本發(fā)明涉及天然氣管道設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于風(fēng)險的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定方法。

背景技術(shù)：

隨著我國油氣管道建設(shè)進(jìn)入第三代，大輸量天然氣管道工程的實施面臨的是世界性難題，采用目前規(guī)范中的許用應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計局限性明顯，為了保證管道的安全可靠、經(jīng)濟有效，需要在設(shè)計方法上進(jìn)行創(chuàng)新。目前，我國正迎來新的一輪管道建設(shè)高峰期，根據(jù)中石油的“十二五”規(guī)劃，將建設(shè)多條大輸量天然氣干線管道，包括西三線、西四線、西五線等，這些管線的設(shè)計輸量均在300億m³/年及以上。

油氣管道設(shè)計可靠度的問題主要表現(xiàn)在超高鋼級管道環(huán)焊縫缺陷容限、施工應(yīng)力的控制、運行期間缺陷檢測周期以及檢測精度等方面。目前采用的基于應(yīng)力的設(shè)計方法，將材料、制造、施工、運行等方面的不確定性(即可靠度)集中在統(tǒng)一的安全系數(shù)中，而安全系數(shù)是根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗和對失效風(fēng)險的定性評估結(jié)果來確定的，并且為已有的規(guī)范，甚至為法律、法規(guī)所采納。雖然這種方法有著直觀、簡單、便于應(yīng)用及為人們廣泛接受等優(yōu)點，但它對新材料使用的可靠度問題卻無法確定；同時，隨著人們對材料的認(rèn)識、失效機理的理解日益加深，管道服役環(huán)境的日益復(fù)雜，其局限性正日益顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1)安全系數(shù)的確定不能反映管材性能水平，其有效性無法被證實和量化；

2)未考慮管道運營維護(hù)技術(shù)和運行作業(yè)的進(jìn)步；

3)不適用于地震、凍土地區(qū)、滑坡等服役環(huán)境下的管道設(shè)計；

4)對于超出經(jīng)驗范圍的技術(shù)缺乏論證其可靠度的依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有天然氣管道可靠性設(shè)計中存在的安全系數(shù)有效性無法被證實、適用范圍有局限性等問題，本發(fā)明提供了一種基于風(fēng)險的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定方法，包括：

建立天然氣管道的多種典型工況，并根據(jù)每種工況下管道受破壞的可能性，建立管道極限狀態(tài)模型；

對所述管道極限狀態(tài)模型進(jìn)行仿真，計算得出每種工況下管道的失效概率；

根據(jù)管道失效事故造成的預(yù)期死亡人數(shù)的可能性，計算得出每種工況下管道的失效后果；

根據(jù)所述失效概率和失效后果，計算得出管道的風(fēng)險水平，并根據(jù)所述風(fēng)險水平，計算出管道目標(biāo)可靠度。

所述根據(jù)每種工況下管道受破壞的可能性，建立管道極限狀態(tài)模型的步驟具體包括：根據(jù)管道受破壞的可能性，獲取每種工況下管道承受的最大抗力和最大荷載；根據(jù)每種工況下的管材性能、腐蝕及運行維護(hù)數(shù)據(jù)，建立管道現(xiàn)狀管材性能、荷載及運行維護(hù)參數(shù)的概率分布模型；根據(jù)每種工況下管道承受的最大抗力和最大荷載，確定管道極限狀態(tài)條件；根據(jù)所述管道極限狀態(tài)條件所對應(yīng)的參數(shù)，以及所述概率分布模型，建立管道極限狀態(tài)模型。

在腐蝕管道非透壁缺陷情況下，所述管道極限狀態(tài)模型為：

g₂＝P_r-P＝B₁P_b+(1-B₁)P₀-B₂σ_u-P

其中，P為管道設(shè)計壓力，MPa；P_b為管道預(yù)測破裂壓力，MPa；P₀為完整管道的破裂壓力，MPa；σ_u為材料的拉伸強度，MPa；t為管道壁厚，mm；d為平均腐蝕深度，mm；D為管道外徑，mm；B₁、B₂為模型偏差系數(shù)；M_t為“Folias”系數(shù)，由下式確定：

