基于灰色關(guān)聯(lián)理論的海洋立管分段風(fēng)險評估

鄭運虎， 姜　峰， 杜超飛

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 ， 甘肅 蘭州 730050)

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基于灰色關(guān)聯(lián)理論的海洋立管分段風(fēng)險評估

鄭運虎， 姜峰， 杜超飛

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 ， 甘肅 蘭州 730050)

針對整根立管評定的可行性差的問題，提出了將整根立管進行分段計算、綜合評定的方法。通過對海洋立管常見風(fēng)險因素進行收集整理，建立風(fēng)險評價模型，采用灰色關(guān)聯(lián)度理論對海洋立管進行分段風(fēng)險評估。根據(jù)各主要風(fēng)險因素對發(fā)生風(fēng)險概率的關(guān)聯(lián)度，計算出各段立管在各主要風(fēng)險因素下的失效權(quán)重，將所得權(quán)重結(jié)合立管各區(qū)段在多種主要風(fēng)險因素下的失效關(guān)聯(lián)系數(shù)，進一步計算出立管各區(qū)段的失效概率。這種評估方法為海洋立管的風(fēng)險評估提供了一種新的思路，對加強海洋立管各區(qū)段管理與維護提供一定依據(jù)。

灰色理論；關(guān)聯(lián)度；海洋立管；風(fēng)險；權(quán)重

隨著海上油田的大力開發(fā)，各種石油開采和集輸設(shè)備迅速投入生產(chǎn)和使用。海上油氣開發(fā)的重點和難點是確保油氣集輸設(shè)備的安全可靠性，而海洋立管作為油氣輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在整個石油開采和集輸設(shè)備中占很大比例，其在役的安全可靠性是保證石油順利開采和集輸?shù)年P(guān)鍵。自從灰色理論在1982被國外學(xué)者提出后，在國內(nèi)得到較快的應(yīng)用和推廣，但是我國對海上油田的開發(fā)起步較晚，對海上油氣開發(fā)設(shè)備可靠性相關(guān)評價方法也極為匱乏。由于海洋立管的每段工作海域都有它所對應(yīng)的特定工作環(huán)境，從整體上進行宏觀評價可行性差。因此，只有結(jié)合我國海洋環(huán)境具體環(huán)境和設(shè)備在役狀況，有針對性的進行風(fēng)險評價和理論研究，將定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治觯拍軓恼嬲饬x上實現(xiàn)海洋管道設(shè)備的可靠性分析。

海洋立管在油氣輸送過程中受環(huán)境因素影響較大，不確定風(fēng)險因素較多，對海洋立管工作穩(wěn)定性造成較大影響。對于少數(shù)據(jù)、小樣本、信息不完全和經(jīng)驗缺乏的不確定性問題，通常采用灰色理論來處理[1-5]。灰色關(guān)聯(lián)理論中的灰色評價法利用灰色關(guān)聯(lián)作為直接測度，充分利用白化信息，減少評估誤差，使得評價結(jié)果更加科學(xué)合理，與實際情況更符合。本文通過運用灰色關(guān)聯(lián)理論，結(jié)合海洋立管各段的具體工況和自身特點將立管進行分段計算，得到各段立管的定量分析結(jié)果，充分反映出管道整體可靠性概況[6-10]。

1　關(guān)聯(lián)度理論與權(quán)重

(1) 選取參考序列x0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}，把與x0進行比較的序列xj叫做比較序列xj={xj(1),xj(2),…,xj(n)},j=1,2,…,m。通常將序列中具有代表性的數(shù)據(jù)作為參考數(shù)列，也稱為最優(yōu)集或母序列。

(3) 求差序列：

(4) 求兩極差：

(5) 求關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中，ξ為分辨系數(shù)，一般取ξ=0.5。為方便下一步計算可以將關(guān)聯(lián)系數(shù)以矩陣R的形式表示[11]。

2　風(fēng)險因素模型與灰色關(guān)聯(lián)分析

影響立管穩(wěn)定工作的風(fēng)險因素有很多，結(jié)合歷史記錄與實際經(jīng)驗找出事故類型，收集整理風(fēng)險因素，將各風(fēng)險因素按照W. K. Muhlbauer[6]提供的方法，將立管風(fēng)險因素劃分為：腐蝕因素[7-9]、載荷因素、第三方破壞、溫度和磨損。每類風(fēng)險因素都包含著相應(yīng)的影響因素。海洋立管的風(fēng)險因素模型如圖1所示。

