作者：张伟明，梁海滨，李琦，伍颖
第一作者单位：中石油昆仑燃气有限公司燃气技术研究院
摘自《煤气与热力》2023年11月刊
张伟明，梁海滨，李琦，等. 城镇燃气管网地震易损性评估指标体系研究［J］. 煤气与热力，2023，43（11）：B01-B12.
城镇燃气管道作为国民经济发展和人民生活保障的资源和能源大动脉，具有城市生命线的重要地位［1］。我国是地震频发国家，随着城镇燃气管网密度以及规模不断扩大，面对地震这种随机性、毁坏力强的自然灾害，单靠震后被动治理不能有效地降低地震带来的损害，需提高抗震应急处理水平和震后抢险能力。地震波传播引起的地面变形，会直接对管道造成破坏，而地震造成的液化、滑坡和地面破坏，可能间接导致燃气管网受损而失效［2］。城镇燃气管网遭到地震破坏后，可能出现燃气泄漏，引发爆炸、火灾等一系列严重后果，对城镇居民的生命、财产安全造成巨大影响。目前国内外已发生多起地震造成的燃气管道震害事故。2008年汶川地震造成燃气管网严重破坏，建筑较多区域的燃气管道被毁坏的程度较为严重［3］。美国的加利福尼亚、意大利、希腊、土耳其、日本和新西兰，这些地区的震害记录表明，埋地管道很容易受到地震的影响［4］。目前，国内尚未建立城镇燃气管网地震易损性评估指标体系。本文旨在通过构建城镇燃气管网震害故障树，建立城镇燃气管网地震易损性评估指标体系，可根据管网的地震易损性评估结果，优化区域安全管理措施，减小管道震害风险，提高城镇燃气管网的整体安全管理水平。地震易损性最初是在土木工程领域提出的，指地震作用下结构发生破坏的概率［5］。在本文中，地震作用下的结构指的是城镇燃气管网，由于城镇燃气管网的复杂性，无法定量描述结构发生破坏的概率，故将地震易损性原本的定量描述修改为定性描述，即采用破坏程度刻画地震作用下的城镇燃气管网的抗震性能。结合地震易损性定义，可将城镇燃气管网地震易损性定义为：在不同强度地震作用下城镇燃气管网发生各种破坏状态的程度。灾害易损性分析是一种评估灾害影响下结构损伤程度的有效手段，反映承灾体受到灾害攻击时，目标易受损伤的程度［6］。对于一个待分析的灾害风险系统，首先必须存在风险源（本文指地震）；其次，必须有风险承受体，即人类社会或其他具体实物（本文指管道），可见灾害易损性是由灾害的危险性和承灾体的易损性共同决定。![]()
图1 城镇燃气管网地震易损性评估指标体系指标层级构成已知一级指标与二者之间的关系，需要对影响管道震害情况下运行稳定性的因素追根溯源，探究引发管道震害安全事故的原因。因此，采用故障树对管网震害事故之间的关系进行分析。故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）作为一种逻辑演绎分析工具，通过事故及联合顺序组合的图示，描述顶事件与基本事件的内在联系。通过构建故障树，可以清晰地表达故障事件和故障原因之间的因果关系，帮助理解系统中潜在的故障演化路径。故障树的顶事件（T）是不希望发生的事件，它指系统的故障，中间事件（M）是导致顶事件发生的故障或事件，故障树的底部事件是基本事件（X）［7］。故障树分析法适用于本文城镇燃气管网地震易损性影响因素的识别。故障树中常见的逻辑关系有“与”“或”“异或”，故障树逻辑符号见图2。“与”表示仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生，符号如图2a所示；“或”表示至少一个输入事件发生时，输出事件就发生，符号如图2b所示；“异或”表示只有当单个输入事件发生时，输出事件才发生，符号如图2c所示。筛选故障树中的基本事件，可作为城镇燃气管网地震易损性评估指标体系中的指标来源。为探究城镇燃气管网震害失效的潜在原因，依据相关标准、大量文献调研与专家意见，结合城镇燃气管网在设计、施工、运维等方面的震害特点，建立了地震影响失效、管道腐蚀或老化失效、管道设计失效、管道施工失效、第三方损伤失效、误操作失效6个故障树（见图3~8），根据故障树可梳理出失效事件之间的逻辑性。图6a中监检一般指政府监督检查部门的监督、调查、处置等。故障树分析可以帮助确定引起管道震害事故的根本原因或次要原因，因此，根据故障树中基本事件，进行城镇燃气管网地震易损性评估指标选取。![]()