其中，L為缺陷的軸向長度，mm。

在腐蝕管道透壁缺陷情況下，所述管道極限狀態(tài)模型為：

g₃＝P_r-P＝B₃P_b-P

其中，P為管道設(shè)計壓力，MPa；P_b為管道預(yù)測破裂壓力，MPa；σ_u為材料的拉伸強度，MPa；t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm；B₃為模型偏差系數(shù)，其服從正態(tài)分布，均值為0.91、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.102；M_t是“Folias”系數(shù)，由下式確定：

其中，L為缺陷的軸向長度，mm。

在管道受第三方挖掘?qū)е鹿艿来┛椎那闆r下，所述管道極限狀態(tài)模型為：

g₁＝r_a-q

q＝8.09w^0.922R_DR_N

其中：r_a為包含模型誤差在內(nèi)的管材抗力值，kN；σ_u為管材抗拉強度，MPa；l_t為斗齒齒尖長度，mm；w_t為斗齒齒尖寬度，mm；q為挖掘機作用力，kN；w為挖掘機的重量，噸；R_D為沖擊系數(shù)，取值為2/3；R_N為沖擊力法向分力系數(shù)，為在0和1之間均勻分布的隨機量；e為模型誤差項，其服從正態(tài)分布，均值為0.833kN、標(biāo)準(zhǔn)偏差為26.7kN。

在管道受第三方挖掘?qū)е鹿艿腊伎?劃傷類失效的情況下，所述管道極限狀態(tài)模型為：

g₂＝σ_c-σ_h

其中，d_d0為零內(nèi)壓時的缺陷深度，mm；m為Folias系數(shù)；σ_c為臨界環(huán)向應(yīng)力抗力；σ_h為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；K_IC為臨界應(yīng)力強度，MPa；q為挖掘機作用力，kN；d_g為劃傷的深度；l_g為劃傷的長度；E為楊氏模量；c_v2/3為2/3尺寸夏比(V型缺口)沖擊試樣的沖擊功值；c_v0為經(jīng)驗系數(shù)，取值為110.3J；a_c為2/3尺寸夏比(V型缺口)沖擊試樣的截面面積，等于53.6mm²；l_t為掘機斗齒齒尖橫截面長度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；Sm為缺陷深度與管道外徑的相關(guān)系數(shù)；Y_b和Y_m均為管道劃傷深度與管道壁厚的相關(guān)系數(shù)；σ_y為管材屈服強度，MPa；σ_u為管材抗拉強度，MPa。

當(dāng)所述社會風(fēng)險水平為固定期望社會風(fēng)險時，所述管道目標(biāo)可靠度的計算公式為：

其中：pl_max和p_rmax分別是管道設(shè)計壽命周期內(nèi)大型泄漏與破裂的最大失效概率；數(shù)值用于描述在大型泄漏與破裂中的不同失效后果模型；D為管道外徑。

當(dāng)所述社會風(fēng)險水平為規(guī)避社會風(fēng)險時，所述管道目標(biāo)可靠度的計算公式為：

其中，R_T為目標(biāo)可靠度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外直徑，mm；ρ為人口密度，人/公頃。

當(dāng)所述社會風(fēng)險水平為個人風(fēng)險水平時，所述管道目標(biāo)可靠度的計算公式為：

其中，P為管道設(shè)計壓力，單位為MPa；D為管道外徑，單位為mm。

所述管道目標(biāo)可靠度的計算公式為：

其中，R_T為目標(biāo)可靠度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外直徑，mm；ρ為人口密度，人/公頃。

本發(fā)明提供的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定方法，通過合理的基于風(fēng)險的方法建立了管道目標(biāo)可靠度，通過用于個人風(fēng)險和社會風(fēng)險的恰當(dāng)判據(jù)，基于可靠性的方法對新建天然氣管道的設(shè)計、施工方案進(jìn)行優(yōu)化，并合理的指導(dǎo)管道后期的運行維護(hù)，以達(dá)到管道全生命周期內(nèi)方案最優(yōu)、費用最省，保持管道全生命周期內(nèi)的風(fēng)險水平一致，對于天然氣管道基于可靠性的設(shè)計技術(shù)工程化具有重要意義。