(2) 根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論具體分析步驟，建立海洋立管灰色關(guān)聯(lián)分析流程圖，如圖2所示。

運用灰色關(guān)聯(lián)分析法計算，計算各種主要事故因素的關(guān)聯(lián)度，通過比較各個因素關(guān)聯(lián)度，對各因素的風(fēng)險概率進行大小排序。依據(jù)所選用的參考序列(最優(yōu)集)的性質(zhì)，得出的各因素關(guān)聯(lián)度越大表示該因素與最優(yōu)集的性質(zhì)越接近，若以最小風(fēng)險概率作為參考序列，因素關(guān)聯(lián)度越大則表示該因素發(fā)生風(fēng)險的概率越小[10-13]，與最小概率的性質(zhì)接近。反之，表示風(fēng)險發(fā)生概率越大。

圖1　海洋立管風(fēng)險因素模型

Fig.1Marine riser risk factor model

圖2　灰色關(guān)聯(lián)分析流程

Fig.2Grey relational analysis flowchart

3　實例應(yīng)用

某深海立管根據(jù)立管作業(yè)環(huán)境分為海上大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海底泥層區(qū)。根據(jù)海洋立管各區(qū)段失效記錄數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，給定管道在不同區(qū)段不同風(fēng)險因素下的失效概率如表1所示。用灰色關(guān)聯(lián)理論計算各個風(fēng)險因素的關(guān)聯(lián)度以及各區(qū)段在這些風(fēng)險影響下的失效概率。

3.1風(fēng)險因素關(guān)聯(lián)分析與權(quán)重計算

(1) 建立參考序列。選取各風(fēng)險因素最小概率數(shù)據(jù)做為參考序列，則x0=(0.000 479,0.000 023,0.000 019,0.000 021,0.000 020)

(2) 根據(jù)均值像公式將比較序列均值化處理,得：

表1　海洋立管失效概率數(shù)據(jù)

(3) 根據(jù)求差序列公式，求得差序列：

Δ1=(3.069 07,1.278 48,1.297 26,0.773 17,0.720 18);

Δ2=(4.169 57,1.377 17,1.359 06,2.578 06,0.144 73);

Δ3=(2.505 17,1.692 77,1.536 06,0.210 56,0.065 66);

Δ4=(3.194 07,0.568 37,0.640 76,1.027 87,1.956 96);

Δ5=(2.172 97,1.397 87,1.410 66,0.382 77, 0.018 44)。

(4) 由兩極差公式，求得兩極差：

M=4.169 57；m=0.018 44。

(5) 求關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)求解公式得：

ξ1=(0.408 08,0.625 35,0.621 88,0.735 92,0.749 82)；

ξ2=(0.336 28,0.607 52,0.610 71,0.451 06,0.943 35)；

ξ3=(0.458 22,0.516 77,0.530 86,0.716 29,0.978 04)；

ξ4=(0.398 42,0.792 72,0.871 67,0.975 70,0.520 37)；

ξ5=(0.493 97,0.603 90,0.601 70,0.852 35,1)。

(6) 運用關(guān)聯(lián)度公式計算關(guān)聯(lián)度和第一層各風(fēng)險因素權(quán)重：

r1=0.628 212；r2=0.589 786；r3=0.640 037；

r4=0.711 778；r5=0.710 388。

通過比較得：

r4>r5>r3>r1>r2。

計算風(fēng)險權(quán)重：

根據(jù)權(quán)重計算公式通過歸一化處理得權(quán)重：

w1=0.207 7；w2=0.221 3；w3=0.203 9；

w4=0.183 4；w5=0.183 7。

最優(yōu)比較數(shù)列是根據(jù)最小風(fēng)險概率數(shù)據(jù)確定的，數(shù)據(jù)越大表示與所比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度越高，發(fā)生風(fēng)險的可能性就越小，反之發(fā)生風(fēng)險的可能性就越大。因此，根據(jù)所得結(jié)果可判斷發(fā)生風(fēng)險的可能性依次為：載荷>缺陷>第三方破壞>磨損>溫度。根據(jù)實際應(yīng)用中管道失效情況，可知所得結(jié)果與實際基本相符。依此算法同樣可計算其他層次的風(fēng)險因素的關(guān)聯(lián)度。

3.2海洋立管區(qū)段風(fēng)險關(guān)聯(lián)度計算

(1) 建立參考序列。為確定海洋立管各區(qū)段風(fēng)險大小情況，選取風(fēng)險因素中的風(fēng)險概率最大值作為參考值，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，確定參考序列x0=(0.000 791,0.001 082,0.000 148,0.000 058,0.000 275)

