城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法与流程

本发明涉及燃气埋地管网系统风险评价领域，尤其涉及一种城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法。

背景技术：

城市燃气管网系统是城市基础设施的重要组成部分，它的安全运行关系着人民生命财产安全，关系着社会稳定大局。随着我国城市化的不断推进，城市居民生活水平也在不断提高，城市燃气的应用也越来越广泛。城市燃气管网犹如人体的血管，在给人们生产生活带来方便的同时，由于其易燃、易爆和有毒性，极易引发安全事故。近几年来，因燃气管网超龄服役、维护不当、第三方破坏、土壤腐蚀等原因，导致城市燃气在使用过程中产生的泄漏爆炸事故层出不穷。据统计，2013年全国共发生燃气爆炸事故220余起，事故造成死伤1000余人，经济损失达8.5亿元。2014年中国台湾高雄“8.1”地下燃气管道泄漏爆炸事故，造成30人死亡，310人受伤。2015年不完全的统计显示，我国共发生燃气爆炸事故658次，造成1000余人受伤，116人死亡。

燃气爆炸是一种破坏性极强的事故，一旦发生，在满足一定的条件下，可能引发事故的多米诺效应，使得事故风险进一步扩大。城市人口密集、高楼林立、各种管网错综复杂，造成事故的危险源往往不是单一的。城市燃气管网泄漏爆炸事故形成的风险，可以应用多种定量风险评价方法进行评价，包括模糊综合评判、灰色理论、粗糙集理论等，已有成熟的爆炸事故理论模型，能够计算出爆炸事故的个人风险和社会风险。当考虑事故多米诺效应时，能够计算出二次以上事故风险。上述评价方法能够计算单一危险源存在时燃气管网泄漏爆炸事故风险，但尚未考虑多个危险源存在时形成的事故风险。即在计算燃气泄漏爆炸事故风险时，需要考虑不同危险源形成风险的叠加效应和风险的传播规律，由此制定的控制措施才可能达到预防和控制事故发生的目的。

燃气泄漏扩散导致的爆炸事故形成的风险区域可以用“场”来描述。经典场论中关于“场”的定义为：如果区域内的每一点，都对应着一个作用或效应，就说在这区域内存在一个场，而叠加原理和传播规律是场的基本规律。场的应用很普遍，既有引力场、电磁场等物理经典场，也有温度场、浓度场以及工程项目风险场等广义场。危险源的周围存在着风险，并且具有一定分布，可以称为风险场。若利用经典物理场的基本理论，结合泄漏气体爆炸事故机理，解决多个危险源共同作用时风险叠加原理和传播规律，不仅可以拓展风险评价理论的研究范围，丰富定量风险评价技术与方法，还可以为科学制定事故救援方案、预案提供合理化建议，达到减少人员伤亡，降低经济财产损失的目的。

对于燃气管网泄漏爆炸形成的风险场的研究，国外学者把它视为区域风险定量评价的一种描述。自20世纪70年代以来，欧美等国家先后将定量风险评价方法应用于石油化工领域的整体风险评估与安全规划中。目前欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等国家主要采用“基于后果”和“基于风险”的两种评价方法进行风险评价。“基于后果”法是基于对假定事故后果的评估，以事故后果的物理量的阈值作为安全规划依据，而不考虑事故发生的可能性。“基于风险”法综合评估潜在事故后果的严重度和可能性，以个人和社会风险作为规划依据，在风险分析方面更全面。

在国内，早在2000年，有关学者即提出灾场(风险场)的概念，指出灾场是超越灾区时空的灾害辐射及影响区域。其后一些学者对风险场进行了研究，例如黄沿波博士提出基于三维风险场的评价理论研究，进一步明确了风险场的概念，并对风险场的叠加原理进行了初步的探讨。周爱霞博士对堤防保护区洪灾风险分布进行了讨论，并制作了洪灾风险空间分布图。王妤甜等对城市风险场进行了有益的探索，指出矢量分析与场论相互结合，不但可以描述风险的三维分布，而且可以量化风险的叠加效应，是建立公共场所三维风险场的可行且有效的方法。成均伟对建筑施工区域风险进行了研究，并构建了单体建筑风险分析模型，确定了单体建筑的风险影响梯度，提出了建筑施工区域总风险的计算方法。