附圖說明

圖1是本實施例提供的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定方法的流程圖；

圖2是本實施例根據(jù)固定期望社會風(fēng)險得到的目標(biāo)可靠度隨人口密度變化的曲線示意圖；

圖3是本實施例典型設(shè)計工況的F/N曲線示意圖；

圖4是本實施例最佳擬合曲線的斜率；

圖5是本實施例根據(jù)具有風(fēng)險規(guī)避功能的社會風(fēng)險得到的目標(biāo)可靠度隨人口密度的變化曲線示意圖；

圖6是本實施例基于個人風(fēng)險得到的目標(biāo)可靠度隨人口密度變化曲線示意圖；

圖7是本實施例提供的天然氣管道目標(biāo)可靠度包絡(luò)線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。

參見圖1，本發(fā)明實施例提供了一種基于風(fēng)險的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定方法，包括如下步驟：

步驟101：根據(jù)國內(nèi)已建天然氣管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立多種典型工況。

天然氣管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括管道鋼級、地區(qū)等級管段長度、管道外徑、管道工作壓力、管道壁厚、管材性能、管道荷載和運行維護(hù)參數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立了148種典型工況。

步驟102：根據(jù)每種工況下管道因腐蝕和/或第三方挖掘受破壞的可能性，建立管道極限狀態(tài)模型。

根據(jù)管道因腐蝕和/或第三方挖掘受破壞的可能性，獲取每種工況下管道承受的最大抗力和最大荷載；獲取每種工況下的管材性能、腐蝕及運行維護(hù)參數(shù)；根據(jù)每種工況下的管材性能、腐蝕及運行維護(hù)數(shù)據(jù)，建立管道現(xiàn)狀管材性能、荷載及運行維護(hù)參數(shù)的概率分布模型(包括均值和標(biāo)準(zhǔn)差)；根據(jù)每種工況下管道承受的最大抗力和最大荷載，確定管道極限狀態(tài)條件；根據(jù)所述管道極限狀態(tài)條件所對應(yīng)的參數(shù)，以及所述管道現(xiàn)狀管材性能、荷載及運行維護(hù)參數(shù)的概率分布模型，建立管道極限狀態(tài)模型。

根據(jù)每種工況下管道承受的最大抗力和最大荷載，確定管道極限狀態(tài)條件。當(dāng)達(dá)到管道極限狀態(tài)條件時，管道不再能正常運行或可能導(dǎo)致重大安全事故。陸地上天然氣管道的極限狀態(tài)包括極端極限狀態(tài)、泄漏極限狀態(tài)和服役極限狀態(tài)。管道極限狀態(tài)條件所對應(yīng)的參數(shù)包括管外徑、壁厚、管材性能、荷載、缺陷尺寸、以及第三方挖掘破壞設(shè)備信息等。根據(jù)管道極限狀態(tài)條件所對應(yīng)的參數(shù)，以及管道現(xiàn)狀管材性能、荷載及運行維護(hù)參數(shù)的概率分布模型，建立管道極限狀態(tài)模型(包括模型偏差)，并設(shè)置管道失效條件為包含不確定性參數(shù)的函數(shù)。不確定性參數(shù)包括管道的管材性能、幾何參數(shù)及荷載等等。管道極限狀態(tài)模型可采用解析模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ突驍?shù)值模型等多種手段來實現(xiàn)。管道極限狀態(tài)模型為一組基本隨機變量x的數(shù)學(xué)函數(shù)g(x)，其滿足如下條件：當(dāng)管道失效發(fā)生時，g(x)≤0；當(dāng)管道失效未發(fā)生時，g(x)＞0?；倦S機變量包括管道載荷、管外徑、壁厚、管道的機械性能以及缺陷特征等等。

在管道腐蝕的極限狀態(tài)模型中，腐蝕缺陷在任何時間點均被表示為最大軸向長度2c、平均深度d_ave和最大深度d_max。如果腐蝕缺陷的最大深度達(dá)到管道的壁厚，則管道會發(fā)生小滲漏；如果腐蝕缺陷達(dá)到由最大軸向長度與平均深度共同定義的臨界總尺寸，則管道會發(fā)生破裂。對于管道泄漏而言，如果其所產(chǎn)生的裂紋長度超過臨界值，則裂紋會發(fā)生不穩(wěn)定擴展并破裂；否則，只會發(fā)生大的泄漏。