(2) 均值化處理比較序列:

(3) 求差序列:

Δ1=(1.179 95, 2.136 49,0.301 09,0.007 09,0.651 29);

Δ2=(0.532 30, 0.569 17,0.099 05, 0.064 54,0.005 27);

Δ3=(0.566 07,0.582 79,0.067 17, 0.060 08,0.012 56);

Δ4=(0.199 99,0.823 53,0.224 92,0.027 98,0.367 72);

Δ5=(2.389 02,2.187 87,0.153 07,0.369 17,0.414 33)。

(4) 求兩極差:

M=2.389 02;m=0.005 27。

(5) 求關(guān)聯(lián)系數(shù):

ε1=(0.505 29,0.360 19,0.802 21,0.998 48,0.650 01);

ε2=(0.694 79,0.680 27,0.927 50,0.952 92,1);

ε3=(0.681 47,0.675 06,0.950 94,0.956 31,0.993 96);

ε4=(0.860 36,0.594 53,0.845 25,0.981 42,0.767 99);

ε5=(0.334 80,0.354 71,0.890 32,0.707 28,0.645 74);

(6) 求關(guān)聯(lián)度:

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)的系數(shù)矩陣R

wj=(0.207 7,0.221 3,0.203 9,0.183 4,0.183 7)

為方便對比，按照均值化求關(guān)聯(lián)度得到rj，rj=(0.663 236,0.851 096,0.851 548,0.809 91,0.618 57)。

4　結(jié)論

海洋立管的每段工作區(qū)域都有它對應(yīng)的特定海況，缺乏直接可行的宏觀評價方法。本文針對整根立管評定可行性差的問題，提出了一套將整根立管進行分段計算，綜合評定的方法。通過深入了解具體環(huán)節(jié)，建立合適的評價內(nèi)容和方法，得到最終的評價結(jié)果。在計算過程中，為了準確的掌握各個風(fēng)險因素對海洋立管失效影響的大小，通過構(gòu)建海洋立管風(fēng)險因素模型，利用灰色關(guān)聯(lián)理論，確定了各個風(fēng)險的關(guān)聯(lián)度，進而算得各風(fēng)險因素對海洋立管失效的概率權(quán)重。將所得各風(fēng)險概率權(quán)重與海洋立管不同區(qū)段風(fēng)險因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)合，得到海洋立管在不同區(qū)段的失效概率。在計算各個風(fēng)險因素對海洋立管失效概率權(quán)重過程，摒棄了傳統(tǒng)的專家打分或者主觀臆斷法，而是將實際應(yīng)用中各風(fēng)險概率數(shù)據(jù)與灰色關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合。這種計算權(quán)重方法，大大減小了主觀判斷帶的誤差，提高了計算精度。計算結(jié)果表明，風(fēng)險評價結(jié)果與海洋立管實際具體失效情況基本符合，該方法具有較高的應(yīng)用價值，可作為海洋立管風(fēng)險評估的一種手段，為海洋立管的可靠性評價以及立區(qū)段維護理提供可靠的依據(jù)。

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(編輯王亞新)

The Risk Assessment of the Segmented Marine Riser Based on Gray Relevance Theory

Zheng Yunhu， Jiang Feng， Du Chaofei

(CollegeofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,LanzhouGansu730050,China)

Each work area of the marine riser has its corresponding specific sea conditions, and the feasibility of macro-evaluate is poor. For the feasibility of the whole problem of poor riser assessment, a method was proposed to segment the entire riser calculations, and assessment comprehensively. The marine riser common risk factors were collected to establish risk assessment model, and the gray correlation theory was used to assessment segmented riskof marine riser. According to the major risk factors associated with the risk of occurrence probability, for each segment, the invalidation problem and unreasonable weightswere calculated, the probability of failure of each section of the riser was further calculated by combining the weight with failure correlation coefficient of each section in a variety of major risk factors . This method of risk assessment of the marine riser provides a new way to strengthen the management and maintenance for marine riser of each section.

Gray theory; Correlation; Marine riser; Risk; Weights

1006-396X(2016)03-0069-05

2013-12-06

2014-03-12

甘肅省教育廳資助項目(1205ZTC067)；國家質(zhì)檢公益項目(201210026，201310152)。

鄭運虎(1986-),男,碩士，從事承壓設(shè)備安全可靠性研究；E-mail:921238461@qq.com。

TQ050.2

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.03.014

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn