摘　要：失效概率確定是管道定量風險評價的核心內(nèi)容。為此，針對城市燃氣輸配管道特點，通過建立管道失效概率模型，利用可靠性理論得出了腐蝕作用下城市埋地燃氣管道失效概率隨服役年限的變化情況，并對影響管道失效概率的隨機參數(shù)進行了分析。結(jié)果表明：在管道投入運行初期，腐蝕對管道失效概率的影響較小，其余參數(shù)的相對影響隨工作壓力大小而變化，當工作壓力小于2.5MPa時，豎直荷載是影響城市埋地燃氣管道失效概率的最主要因素；隨著工作壓力的增加，豎直荷載影響失效概率的重要性逐漸下降，材料屈服強度、管道壁厚的重要性逐漸增加，而工作壓力的重要性顯著增加；當工作壓力達到4.0MPa時，對管道失效概率影響較大的因素為材料屈服強度、工作壓力、豎直荷載和管道壁厚等；隨著管道服役年限的增加，腐蝕對失效概率的影響增大并逐漸占據(jù)主導地位，在管道運行后期，影響管道失效概率的主要參數(shù)是腐蝕指數(shù)、腐蝕乘子和工作壓力。

關(guān)鍵詞：燃氣管道??腐蝕??失效概率??風險評價??可靠性理論??服役年限??完整性管理

Abstract：Failure probability determination is the core of quantitative risk assessment on pipelines．In this studv，a modcl for failure?probability of pipelines was constructed considering the specific features of gas transmission and distriburion Dipeline networks in urban areas．The model was used to determine the changes of failure probability of urban underground gas pipelines with its service life?under corrosion effect by using reliability theory．In addition，random parameters that may affect the failure probability of pipelines?were analyzed．The results show that corrosion may present minor impacts on the failure probability of pipelines in early stages of operation，whereas impacts of other parameters may vary in accordance with operation pressures．Under operation pressures below 2.5MPa，vertical loads are the most important contributor to the failure probability of urban underground gas pipelines．With ttle increase of operation pressures，the impact of vertical loads on failure probability may decrease gradually，whereas that of yield?strength of materials and wall thicknesses of the pipeline may increase steadily．When operation pressure reaches 4.0MPa，factors?that may present significant impacts on the failure probability of pipelines include yield strength of materials，operation pressures．vertical loads and wall thickness of the pipelines．Over the service life of the pipelines，impacts of corrosion on failure probabilitv mayincrease gradually and eventually play a dominant role．In later operation stages，major factors that may impact the failure probability?of pipelines include corrosion index，corrosion multiplier and operation pressure．

Keywords：Gas pipeline；Corrosion；Failure probability；Risk assessment；Reliability theory；Service life；Integrity management

風險評價技術(shù)是管道完整性管理的重要組成部分，也是保證城市燃氣管網(wǎng)安全運營的重要手段，其中管道失效概率的確定是定量風險評價的核心內(nèi)容，其準確性也決定了評價結(jié)果的合理性和適用性^[1-3]。然而，管道失效概率的準確確定需要完整詳細的管道失效數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如歐洲燃氣管道事故數(shù)據(jù)庫(Europe an Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)分類收集了包括丹麥、法國、德國等15個國家的燃氣管道失效數(shù)據(jù)，對提高管道安全發(fā)揮了重要作用^[4-6]。國內(nèi)管道失效數(shù)據(jù)庫，特別是城市燃氣管道的數(shù)據(jù)庫建設相對滯后，目前我國對城市埋地燃氣管道失效概率的分析主要采用基于專家知識經(jīng)驗的主觀評價方法，如故障樹法、層次分析法、模糊綜合評價法等^[7-10]。

可靠性技術(shù)是近幾十年發(fā)展最為迅猛的學科之一，國內(nèi)外學者在利用可靠性理論對長距離油氣輸送管道進行安全評價方面做了大量的工作^[11-15]。筆者針對城市燃氣輸配管道特點，建立了埋地管道失效概率模型，并基于可靠性理論對腐蝕作用下的城市埋地燃氣管道失效概率進行了分析。

目前的城市燃氣管道設計中廣泛采用安全系數(shù)法(或許用應力法)，它的基本思想是：將影響管道應力和強度的各設計變量作為確定型變量，管道在承受外荷載后，由計算得到的應力應小于該結(jié)構(gòu)材料的許用應力，并用安全系數(shù)來描述設計的安全裕量。然而，根據(jù)應力－強度分布干涉理論^[16]，管道的強度和工作應力均可看成隨機型變量，由于安全系數(shù)法設計中采用了較大的安全系數(shù)，故在工作初期，即使考慮了各設計變量的隨機性，管道強度也總是大于所受應力，單是力學因素很難導致管道發(fā)生除第三方施工破壞外的失效(圖1)。隨著管道服役時間的增加，在土壤腐蝕等因素的作用下，管道強度會逐漸衰減，可能會由圖1中的位置a沿著衰減曲線移到位置b，使應力、強度分布曲線發(fā)生干涉，即由于管道承載能力小于所受荷載產(chǎn)生的應力而導致管道失效，并且管道強度和應力的離散程度越大，管道失效的可能性也越大。

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對于城市埋地鋼制燃氣管道，外部荷載施加在管道上的等效應力主要由環(huán)向應力和縱向應力構(gòu)成，徑向應力幾乎可以忽略，如果鋼管失效采用Mises失效準則，則管道荷載產(chǎn)生的等效應力(sequi)可用式(1)表示：

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式中sequi為管道所受荷載產(chǎn)生的等效應力，MPa；sh為管道所受荷載產(chǎn)生的環(huán)向應力，MPa；s1為管道所受荷載產(chǎn)生的縱向應力，MPa。

環(huán)向應力(sh)主要由介質(zhì)工作壓力、土壤和交通等豎直荷載產(chǎn)生，在考慮腐蝕的情況下，可按式(2)計算^[17-18]：

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式中p為管道介質(zhì)的(相對)工作壓力，MPa；D為管道的外徑，mm；d為管道的計算壁厚，mm；k為腐蝕乘子；T為管道服役年限，a；n為腐蝕指數(shù)；Kb為管道彎曲系數(shù)；W為管道承受的土壤、交通等豎直荷載，kN；Ep為管道彈性模量，MPa；Kz為管道基座系數(shù)。

縱向應力(s1)主要由管材泊松效應、溫差效應和管道縱向彎曲等原因產(chǎn)生，在考慮腐蝕的情況下，可按式(3)計算^[17-18]：

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式中up為管材泊松比；ξ為土體約束系數(shù)；a為熱膨脹系數(shù)，℃^-1；Dt為管道安裝與工作時的溫度差，℃；c為管道軸向曲率，m^-1。

假設ss表示管道材料的屈服強度，則根據(jù)應力－強度干涉理論，管道強度小于應力的全部概率即為管道的失效概率(pf)。

以下方程稱為管道的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)(Z)^[16]，即

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分析管道的失效概率即是分析結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z<0的概率，假設Z的概率密度分布函數(shù)為fz(z)，根據(jù)可靠性理論即可得管道失效概率的一般表達式為：

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理論上可利用式(5)求得管道的失效概率，但由于式(4)是含有15個隨機參數(shù)的非線性函數(shù)，其概率密度函數(shù)fz(z)的確定及式(5)的計算都十分困難，實際工程中通常不采用式(5)直接計算管道的失效概率pf，而多采用近似的方法，如一次二階矩法、響應面法、蒙特忙洛法等^[18-20]。

利用上述方法即可對某城市埋地燃氣輸配管道進行失效概率分析?？紤]到目前城市燃氣輸配工程中調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對缺乏、管道數(shù)據(jù)庫建設滯后及不確定信息量小的現(xiàn)狀，根據(jù)可靠性理論，假設上述15個參數(shù)均為正態(tài)分布的隨機變量，并參照本文參考文獻[15-20]及目前工程實際，合理選取各隨機參數(shù)的均值及變異系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

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根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用一次二階矩法，編制計算程序即可得出該管道失效概率隨服役年限的變化情況(圖2)。

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從圖2可知，隨管道服役年限的增加，管道失效概率也呈逐年增大趨勢，在該管道投入運行之初(T＝0)，失效概率pf＝3.825×10^-4?？山邮苁Ц怕实木唧w數(shù)值與安全等級的要求有關(guān)，假設該管道處于一般風險地區(qū)，參考國內(nèi)外推薦的可接受失效概率為10^-3，可知該管道的風險是處于可接受范圍內(nèi)的，這也說明了管道在未發(fā)生腐蝕時，單是力學因素很難致使管道失效。當T＝50a時，管道失效概率pf＝7.115×10^-3，即該管道已經(jīng)不能繼續(xù)服役，由式(2)、(3)可知，失效概率增加的主要原因是管道腐蝕造成壁厚減薄。