1)在腐蝕管道非透壁缺陷情況下，管道極限狀態(tài)模型為：

g₂＝P_r-P＝B₁P_b+(1-B₁)P₀-B₂σ_u-P

其中，P為管道設(shè)計壓力，MPa；P_b為管道預(yù)測破裂壓力，MPa；P₀為完整管道的破裂壓力，MPa；σ_u為材料的拉伸強度，MPa；t為管道壁厚，mm；d為平均腐蝕深度，mm；D為管道外徑，mm；B₁、B₂為模型偏差系數(shù)；M_t為“Folias”系數(shù)，由下式確定：

其中，L為缺陷的軸向長度，mm。

2)在腐蝕管道透壁缺陷情況下的，管道極限狀態(tài)模型為：

g₃＝P_r-P＝B₃P_b-P (3)

其中，P為管道設(shè)計壓力，MPa；P_b為管道預(yù)測破裂壓力，MPa；σ_u為材料的拉伸強度，MPa；t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm；B₃為模型偏差系數(shù)，其服從正態(tài)分布，均值為0.91、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.102；M_t是“Folias”系數(shù)，由下式確定：

其中，L為缺陷的軸向長度，mm。

3)管道受第三方挖掘情況下的極限狀態(tài)模型

a)管道受第三方挖掘?qū)е鹿艿来┛椎那闆r下，管道極限狀態(tài)模型為：

g₁＝r_a-q

q＝8.09w^0.922R_DR_N (6)

其中：r_a為包含模型誤差在內(nèi)的管材抗力值，kN；σ_u為管材抗拉強度，MPa；l_t為斗齒齒尖長度，mm；w_t為斗齒齒尖寬度，mm；q為挖掘機作用力，kN；w為挖掘機的重量，噸；R_D為沖擊系數(shù)，取值為2/3；R_N為沖擊力法向分力系數(shù)，為在0和1之間均勻分布的隨機量；e為模型誤差項，其服從正態(tài)分布，均值為0.833kN、標(biāo)準(zhǔn)偏差為26.7kN。

b)管道受第三方挖掘?qū)е鹿艿腊伎?劃傷類失效的情況下，管道極限狀態(tài)模型為：

g₂＝σ_c-σ_h (7)

其中，d_d0為零內(nèi)壓時的缺陷深度，mm；m為Folias系數(shù)；σ_c為臨界環(huán)向應(yīng)力抗力；σ_h為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；K_IC為臨界應(yīng)力強度，MPa；q為挖掘機作用力，kN；d_g為劃傷的深度；l_g為劃傷的長度；E為楊氏模量；c_v2/3為2/3尺寸夏比(V型缺口)沖擊試樣的沖擊功值；c_v0為經(jīng)驗系數(shù)，取值為110.3J；a_c為2/3尺寸夏比(V型缺口)沖擊試樣的截面面積，等于53.6mm²；l_t為掘機斗齒齒尖橫截面長度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；Sm為缺陷深度與管道外徑的相關(guān)系數(shù)；Y_b和Y_m均為管道劃傷深度與管道壁厚的相關(guān)系數(shù)；σ_y為管材屈服強度，MPa；σ_u為管材抗拉強度，MPa。

步驟103：對管道極限狀態(tài)模型進(jìn)行模擬仿真，計算得出每種工況下管道的失效概率。

在具體應(yīng)用中，采用計算結(jié)果更加準(zhǔn)確的蒙特卡洛方法對管道極限狀態(tài)模型進(jìn)行模擬仿真，計算得出每種工況下管道的失效概率?；诠艿缹嶋H工況，計算每千米破裂引起的管道年失效概率，P_{rup i}；計算每千米大泄漏引起的管道年失效概率，P_{LL i}；以及，根據(jù)國內(nèi)已建油氣管道所對應(yīng)的相對長度，并按不同地區(qū)、鋼級、壓力、壁厚來共同確定管道的權(quán)重系數(shù)。P_rup和P_LL的值等于腐蝕與第三方設(shè)備撞擊極限狀態(tài)引起的失效概率之和的1.5倍。P_LL為管道發(fā)生泄漏的失效概率，P_rup為管道發(fā)生破裂的失效概率，P_i為總的失效概率。

P_rup＝1.5(P_rup,cor+P_rup,EI)；P_LL＝1.5(P_LL,cor+P_LL,EI)

P_i＝P_rup,i+P_LL,i(i＝1，2，3……，148)

