城市燃氣輸配管網(wǎng)可靠性的多視角分析

李 軍，玉建軍，嚴銘卿，馬洪敬，秦朝葵，程國梁

(1.天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074；3.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804；4.天津泰達濱海清潔能源集團有限公司，天津 300308)

1 概述

可靠性指產(chǎn)品正常工作的能力，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個指標。GB 50153—2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》(以下簡稱GB 50153—2008)第2.1.22條將可靠性定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。這里的產(chǎn)品可以泛指任何系統(tǒng)、設(shè)備和元器件。隨著各種工業(yè)系統(tǒng)復雜程度的增加，可靠性理論作為一門系統(tǒng)工程科學，幾乎在包括管網(wǎng)系統(tǒng)之內(nèi)的所有工業(yè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

城市燃氣輸配管網(wǎng)的主要功能是向用戶安全輸配足夠壓力和流量的燃氣，其作為一種在局部管道失效下仍具有部分供氣能力的可修復系統(tǒng)，需要研究可靠性問題[1]。本文以城市燃氣輸配管網(wǎng)為研究對象，以可靠性為研究問題的切入點，分析燃氣管道結(jié)構(gòu)可靠性、管網(wǎng)連通可靠性、管網(wǎng)水力工況、管網(wǎng)供氣可靠性等相關(guān)問題的區(qū)別與聯(lián)系。

2 燃氣管道結(jié)構(gòu)可靠性

燃氣管道本身的安全是管網(wǎng)供氣功能正常發(fā)揮的前提和保障。燃氣管道結(jié)構(gòu)可靠性分析即是研究管道在各種荷載作用下的安全性問題。

以城市燃氣輸配管道常用管材鋼管為例，其管道結(jié)構(gòu)設(shè)計是在水力計算確定管徑的基礎(chǔ)上，采用安全系數(shù)法計算鋼管壁厚，并根據(jù)需要進行穩(wěn)定性校核[1]。安全系數(shù)法也稱許用應(yīng)力法[2]，其基本思想是：結(jié)構(gòu)在承受外部載荷后，由計算得到的應(yīng)力應(yīng)小于該結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力。該方法將各設(shè)計變量假定為確定的量，并用安全系數(shù)來保證設(shè)計的安全裕量，安全系數(shù)是在大量設(shè)計實踐及工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)得出的，它反映了一定的統(tǒng)計特性，對不同的結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)的取值也不同。

然而，從可靠性角度分析，“荷載效應(yīng)”的持久與疊加耦合作用和“結(jié)構(gòu)抗力”的蠕變是導致管道失效的直接原因。管道的材料性能、內(nèi)外部荷載、計算應(yīng)力和實際抵抗能力等都不可避免地受到各種因素的影響，具有不確定性。如果在設(shè)計中考慮這些不確定因素的影響，就需要引進可靠性設(shè)計方法，又稱為概率設(shè)計方法。這種設(shè)計方法認為，作用于結(jié)構(gòu)上的真實外部荷載及結(jié)構(gòu)的實際抵抗能力，都是概率意義上的量，服從一定的分布，設(shè)計時不可能精確地確定它們[2-3]。以此為出發(fā)點進行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠更好地符合客觀實際，也能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性要求，把管道失效風險控制在一個可接受的水平。

管道的結(jié)構(gòu)可靠性分析或設(shè)計一般包括以下過程[2-3]：

① 根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，確定影響結(jié)構(gòu)可靠性的隨機變量；

② 根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載情況，確定結(jié)構(gòu)所有可能的失效模式；

③ 根據(jù)實際情況確定各隨機變量的統(tǒng)計特性，例如均值、均方差及分布類型等；

④ 基于結(jié)構(gòu)可靠性理論，計算結(jié)構(gòu)的可靠度(或失效概率)；

⑤ 分析各隨機變量對結(jié)構(gòu)失效的影響，確定各變量的靈敏性；

⑥ 確定結(jié)構(gòu)的目標可靠度。

目前，管道本身的結(jié)構(gòu)可靠性研究集中在長輸油氣管道方面，其方法大都基于應(yīng)力-干涉理論，建立管道工作壓力與爆破壓力之間關(guān)系的極限狀態(tài)方程，分析其失效概率、剩余強度和壽命等[4-5]，而城市燃氣輸配管道主要采用肯特法、故障樹法、模糊綜合評價法等主觀方法對其進行安全可靠性評價[6-7]。本文筆者曾借鑒長輸油氣管道的結(jié)構(gòu)可靠性方法建立極限狀態(tài)方程，初步分析了腐蝕作用下的城市埋地燃氣輸配管道失效概率，但所用文獻數(shù)據(jù)的可靠性和所建模型的合理性還有待深入探討[8]。

