城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)可靠性的多視角分析

李 軍，玉建軍，嚴(yán)銘卿，馬洪敬，秦朝葵，程國梁

(1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074；3.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；4.天津泰達(dá)濱海清潔能源集團(tuán)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(gè)指標(biāo)。GB 50153—2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(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(shí)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(fù)雜程度的增加，可靠性理論作為一門系統(tǒng)工程科學(xué)，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?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的主要功能是向用戶安全輸配足夠壓力和流量的燃?xì)猓渥鳛橐环N在局部管道失效下仍具有部分供氣能力的可修復(fù)系統(tǒng)，需要研究可靠性問題[1]。本文以城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)為研究對(duì)象，以可靠性為研究問題的切入點(diǎn)，分析燃?xì)夤艿澜Y(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?xì)夤艿澜Y(jié)構(gòu)可靠性

燃?xì)夤艿辣旧淼陌踩枪芫W(wǎng)供氣功能正常發(fā)揮的前提和保障。燃?xì)夤艿澜Y(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?xì)廨斉涔艿莱Ｓ霉懿匿摴転槔涔艿澜Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在水力計(jì)算確定管徑的基礎(chǔ)上，采用安全系數(shù)法計(jì)算鋼管壁厚，并根據(jù)需要進(jìn)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(jì)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(jì)變量假定為確定的量，并用安全系數(shù)來保證設(shè)計(jì)的安全裕量，安全系數(shù)是在大量設(shè)計(jì)實(shí)踐及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)得出的，它反映了一定的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)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(dǎo)致管道失效的直接原因。管道的材料性能、內(nèi)外部荷載、計(jì)算應(yīng)力和實(shí)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(jì)中考慮這些不確定因素的影響，就需要引進(jìn)可靠性設(shè)計(jì)方法，又稱為概率設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法認(rèn)為，作用于結(jié)構(gòu)上的真實(shí)外部荷載及結(jié)構(gòu)的實(shí)際抵抗能力，都是概率意義上的量，服從一定的分布，設(shè)計(jì)時(shí)不可能精確地確定它們[2-3]。以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠更好地符合客觀實(shí)際，也能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性要求，把管道失效風(fēng)險(xiǎn)控制在一個(gè)可接受的水平。

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

① 根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定影響結(jié)構(gòu)可靠性的隨機(jī)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(shí)際情況確定各隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度(或失效概率)；

⑤ 分析各隨機(jī)變量對(duì)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(biāo)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(qiáng)度和壽命等[4-5]，而城市燃?xì)廨斉涔艿乐饕捎每咸胤ā⒐收蠘浞ā⒛：C合評(píng)價(jià)法等主觀方法對(duì)其進(jìn)行安全可靠性評(píng)價(jià)[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?xì)廨斉涔艿朗Ц怕剩梦墨I(xiàn)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?xì)夤芫W(wǎng)連通可靠性

城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)主要由連接氣源點(diǎn)和各用氣節(jié)點(diǎn)間的大量燃?xì)夤艿罉?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?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征。

作為生命線工程的重要組成部分，城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)常設(shè)計(jì)成環(huán)狀，使得氣源和各用氣節(jié)點(diǎn)之間能夠構(gòu)建多條通路，以便當(dāng)其中一條通路因某根管道失效而破壞時(shí)，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?xì)夤芫W(wǎng)的連通可靠性定義為管網(wǎng)在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定的條件下，氣源與各燃?xì)庥脩糁g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?fù)潢P(guān)系，故部分文獻(xiàn)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(jī)械可靠性[2，9]。根據(jù)視角的不同，燃?xì)夤芫W(wǎng)連通可靠性可以分為用氣節(jié)點(diǎn)連通可靠性和管網(wǎng)系統(tǒng)連通可靠性兩個(gè)方面。用氣節(jié)點(diǎn)連通可靠性是從燃?xì)庥脩舻慕嵌瘸霭l(fā)，分析某一特定用戶(用氣節(jié)點(diǎn))與氣源點(diǎn)之間是否連通從而獲得來自氣源點(diǎn)的燃?xì)猓布囱芯恐付ㄓ脷夤?jié)點(diǎn)與氣源點(diǎn)連通的概率；管網(wǎng)系統(tǒng)連通可靠度是從燃?xì)鈿庠春驼麄€(gè)管網(wǎng)的角度出發(fā)，研究氣源點(diǎn)與所有用氣節(jié)點(diǎn)連通的概率。本文作者曾基于圖論等相關(guān)知識(shí)，在借鑒當(dāng)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(duì)城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的連通可靠性進(jìn)行了初步的嘗試性研究，定量分析了環(huán)狀管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的影響,并利用管道的連通重要度來定量評(píng)價(jià)不同位置的管道對(duì)管網(wǎng)連通可靠度的貢獻(xiàn)[9]。