目前在城市燃气管网泄漏爆炸事故风险场方面，国内外学者均表现出对风险场研究的重视，但对它的研究还处于萌芽阶段，远未能形成风险场理论，主要存在以下问题：(1)借鉴电场、磁场等物理场的概念和理论，通过类比分析直接应用于风险场，而未对其科学性进行研究。在城市燃气管网泄漏爆炸事故中引入风险场是一种尝试和创新，要形成完整的风险场理论，首先需要明确风险场的基本特征，即风险场的场强、场力和场势跟哪些因素有关系，有什么关系；在这个方面，可以借鉴非常成熟的经典物理场理论，但目前对于个人风险和社会风险相关属性的研究尚未明朗，不能简单运用矢量或标量合成的办法进行风险叠加。同时，利用实验研究验证风险场的科学性，需要进行复杂的爆炸试验，难度较大。(2)没有对风险场的叠加原理和传播规律进行研究。实际生产生活中，风险往往来源于多个危险源，在已知每个危险源的风险场分布的情况下，怎样快速计算出多个危险源在每个位置形成的风险显得特别重要，需要考虑风险场的叠加原理和传播行为。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法，能够对多个风险源进行叠加，得到多个风险源作用下的个人风险值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法，包括：

确定城市燃气埋地管网系统中的基本参数指标；

根据基本参数指标，计算发生泄漏事故时，泄漏孔的失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率；

根据泄漏孔的失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率来计算相应的个体风险值；

根据计算到的个体风险值，绘制埋地管道个体风险三维场等值面。

计算泄漏孔的失效概率包括：

根据基本参数指标确定泄漏孔的三种形式：小孔洞、中孔洞和大孔洞；其中，泄漏孔孔径＜5％D，即为小孔洞；泄漏孔孔径为5％D～20％D，即为中孔洞；泄漏孔孔径＞20％D，即为中孔洞；式中，D为管径；

则这三种泄漏孔形式对应的失效概率经过修正后的公式分别为：

小孔洞：λ_s,EI,d＝0.001e^{-4.18D-2.18562}；

中孔洞：λ_m,EI,d＝0.001e^{-4.12D-2.02841}；

大孔洞：λ_g,EI,d＝0.001e^{-4.05D-2.13441}。

中毒导致的个体死亡率P_r计算公式为：

P_r＝a+b ln(cⁿt_l)；

式中，c表示根据泄漏孔形式确定的有毒物质的浓度；t_l表示接触时间；a、b与n均与毒物种类有关的常数；

点燃爆炸导致的个体死亡率P_rr计算公式为：

P_rr＝-14.9+2.56ln(Q^4/3×10^-4×t_p)；

式中，Q表示根据泄漏孔形式确定的辐射剂量，t_p为辐射场中的暴露时间；

其中，t_p采用下述公式计算：

式中，t_r表示个人反应时间，x₀表示个人距火焰中心的距离，v表示个人的逃生速度，x_s表示火焰中心距离热辐射通量为1KW/m²处的距离。

所述根据泄漏孔的失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率来计算相应的个体风险值的公式为：

上式中的，λ_i为泄漏孔失效概率，P_i为相应的中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率；K表示环境对泄漏产生的风险源的修正系数，s为环境影响因素总个数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用等值线的概念，给出了三维风险场的三维等值面的形状；风险场的个人风险等值面更能够清楚地表达空间场的风险大小分布，具有直观、清晰、全面的特点，从而可以指导发生事故后的救援工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法流程图；

图2为本发明实施例提供的三维风险场的个人风险空间分布图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种城市燃气埋地管网系统风险的三维评价方法流程图。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、确定城市燃气埋地管网系统中的基本参数指标。

本领域技术人员可以理解，基本参数指标可以利用常规方式测量得到，包括：管道管径，管道位置，泄漏孔孔径大小，有毒物质的浓度，与有毒物质接触时间，热辐射剂量等。

其中，可以根据泄漏孔孔径大小分为小孔洞、中孔洞和大孔洞这三种形式，区分方式如下：泄漏孔孔径＜5％D，即为小孔洞；泄漏孔孔径为5％D～20％D，即为中孔洞；泄漏孔孔径＞20％D，即为中孔洞；式中，D为管径。

步骤12、根据基本参数指标，计算发生泄漏事故时，泄漏孔的失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率。