步驟104：根據(jù)管道失效事故造成的預(yù)期死亡人數(shù)的可能性，計算出每種工況下管道的失效后果。

天然氣管道失效后果主要是由潛在的介質(zhì)釋放對附近人群的沖擊所決定的，因此失效后果可以定義為失效事故造成的預(yù)期死亡人數(shù)N：

N＝p_ia_hρτ (13)

其中，p_i為著火概率；a_h為失效事故影響范圍；ρ為人口密度；τ為實際占有概率(失效事故發(fā)生時，公眾出現(xiàn)在事故影響范圍內(nèi)的概率)。

破裂引發(fā)著火的概率與管道的直徑呈線性關(guān)系：p_i＝4.92×10^-4D (14)

大泄漏引發(fā)著火的概率，有效泄漏率取峰值初始泄漏率(假設(shè)管道壓力保持不變)，著火概率p_i為0.1。

管道失效事故影響范圍的確定：建立天然氣管道的泄漏危害模型，危害區(qū)域假定為圓形。天然氣的釋放率是孔徑和壓力的函數(shù)。對于破裂，有效的釋放率是峰值初始速度的1/3，這是因為全面釋放過程中壓力的快速降低。這個模型需要計算熱強度I，它是一個釋放率和距離失效地點距離的函數(shù)；在這個模型中，將火焰理想化為一個以火焰中等溫度穩(wěn)態(tài)釋放熱量的發(fā)射器。在危害區(qū)域半徑r_i的范圍內(nèi)，熱強度超過了確定的門檻值I，可如下計算：

式中，P是管道設(shè)計壓力，D為管道外徑，系數(shù)c₁等于0.1547kw/m²-Pa。

兩個危害區(qū)域和相應(yīng)的半徑定義了對應(yīng)的熱強度I的上下限門檻值。對于室外情況，下限門檻值和上限門檻值分別是12.6kw/m²和31.6kw/m²；對于室內(nèi)情況，下限門檻值和上限門檻值分別是15.8kw/m²和31.6kw/m²。在上限門檻值確定的范圍內(nèi)，假定致死率是100％；在下限門檻值確定的范圍外，致死率是0；在上限門檻值和下限門檻值之間確定的范圍內(nèi)，室外的致死率是50％，室內(nèi)的致死率是25％。

當(dāng)管道發(fā)生破裂失效事故時，造成的預(yù)期死亡人數(shù)N_RU為：

其中，r_i-0和r_i-100分別為室內(nèi)下限熱強度和上限熱強度的危害半徑，r_o-0和r_o-100分別為室外下限熱強度和上限熱強度的危害半徑，P_in和P_out分別為室內(nèi)和室外占用時間的比例。為了確定管道沿線人員的室內(nèi)外占用時間的比例，對國內(nèi)已建天然氣管線進(jìn)行了調(diào)研和統(tǒng)計分析，確定人員在位的頻率為40％(實際占有概率)，室內(nèi)和室外占用時間的比例分別為80％和20％。通過公式(16)可得管道發(fā)生破裂失效事故時造成預(yù)期的死亡人數(shù)為：

N_rup＝4.07×10^-10ρPD³ (17)

其中，ρ是每公頃的人口數(shù)(人口密度)，P的單位為MPa，D的單位為mm。

采用上述方法，可計算單個孔洞的大泄漏的預(yù)期死亡人數(shù)。有效泄漏率取峰值初始泄漏率(假設(shè)管道壓力保持不變)，著火概率p_i為0.1。N_LL是管道泄漏造成的預(yù)期死亡人數(shù)；d_h是孔洞的直徑，計算中假定其特征值為50.8mm；τ為實際占有概率；a_h＝πr_i²；公式(15)中D為孔洞直徑為d_h。將上述數(shù)據(jù)代入公式(13)、公式(15)及公式(16)，得到管道發(fā)生大泄漏失效事故時的預(yù)期死亡人數(shù)N_LL：

步驟105：根據(jù)每種工況下管道的失效概率和失效后果，計算得出管道的風(fēng)險水平。

采用基于風(fēng)險的方法可以保證管道各個部分的風(fēng)險一致。根據(jù)風(fēng)險的定義，風(fēng)險r等于失效概率與失效后果的乘積，其表達(dá)式如下所示：

r＝p_f×c (19)