3.2 指标体系
以地震危险性下的二级指标确定为例进行说明。根据故障树的震害基本事件梳理，确定以地震动破坏、建筑抗震设防、地震地质灾害为地震危险性下的二级指标。具体如下。地震动破坏需采用量化指标来反映其强度，同时，需要考虑影响地震动破坏强度的外因素。断层与地震峰值加速度用于反映地震动破坏的频率强度，属于影响地震动破坏的内因素，场地类型与场地土类型交界是反映影响地震动破坏的外因素。建构筑物倒塌是地震影响下最为显著的城镇遭受自然灾害破坏的特征，建构筑物的坍塌可能造成地下管网的承压环境改变，又或是造成跨越、穿隧道管道的直接失效。建筑抗震设防影响地震下建筑倒塌对管道的二次影响。滑坡、地面沉降、断层错动、砂土液化等这类地震地质灾害发生的机制相似，对管道造成的失效影响也类似，即因地震引发地质灾害，导致土体对管道进行加载，使得管道因承受巨大拖拽力而发生弯曲变形、拉裂甚至整体断裂。为了简化评价过程，将地震地质灾害作为地震危险性下的二级指标，不再详细进行地质灾害的划分。同理，通过分析确定管道腐蚀、管道老化、管道设计、管道施工、第三方损伤、误操作为管道基础条件下的二级指标。断层是地震动的主要类型，是反映地壳运动强度的一种破坏现象，断层的累积可造成地震的发生，因此可采用断层对地震发生频率进行划分。地震动破坏的强度由地震震级决定，目前相关地震研究工作以地震峰值加速度进行地震震级的刻画，因此以地震峰值加速度对地震动破坏的强度进行划分［8-9］。不同场地条件下地震动破坏的综合放大效应不同，且在场地土交界处管道受力不一致，更容易发生破坏，因此，以场地类型、场地土类型交界对地震动破坏的综合放大效应进行刻画。综上，以断层、地震峰值加速度、场地类型、场地土类型交界作为地震动破坏下的三级指标。通过以上分析，失效事件不能直接作为指标，可考虑指标选取的完整性、科学性、可运算性、相互独立性、简约性、定量和定性相结合原则，进行故障树失效事件的筛选，确定城镇燃气管网地震易损性评估指标体系中的其余各层级指标。需说明的是，本文对钢管和PE管两种管材类型的城镇燃气管网开展地震易损性评估。指标设置上，针对两种管材类型在城镇燃气管网震害风险上表现一致的指标，采用同一指标、同一风险划分的方式进行评估。针对两种管材类型在城镇燃气管网震害风险上表现不一致的指标，采用同一指标、不同风险划分的方式进行评估。针对两种管材类型在城镇燃气管网震害风险上完全不交叉的评估指标，如管道腐蚀和管道老化分别发生在钢管和PE管，根据“异或”逻辑关系，实际地震易损性评估中二选一进行评估。采用序关系法确定城镇燃气管网地震易损性评估指标的权重。序关系法不需要构建判断矩阵，且无一致性检查，可操作性强［10］。根据上面分析方法，得到城镇燃气管网地震易损性评估指标体系各级指标及权重，见表1（表中空白表示无此项，“—”表示权重不参与计算）。表1 城镇燃气管网地震易损性评估指标体系各级指标及权重
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4 地震易损性确定
根据故障树逻辑关系建立的城镇燃气管网地震易损性评估指标体系，城镇燃气管网地震易损性值为地震危险性评分值与管道基础条件评分值的乘积。在指标体系中，往往存在多个具有下一层级指标的复合指标，定义各个底层指标的评分值为0~5分。在故障树分析中，已分析到影响管道震害失效的因素之间存在“与”“或”“异或”关系。由于城镇燃气管网地震易损性评估指标体系中的各级指标来源于故障树，因此指标之间也存在“与”“或”“异或”关系。![]()