本发明实施例中，需要考虑泄漏孔的形式，以及不同形式的泄漏孔对应的失效概率、中毒与点燃爆炸导致的个体死亡率；具体如下：

1、失效概率。

对于城市燃气埋地管道而言，其发生事故的特征符合浴盆曲线，也就是建设初期和运行后期因为处于磨合和接近服役寿命而不断地发生各种事故或故障，在中间稳定期内事故发生概率低，事故时间间隔服从参数为K的指数分布：不发生失效的概率(x＝0)为：P_λ(x＝0；λT)＝e^-λT根据事件发生概率性质，可得到发生事故的概率为：P′_λ＝1-P_x(x＝0；λT)＝1-e^-λT。

然而，上式在实际的计算过程中，没有充分考虑各种突发的情况，仅仅只是考虑了管道的主体。但是城市燃气埋地管道系统包括泵站、阀门、设备等的很多方面，根据实践中对事故的统计，主体原因引起失效占整个失效事故的46％，由装置、机械结合点及焊缝等原因占20％，34％归因于系统的附属设备。所以失效概率评估要综合考虑各个方面的影响，即可以用材料、装配、覆盖层厚度、阴极保护等因素相关参变量的函数来表示。但是失效概率不是一个常数，与失效模式、本身性质和周围的环境相关，因此要通过某些修正因子对失效概率计算进行修正。由事故统计可知，外力破坏是引起失效事故的主要因素，由此引起的失效概率可计算为：

λ'_p,EI,d＝λ_P,EI,d×Q_E×F×K_DC×K_WT×K_PD×K_PM

其中，λ_p,EI,d表示因外力破坏引起的随管径变化的失效概率，Q_E表示与焊接相关的修正系数，F表示与管龄相关的修正系数，K_DC表示覆盖层厚度的修正系数，K_WT表示管壁厚度的修正系数，K_PD表示所在地人口密度修正系数，K_PM表示管理预防措施修正系数；

焊接修正系数Q_E的表达式为：Q_E＝A'×N×1.75，式中，A'表示焊接脆弱系数(，意思是焊缝相对于本体而言更易失效，可以取值50)，N表示系统的焊接数量。

示例性的，覆盖层厚度、管壁厚度、人口密度以及预防措施修正系数可以采用下表1所示的数值。

表1 各参数修正系数的数值

表1中的dc为覆盖层厚度，t为管壁厚度；t_min为最小管壁厚度，D与t_min的可以采用下表2所示的数值。

表2 D与t_min的数值

本领域技术人员可以理解，上述表1～表2中各个参数的取值仅为举例，并非构成限制；在实际应用中，用户可根据需求或者经验来设置相关参数的具体数值。

失效概率经过修正后的公式：

小孔洞：λ_s,EI,d＝0.001e^{-4.18D-2.18562}；

中孔洞：λ_m,EI,d＝0.001e^{-4.12D-2.02841}；

大孔洞：λ_g,EI,d＝0.001e^{-4.05D-2.13441}。

2、中毒导致的个体死亡率

中毒导致的个体死亡率P_r计算公式为：

P_r＝a+b ln(cⁿt_l)；

式中，c表示根据泄漏孔形式确定的有毒物质的浓度(具体数值可以根据实际情况确定，例如，在不考虑其他因素的情况下，小孔洞泄漏量相对较少则浓度较低，大孔洞泄漏量相对较多则浓度较高，中孔洞泄漏量与浓度介于二者之间)；t_l表示接触时间；a、b与n均与毒物种类有关的常数；示例性的，针对人工煤气，可以设定a＝0.54，b＝1.01，n＝0.5。

3、点燃爆炸导致的个体死亡率。

点燃爆炸导致的个体死亡率P_rr计算公式为：

P_rr＝-14.9+2.56ln(Q^4/3×10^-4×t_p)；

式中，Q表示根据泄漏孔形式确定的辐射剂量(单位W/m²具体数值可以根据实际情况确定，例如，在不考虑其他因素的情况下，小孔洞泄漏量相对较少则辐射剂量较低，大孔洞泄漏量相对较多则辐射剂量较高，中孔洞泄漏量与辐射剂量介于二者之间)，t_p为辐射场中的暴露时间；

其中，t_p采用下述公式计算：

式中，t_r表示个人反应时间(可取值5s)，x₀表示个人距火焰中心的距离(单位，m)，v表示个人的逃生速度(可取值4m/s)，x_s表示火焰中心距离热辐射通量为1KW/m²处的距离(单位，m)。