3 燃氣管網(wǎng)連通可靠性

城市燃氣輸配管網(wǎng)主要由連接氣源點和各用氣節(jié)點間的大量燃氣管道構(gòu)成。管網(wǎng)供氣功能的發(fā)揮不僅與組成管網(wǎng)的各管道結(jié)構(gòu)可靠性相關(guān)，而且與各管道之間的聯(lián)系方式密切相關(guān)，這種聯(lián)系主要表現(xiàn)為管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)特征。

作為生命線工程的重要組成部分，城市燃氣輸配管網(wǎng)常設(shè)計成環(huán)狀，使得氣源和各用氣節(jié)點之間能夠構(gòu)建多條通路，以便當其中一條通路因某根管道失效而破壞時，仍然有可備用的通路正常工作，保證氣源和用戶之間的連通。

結(jié)合GB 50153—2008及系統(tǒng)可靠性相關(guān)理論，可將燃氣管網(wǎng)的連通可靠性定義為管網(wǎng)在規(guī)定時間和規(guī)定的條件下，氣源與各燃氣用戶之間保持連通的概率。顯然，這種連通的概率取決于組成系統(tǒng)的各管道單元自身的結(jié)構(gòu)可靠性和管道與管道相互之間的拓撲關(guān)系，故部分文獻也將連通可靠性稱之為管網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性或機械可靠性[2，9]。根據(jù)視角的不同，燃氣管網(wǎng)連通可靠性可以分為用氣節(jié)點連通可靠性和管網(wǎng)系統(tǒng)連通可靠性兩個方面。用氣節(jié)點連通可靠性是從燃氣用戶的角度出發(fā)，分析某一特定用戶(用氣節(jié)點)與氣源點之間是否連通從而獲得來自氣源點的燃氣，也即研究指定用氣節(jié)點與氣源點連通的概率；管網(wǎng)系統(tǒng)連通可靠度是從燃氣氣源和整個管網(wǎng)的角度出發(fā)，研究氣源點與所有用氣節(jié)點連通的概率。本文作者曾基于圖論等相關(guān)知識，在借鑒當今通信信息網(wǎng)絡(luò)、高壓輸電網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)、城市供水管網(wǎng)等大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性研究成果的基礎(chǔ)上，對城市燃氣輸配管網(wǎng)的連通可靠性進行了初步的嘗試性研究，定量分析了環(huán)狀管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)對管網(wǎng)運行的影響,并利用管道的連通重要度來定量評價不同位置的管道對管網(wǎng)連通可靠度的貢獻[9]。

4 燃氣管網(wǎng)水力工況

燃氣管網(wǎng)水力工況主要分析管網(wǎng)各用氣節(jié)點壓力、流量的整體工作狀況是否滿足設(shè)計供氣要求，特別是在個別管道失效的情況下，管網(wǎng)系統(tǒng)還能在多大程度上滿足各類用戶的用氣需求，部分文獻也稱為管網(wǎng)水力可靠性分析[10]。

同連通可靠性類似，根據(jù)視角的不同，燃氣管網(wǎng)水力工況也可以從指定用氣節(jié)點水力工況和管網(wǎng)整體水力工況兩個角度進行分析。用氣節(jié)點水力工況分析是從燃氣用戶的角度出發(fā)，分析某一特定用戶(用氣節(jié)點)的流量、壓力的工作狀況；管網(wǎng)整體水力工況分析是將管網(wǎng)作為一個整體來研究管網(wǎng)系統(tǒng)的流量、壓力的工作狀況。本文作者曾從以上兩個角度提出了改善燃氣管網(wǎng)水力工況的措施，但其科學性和實用性尚需進一步探討[11]。同時，結(jié)合GB 50153—2008及系統(tǒng)可靠性相關(guān)理論，可否將“水力工況分析”稱之為“水力可靠性分析”也有待商榷。