式(19)中，p_f是管道每千米每年的失效概率，c是失效后果的度量。例如，c可以用每次失效的死亡數(shù)量來表示，在這種情況下，r就用每千米每年的死亡人數(shù)來表示。最大允許失效概率p_max，可如下定義：

p_max＝r_max/c (20)

所有天然氣管道的設(shè)計工況每個長度單元總的基于可靠性的設(shè)計和評價的后果，涉及設(shè)計工況的權(quán)重系數(shù)下的失效后果，由下式進(jìn)行計算：

其中，P_rup,i與P_LL,i由前式可以得出，地區(qū)等級j(j＝1,…,4)每千米管道總的失效后果，或者每個地區(qū)等級平均權(quán)重系數(shù)由下式得出：

其中w_j為不同地區(qū)等級總的權(quán)重系數(shù)：

計算所得國內(nèi)天然氣管道風(fēng)險水平值為Σw_jr_j。

步驟106：根據(jù)風(fēng)險水平，建立天然氣管道目標(biāo)可靠度計算公式。

管道目標(biāo)可靠度R_T，定義為每千米管道不會失效的年概率，可如下計算：

R_T＝1-p_max＝1-r_max/c (21)

由上式(20)和(21)可以看出，管道目標(biāo)可靠度是失效后果c和年最大允許風(fēng)險水平r_max的函數(shù)。因此，建立管道目標(biāo)可靠度需要適當(dāng)?shù)氖Ш蠊Ｐ秃湍曜畲笤试S風(fēng)險水平(即可接受風(fēng)險水平)。

基于天然氣管道風(fēng)險水平的三個風(fēng)險準(zhǔn)則：固定期望社會風(fēng)險、規(guī)避社會風(fēng)險和個人風(fēng)險，管道目標(biāo)可靠度計算公式進(jìn)一步包括：

1)基于固定期望社會風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度，采用固定年最大允許風(fēng)險水平r_max來計算目標(biāo)可靠度。為了計算預(yù)期死亡人數(shù)的平均值，對于每種設(shè)計工況，采用大型泄漏和破裂的失效概率乘以相應(yīng)的預(yù)期死亡人數(shù)，然后求和；還要用到單獨設(shè)計案例以及相應(yīng)的權(quán)重因子，計算所有設(shè)計案例的平均預(yù)期死亡人數(shù)。這個計算針對腐蝕和設(shè)備沖擊，相應(yīng)的結(jié)果乘以1.5，得到所有失效情況的預(yù)期死亡人數(shù)，用于r_max的評估。

為了建立等效的風(fēng)險等級，將等效破裂的失效概率定義為大型泄漏的失效概率乘以一個數(shù)值介于大型泄漏失效后果c_LL和破裂失效后果c_RU之間的系數(shù)，并假設(shè)與大型泄漏有關(guān)的孔洞直徑為50mm。介于大型泄漏失效后果和破裂失效后果之間的系數(shù)c_r可以通過下式計算：

在這種情況下，通過確?！暗刃屏选迸c破裂的失效概率之和小于最大允許失效概率方式到達(dá)目標(biāo)可靠性，即：

目標(biāo)可靠度R(每千米每年)由下面的公式計算得出：

其中：p_lmax和p_rmax分別是設(shè)計案例壽命周期內(nèi)(50年)大型泄漏與破裂的最大失效概率；數(shù)值用于描述在大型泄漏與破裂中的不同失效后果模型。

根據(jù)國內(nèi)統(tǒng)計的148種設(shè)計典型工況和確定的管道社會風(fēng)險水平，通過目標(biāo)可靠度計算公式和管道失效后果模型，計算得到的基于固定期望社會風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度隨ρPD³變化的曲線如圖2所示。

2)基于規(guī)避社會風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度與固定期望社會風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度的計算推導(dǎo)原理相同，采用設(shè)計案例定義F/N關(guān)系(N為死亡人數(shù)，F(xiàn)為N人死亡事故發(fā)生概率)，并使用這個結(jié)果建立適當(dāng)?shù)氖Ш蠊Ｐ?，用于建立相?yīng)的目標(biāo)可靠度。