步骤13、根据泄漏孔的失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率来计算相应的个体风险值。

个体风险值可以采用工程数学的方式进行计算(具体在后文进行介绍)，本发明实施例在计算个体风险值时，需要根据实际情况确定泄漏孔的形式，例如，由管道断裂导致的泄漏事故，泄漏孔孔径为100％(也即＞20％D)。

本领域技术人员可以理解，在泄漏事故发生之后会产生一些风险源，而这些风险源产生的风险与泄漏孔的形式有关，所以可以根据泄漏孔的形式来计算相应的泄漏孔失效概率，以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率，进而计算这些风险源共同作用下(即叠加后)个体风险值RI。

基于前文介绍，个体风险值的计算公式为：

上式中的，λ_i为泄漏孔失效概率(根据实际情况选择前文的相应的公式)，P_i为相应的中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率；K表示环境对风险源的修正系数，环境影响因素主要有温度、压强、风向、地面粗糙程度、地形分布等，此值根据不同的事故，取不同的值。环境影响因素往往是多个因素共同作用的结果，故它们的关系用乘法表示，s为环境影响因素总个数。

步骤14、根据计算得到的个体风险值，绘制埋地管道个体风险三维场等值面。

本领域技术人员可以理解，三维场等值面可以利用常规方式来绘制。

另一方面，还可以运用工程数学中场论理论，推导空间点个人风险叠加值，然后根据计算出的个体风险值，绘制埋地管道个体风险三维场等值面。下面主要介绍个人风险值的计算过程：

假设存在两个风险源A(0,0,0)和B(x₁,y₁,z₁)，以AB连线为X轴，Y轴定义为过A点垂直于X轴的直线，计算在空间一点P(x，y，z)的风险强度，点P与A、B的连线为和将A、B产生的风险强度矢量在各个坐标轴上进行投影，然后叠加；用符号表示某一点的个人风险，于是可得在A、B相对于点P的个人风险值为：

上式中，i、j、k分别为x、y、z在空间中的方向向量；K表示环境风险源的修正系数，环境影响因素主要有温度、压强、风向、地面粗糙程度、地形分布等，此值根据不同的事故，取不同的值。环境影响因素往往是多个因素共同作用的结果，故它们的关系用乘法表示，s为环境影响因素总个数。

则风险源叠加A、B后P的个体风险值为：

本领域技术人员可以理解，根据上述风险源A、B的坐标可知，风险源A是源生场，而风险源B是由源生场衍生出来的派生场。

为了便于理解，下面结合一具体示例对本发明上述方案做详细说明。

步骤一：确定燃气管道基本情况各参数指标，包括管道管径，管道位置，泄漏孔孔径大小，有毒物质的浓度，与有毒物质接触时间，热辐射剂量等。

管道管径为600mm，管道位置分为三种情况：埋地的燃气管道、裸露在外且周围无障碍物的管道、裸露在外且周围有障碍物的管道。该段管道由于服役时间较长，故经常出现泄漏失效事故，泄漏失效有三种类型分别是小孔泄漏，等效孔径为20mm；中孔泄漏，等效孔径为100mm；大孔泄漏，等效孔径为400mm。有毒物质的浓度待测，与有毒物质接触时间待测，热辐射剂量可以用泄漏燃气质量的90％作为参与燃烧的部分所释放出来的热量表示。Q＝m₁H_c＝0.9mH_c，其中H_c可以用甲烷的燃烧热表示，H_c＝5.56×10⁷J/kg。

步骤二：根据步骤一中测定的参数，求出发生泄漏事故的管道失效概率以及中毒或者点燃爆炸导致的个体死亡率，见下表3。

步骤三：根据步骤二的结果计算个体风险值；见下表3。

表3 管道失效概率、中毒、点燃爆炸导致的个体死亡率以及相应的个体风险值

步骤四：以埋地管道为例，根据各个体风险值，画出埋地管道个体风险三维场等值。如附图2所示。从图可以得到，空间某点的风险分布是半椭球形的。纵向高度表示空间某点风险大小。通过风险等值面图，可以很清楚地了解到离泄漏源不同距离的风险大小，从而为安全管理和应急救援提供重要的指导依据。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。