4 燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況

燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況主要分析管網(wǎng)各用氣節(jié)點(diǎn)壓力、流量的整體工作狀況是否滿足設(shè)計(jì)供氣要求，特別是在個(gè)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(xiàn)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?xì)夤芫W(wǎng)水力工況也可以從指定用氣節(jié)點(diǎn)水力工況和管網(wǎng)整體水力工況兩個(gè)角度進(jìn)行分析。用氣節(jié)點(diǎn)水力工況分析是從燃?xì)庥脩舻慕嵌瘸霭l(fā)，分析某一特定用戶(用氣節(jié)點(diǎn))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(gè)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(gè)角度提出了改善燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況的措施，但其科學(xué)性和實(shí)用性尚需進(jìn)一步探討[11]。同時(shí)，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?xì)夤芫W(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(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的用氣量這一角度考察問題，其是在已知管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道屬性、管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)期望用氣量(設(shè)計(jì)用氣量)、氣源供氣壓力等參數(shù)條件下，計(jì)算管網(wǎng)中各管道及各用氣節(jié)點(diǎn)的實(shí)際流量、壓力的過程，也是評(píng)價(jià)管網(wǎng)服務(wù)水平與工作性能的基礎(chǔ)。而對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)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(diǎn)與氣源點(diǎn)的連通概率，某一用氣節(jié)點(diǎn)流量為零的概率盡管在形式上可以被認(rèn)為是此點(diǎn)與氣源點(diǎn)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(diǎn)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?xì)夤芫W(wǎng)供氣可靠性

如前分析，燃?xì)夤芫W(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(dú)立，不能利用任一者對(duì)管網(wǎng)的整體功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。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(gè)綜合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——供氣可靠性，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的供氣能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

結(jié)合GB 50153—2008及系統(tǒng)可靠性相關(guān)理論，可將城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的供氣可靠性定義為：在按設(shè)計(jì)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?xì)獍踩煽康厮屯脩舻哪芰Α?duì)城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的供氣可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]，目的在于對(duì)已設(shè)計(jì)或建造的燃?xì)夤芫W(wǎng)，從組成管網(wǎng)的管道單元和拓?fù)浣Y(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(jì)算出管網(wǎng)的故障或完好狀態(tài)的概率，從而得出對(duì)管網(wǎng)工作能力可靠程度的評(píng)價(jià)。

需要特別指出的是，燃?xì)夤芫W(wǎng)的供氣可靠性是一種評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shí)供氣量的維持分?jǐn)?shù)，而是一種概率意義上的對(duì)管網(wǎng)整體供氣能力的綜合評(píng)價(jià)[1]。根據(jù)這種評(píng)價(jià)結(jié)果，可以從管道結(jié)構(gòu)和水力工況兩個(gè)方面來引導(dǎo)改善設(shè)計(jì)或改進(jìn)已建成系統(tǒng)。

6 結(jié)論

城市燃?xì)廨斉涔芫W(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(fù)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(gè)方面。不同角度的可靠性分析是遵循了不同的途徑進(jìn)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(jī)械角度對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)及組成單元進(jìn)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(xué)角度分析管網(wǎng)各用氣節(jié)點(diǎn)壓力、流量的整體工作狀況是否滿足設(shè)計(jì)供氣要求，其側(cè)重點(diǎn)是在個(gè)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(duì)管網(wǎng)供氣量的影響，而實(shí)際上，任一管道的失效都是一個(gè)隨機(jī)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(gè)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是一種概率意義上的對(duì)管網(wǎng)整體供氣能力的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)這種評(píng)價(jià)結(jié)果，可以從管道結(jié)構(gòu)和水力工況兩個(gè)方面來引導(dǎo)改善設(shè)計(jì)或改進(jìn)已建成系統(tǒng)，進(jìn)而更好地促進(jìn)管網(wǎng)供氣功能的發(fā)揮。