本實施例使用的失效后果模型將管道事故的死亡人數(shù)定義為確定值n，每種設(shè)計典型工況的F/N曲線是個階梯函數(shù)：

式(25)中，p是管道事故引起n個人死亡的概率(每千米每年)。F/N階梯函數(shù)的圖形完全由點(n,p)來確定。圖3示出了所有設(shè)計典型工況n與p的關(guān)系圖。本實施例將各種設(shè)計典型工況定義為含有非零權(quán)重因子的案例。

使用N的確定值代表管道破裂引起的死亡人數(shù)是一種近似處理。實際上，N的數(shù)值具有不確定性，這主要是由破裂時危害區(qū)域內(nèi)的人口數(shù)的變化而引起的。根據(jù)相關(guān)研究，與不同管道之間的死亡人數(shù)N的差別相比，這種人口數(shù)的變化非常小。由于N只是用于確定風(fēng)險規(guī)避趨勢，因此對于具體的設(shè)計典型工況，在建立F/N關(guān)系時可以忽略N數(shù)值的不確定性。

圖4中最佳擬合曲線的斜率表示國內(nèi)天然氣管道平均風(fēng)險，最佳擬合曲線的斜率為-1.65,則失效后果可如下表示：

c＝N^1.65 (26)

根據(jù)國內(nèi)統(tǒng)計的148種設(shè)計典型工況和確定的管道社會風(fēng)險水平，通過目標(biāo)可靠度計算公式和管道失效后果模型，計算得到基于規(guī)避社會風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度的計算公式為：

其中，R_T為目標(biāo)可靠度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外直徑，mm；ρ為人口密度，人/公頃。管道目標(biāo)可靠度隨ρPD³變化的曲線如圖5所示。

3)基于個人風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度的計算公式推導(dǎo)過程如下：

位于管道危險區(qū)內(nèi)的個人因管道事故年致死概率的個人風(fēng)險r_id可以按下式計算：

r_id＝pp_iL_irτ (27)

其中，p為失效概率；p_i為點燃概率；L_ir為所謂的相互作用長度，該長度定義為事故有可能影響所考慮位置的管段長度；τ為占用概率。

與危險區(qū)類似，相互作用長度是管道直徑、壓力和熱輻射強度閾值的函數(shù)。對于全部時間都處于管道線路上的個人，規(guī)定危險閾值條件下的相互作用長度等于危險區(qū)的直徑。這樣，對于破裂而言，相互作用長度可以按公式(14)中給定的危險區(qū)直徑計算；而對于泄漏而言，可以用模擬關(guān)系進(jìn)行計算?？紤]到討論的100％致死閾值和0％致死閾值以及室內(nèi)/戶外暴露時間，破裂和大型泄漏條件下的等價相互作用長度和可以按下式計算：

個體風(fēng)險定義為管道事故對危害區(qū)域內(nèi)個人的致死概率，可如下計算：

r_id＝pp_iL_irτ (28)

式中，p是失效概率；p_i是著火概率；L_ir是影響長度，定義為事故影響的管段長度；τ是占有率。

p_i的計算公式仍為：

p_i＝4.92×10^-4D (29)

式中管道外直徑D，單位為mm。

與危害區(qū)域相似，影響長度L_ir是管道直徑、運行壓力和熱強度門檻值的函數(shù)。對于100％在管道沿線的個人，具體的危害門檻值的影響長度等于危害區(qū)域的直徑。這樣，就可以根據(jù)公式(15)，計算破裂以及泄漏的相似關(guān)系式計算影響長度。根據(jù)上述討論的100％和0％致死率門檻值以及室內(nèi)室外暴露時間，破裂和泄漏的等效影響長度可如下計算：

首先計算室內(nèi)、室外100％、0％致死概率的半徑

式中，P單位為MPa，D單位為mm，r_{100,內(nèi)}、r_0,內(nèi)、r_100,外、r_0,外分別表示室內(nèi)、室外100％、0％致死概率的影響半徑。

根據(jù)致死概率分布得到室內(nèi)室外的影響長度：

室內(nèi)：

室外：

上述兩式暗含的假設(shè)是在0％-100％致死率的區(qū)間，室內(nèi)的致死率認(rèn)為是25％，室外認(rèn)為是50％。根據(jù)人員在室內(nèi)(80％)、室外(20％)的概率，最終確定破裂的影響長度為：