对于存在“异或”关系的两个指标，由于“异或”关系指标只存在于同一层级，二者不同时发生，因此二选一进行评价即可。“异或”关系的指标分值计算不同于逻辑“与”“或”，在二选一后，保留下的指标与同一层级指标计算分值。SY/T 6828—2017《油气管道地质灾害风险管理技术规范》中，将管道地质灾害风险分为高、较高、中、较低、低等级。因此，可参考该规范，将城镇燃气管网地震易损性分为低易损性、较低易损性、中易损性、较高易损性、高易损性等级。地震易损性值最小值记为Vmin，最大值记为Vmax。此处需要强调的是，由于指标体系中部分指标存在“异或”关系，如“管道腐蚀”与“管道老化”不同时发生，在评价时，根据实际情况，Vmax可能出现不一样的情况，需结合所评价的城镇燃气管网情况计算Vmax。借鉴英国焊接学会的矩阵风险等级3∶3∶7∶8∶4的比例对地震易损性进行区间划分［11］，记Vmin+VmaxVmin的值为Vl，可得城镇燃气管网地震相对易损性值区间，等级划分见表2。表2 城镇燃气管网地震易损性等级划分
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完成城镇燃气管网地震易损性值的计算后，结合表2中的相对易损性值区间，来评定城镇燃气管网地震易损性等级。城镇燃气管网地震易损性评估指标体系能够对各个地区的城镇燃气管网进行地震易损性等级评估，得到不同地区的城镇燃气管网地震易损性等级，以进一步完善管网震害应急预案与处置等措施［12］。①提出城镇燃气管网地震易损性的定义，根据定义从地震危险性和管道基础条件两个方面分析影响地震下管道运行安全的原因，作为城镇燃气管网地震易损性评估指标体系的两个一级指标。②构建城镇燃气管网震害故障树，由故障树自上而下分析震害事故之间的逻辑关系，分析地震下影响管网运行可靠性的原因，得到城镇燃气管网地震易损性评估指标。③基于故障树中的顶事件、中间事件以及基本事件，筛选符合城镇燃气管网特点的地震易损性指标，采用序关系法计算指标权重，建立了一个城镇燃气管网地震易损性评估指标体系。④给出城镇燃气管网地震易损性值计算方法，结合相对易损性值区间，评定城镇燃气管网地震易损性等级。［ 2 ］FARAHANI S，TAHERSHAMSI A，BEHNAM B. Earthquake and Post-earthquake Vulnerability Assessment of Urban Gas Pipelines Network［J］. Natural Hazards，2020（2）：327-347.［ 4 ］PSYRRAS N K，SEXTOS A G. Safety of Buried Steel Natural Gas Pipelines Under Earthquake-Induced Ground Shaking：a Review［J］. Soil Dynamics & Earthquake Engineering，2018，106：254-277.［ 5 ］李思齐，于天来，张明. 不同烈度区典型结构易损性对比分析［J］. 华南理工大学学报（自然科学版），2020（3）：67-75，90.［ 6 ］李春燕，孟晖，张若琳，等. 基于承灾体易损性的县域单元地质灾害风险评估［J］. 地质通报，2021（9）：1547-1559.［ 7 ］BADIDA P，BALASUBRAMANIAM Y，JAYAPRAKASH J. Risk Evaluation of Oil and Natural Gas Pipelines due to Natural Hazards Using Fuzzy Fault Tree Analysis［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2019，66：284-292.［ 8 ］孙路，李廷辉. 山区桥梁地震易损性及平均损失率分析［J］. 自然灾害学报，2022（5）：104-110.［ 9 ］董晋琦，郑山锁，谢孝奎，等. 考虑近断层脉冲型地震动影响的埋地管道地震易损性分析［J］. 工程力学，2023（5）：104-116.［11］张鹏，范潮海，陈祥苏. 油气集输站场个人风险矩阵叠加分析［J］. 中国安全科学学报，2020（3）：129-136.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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