-维护等多个环节协同化的风险评价方法，形成基于安装施工过程数据预判风险与无损检测验证技术相结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气管道方面的风险因素辨识的方法、标准。准确地识别风险因素是进行风险评价的前提，现在的风险因素识别主要依赖于评价者的经验，亟须一套系统的埋地管道风险识别方法，这也是今后需要继续研究的一个方向。目前，风险辨识用得较多的是危险源理论以及灰色关联度理论，目前已有学者开展了此项研究[13]。

4）失效可能性方面，现有的长输油气管道的失效可能性评估模型并不适用于埋地聚乙烯天然气管道，目前针对埋地聚乙烯天然气管道还没有一个比较科学的失效可能性模型。笔者根据自己从业经验提出，针对埋地聚乙烯天然气管道的风险评价，可以弱化失效可能性，强化失效后果。这是因为城镇埋地聚乙烯天然气管道敷设的环境绝大多数为高后果区，对于运营企业来说，任何一次高后果事故都是难以承担的。再者，偏保守的评价也有利于保障管道的安全运行。这个方向是否可行，还有待于进一步的验证，也欢迎各位专家、同行提出宝贵的意见和建议。