需要說明的是，燃氣管網(wǎng)連通可靠性和水力工況分析是兩類各有側(cè)重的流體網(wǎng)絡(luò)分析方法，水力工況分析是從各個節(jié)點獲得的用氣量這一角度考察問題，其是在已知管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、管道屬性、管網(wǎng)各節(jié)點期望用氣量(設(shè)計用氣量)、氣源供氣壓力等參數(shù)條件下，計算管網(wǎng)中各管道及各用氣節(jié)點的實際流量、壓力的過程，也是評價管網(wǎng)服務(wù)水平與工作性能的基礎(chǔ)。而對燃氣管網(wǎng)進行連通可靠性分析，如前所述，其目的在于考察各用氣節(jié)點與氣源點的連通概率，某一用氣節(jié)點流量為零的概率盡管在形式上可以被認為是此點與氣源點不連通的概率，但兩者的意義并不相等，因此，連通可靠性不代表節(jié)點能夠獲得期望流量和壓力的能力。同樣，水力工況分析也不能簡單地退化為管網(wǎng)的連通可靠性。

5 燃氣管網(wǎng)供氣可靠性

如前分析，燃氣管網(wǎng)連通可靠性和水力工況都只是從某一側(cè)面反映了管網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀況，兩者之間雖然有內(nèi)在的聯(lián)系，但技術(shù)路線與成果彼此獨立，不能利用任一者對管網(wǎng)的整體功能進行綜合評價。為此，有必要在充分考慮管道結(jié)構(gòu)可靠性和管網(wǎng)水力工況的基礎(chǔ)上，采用一個綜合的評價標準——供氣可靠性，對整個管網(wǎng)的供氣能力進行綜合評價。

結(jié)合GB 50153—2008及系統(tǒng)可靠性相關(guān)理論，可將城市燃氣輸配管網(wǎng)的供氣可靠性定義為：在按設(shè)計條件使用的情況下，在一定的服役年限內(nèi)，將滿足所有用戶需求壓力和流量的燃氣安全可靠地送往用戶的能力。對城市燃氣輸配管網(wǎng)的供氣可靠性進行評價[12]，目的在于對已設(shè)計或建造的燃氣管網(wǎng)，從組成管網(wǎng)的管道單元和拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，在考慮水力條件的影響下，由各單元的結(jié)構(gòu)可靠概率計算出管網(wǎng)的故障或完好狀態(tài)的概率，從而得出對管網(wǎng)工作能力可靠程度的評價。

需要特別指出的是，燃氣管網(wǎng)的供氣可靠性是一種評價指標而非性能參數(shù)，也不同于水力工況分析中的管網(wǎng)故障時供氣量的維持分數(shù)，而是一種概率意義上的對管網(wǎng)整體供氣能力的綜合評價[1]。根據(jù)這種評價結(jié)果，可以從管道結(jié)構(gòu)和水力工況兩個方面來引導改善設(shè)計或改進已建成系統(tǒng)。

6 結(jié)論

城市燃氣輸配管網(wǎng)是一種在局部管道失效下仍具有部分供氣能力的可修復系統(tǒng)，故需要研究其可靠性問題。根據(jù)研究角度的不同，可分為結(jié)構(gòu)可靠性、連通可靠性，水力工況及供氣可靠性幾個方面。不同角度的可靠性分析是遵循了不同的途徑進行的，應(yīng)視不同類型的生命線工程系統(tǒng)與研究目的而有所側(cè)重。

管道結(jié)構(gòu)可靠性及管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性(連通可靠性)僅從機械角度對管網(wǎng)系統(tǒng)及組成單元進行分析，側(cè)重考察組成管網(wǎng)的各部分及管網(wǎng)系統(tǒng)在一定條件下具有結(jié)構(gòu)完整性的概率，而未考慮水力工況的影響。

管網(wǎng)水力工況分析是從流體力學角度分析管網(wǎng)各用氣節(jié)點壓力、流量的整體工作狀況是否滿足設(shè)計供氣要求，其側(cè)重點是在個別管道發(fā)生失效的情況下還能多大程度上可以滿足各類用戶的用氣需求。其前提假定是，局部管道失效對管網(wǎng)供氣量的影響，而實際上，任一管道的失效都是一個隨機概率事件，即水力工況分析也未考慮結(jié)構(gòu)失效概率的影響。

管網(wǎng)供氣可靠性是在考慮結(jié)構(gòu)可靠性和水力工況的基礎(chǔ)上采用的一個綜合評價標準，也是一種概率意義上的對管網(wǎng)整體供氣能力的綜合評價。根據(jù)這種評價結(jié)果，可以從管道結(jié)構(gòu)和水力工況兩個方面來引導改善設(shè)計或改進已建成系統(tǒng)，進而更好地促進管網(wǎng)供氣功能的發(fā)揮。