式中，L_ir單位km，管道外直徑D單位為mm，管道運行壓力P單位MPa。

對于泄漏的影響長度，有

式中，泄漏影響長度單位km，泄漏孔直徑d_h單位為mm；壓力P單位MPa。

仍以破裂作為主要危險因素，可知每千米失效概率p的表達(dá)式為

因此，基于個人風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度計算公式為：

個人因管道事故年致死概率的個人風(fēng)險r_id的可接受準(zhǔn)則r_max(已經(jīng)考慮占有概率τ)為：年致死率一級地區(qū)10^-4、二級地區(qū)10^-5、三級地區(qū)和四級地區(qū)均是10^-6。這樣可得出基于個人風(fēng)險的管道每千米每年目標(biāo)可靠度為：

式(40)中，P的單位為MPa，D的單位為mm。

圖6示出了基于個人風(fēng)險的管道目標(biāo)可靠度隨ρPD³變化的曲線示意圖。圖6中目標(biāo)可靠度沒有趨近于一條直線，這是因為個人風(fēng)險定義為不同類型地區(qū)人口密度的階躍函數(shù)(而不是連續(xù)線性函數(shù))。作為一種近似，可以選擇如圖6所示的單個有代表性的標(biāo)準(zhǔn)。所選的直線是1類、2類和3、4類基于個人風(fēng)險的目標(biāo)可靠度的近似平均。

管道的目標(biāo)可靠度應(yīng)統(tǒng)籌考慮基于個人風(fēng)險的目標(biāo)可靠度、基于固定期望社會風(fēng)險的目標(biāo)可靠度以及基于規(guī)避社會風(fēng)險的目標(biāo)可靠度。為了同時滿足以上三個風(fēng)險準(zhǔn)則所確定的目標(biāo)可靠度，管道的目標(biāo)可靠度應(yīng)由圖7所示所有目標(biāo)的上限(包絡(luò)線)來確定。根據(jù)目標(biāo)可靠度包絡(luò)線圖，擬合出三個風(fēng)險準(zhǔn)則的公式(用指數(shù)擬合，在對數(shù)坐標(biāo)上是直線)，并推出這三個公式的包絡(luò)圖(最保守情況)。管道最終極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度計算公式為：

式(41)中，R_T為目標(biāo)可靠度；P為管道設(shè)計壓力，MPa；D為管道外直徑，mm；ρ為人口密度，人/公頃。

其中，管道小孔泄漏極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度應(yīng)大于等于1-10^－4/km.年，管道服役極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度應(yīng)大于等于1-10^－1/km.年。

下面給出本實施例基于風(fēng)險的天然氣管道目標(biāo)可靠度確定的應(yīng)用實例：

以西氣東輸二線西段霍爾果斯首站至烏蘇壓氣站為例進(jìn)行管道目標(biāo)可靠度計算。該線路段管道基本參數(shù)如下：管外徑，1219mm；鋼級，X80；地區(qū)等級，一級地區(qū)；管道線路實長，350km；管道沿線人口密度，0.33人/每公頃；設(shè)計壓力，12MPa。將上述參數(shù)代入公式(41)中，得到西氣東輸二線西段霍爾果斯首站至烏蘇壓氣站線路段可允許的失效概率為5.09×10^-6，目標(biāo)可靠度為0.9999949117。在西氣東輸二線西段霍爾果斯首站至烏蘇壓氣站線路段管道的可接受風(fēng)險水平保持一定時，估算管道發(fā)生失效的概率，然后將管道的可接受失效概率作為失效概率評估的判據(jù)，評判管道的失效概率是否可以接受。可接受失效概率是管道失效概率評估的評判法則，也是采用降低管道失效措施與否的重要決策參考，這對管道建設(shè)和運營有著重要的指導(dǎo)意義。

本發(fā)明實施例利用合理的基于風(fēng)險的方法建立了管道目標(biāo)可靠度，通過用于個人風(fēng)險和社會風(fēng)險的恰當(dāng)判據(jù)，基于可靠性的方法對新建天然氣管道的設(shè)計、施工方案進(jìn)行優(yōu)化，并合理的指導(dǎo)管道后期的運行維護(hù)，以達(dá)到管道全生命周期內(nèi)方案最優(yōu)、費用最省，保持管道全生命周期內(nèi)的風(fēng)險水平一致，對于天然氣管道基于可靠性的設(shè)計技術(shù)工程化具有重要意義。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。