基于IAHP和災(zāi)變鏈?zhǔn)椒椒ǖ某鞘杏蜌夤艿里L(fēng)險誘因與預(yù)警研究*

陳　潔，陳國明，李新宏

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0　引言

城鄉(xiāng)建設(shè)加快與油氣管道保護(hù)之間的矛盾尖銳而復(fù)雜[1]。隨著城市發(fā)展，導(dǎo)致原本位于郊區(qū)的油氣管道穿過人口密集區(qū)且與市政管網(wǎng)互相交錯[2]，潛在風(fēng)險因素錯綜復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)，一旦發(fā)生泄漏等災(zāi)害事故，波及面積更大，損失程度更為嚴(yán)重。同時，我國在役油氣管道部分已進(jìn)入老齡化階段這一事實(shí)加劇了安全隱患整治的嚴(yán)峻性[3]。尤其是“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故發(fā)生后[4]，引發(fā)全國范圍內(nèi)對城市油氣管道安全的密切關(guān)注。

近幾年，國內(nèi)圍繞城市油氣管道安全已開展一定量的探討，但從風(fēng)險預(yù)警角度的研究尚少。何維濤[5]借助“11·22”事故，從脆弱性角度研究穿越城市段長輸管道風(fēng)險機(jī)理，指出不安全行為、管道所處環(huán)境以及管道完整性是影響其脆弱性的重要因素；姚小靜等[6]定性識別油氣管道與城市管網(wǎng)交叉風(fēng)險，包括雜散電流腐蝕、應(yīng)力集中以及第三方破壞等；李晶晶等[7]選取國內(nèi)外城市油氣管道泄漏爆炸特大事故，從應(yīng)急管理角度進(jìn)行對比分析，并針對事故應(yīng)急各階段共性失誤提出政府監(jiān)管、現(xiàn)場隔離等應(yīng)急響應(yīng)措施。鑒于上述研究多集中于定性分析，且研究方法單一，筆者基于區(qū)間層次分析法與災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撓嘟Y(jié)合的優(yōu)勢，定量辨識城市油氣管道關(guān)鍵風(fēng)險監(jiān)測點(diǎn)，借助城市油氣管道災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ椭庇^識別斷鏈點(diǎn)，為城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警響應(yīng)提供理論依據(jù)。

1　城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警流程

運(yùn)用區(qū)間層次分析法(interval analytic hierarchy process, IAHP)和災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撓嘟Y(jié)合的方法，從定性與定量互為補(bǔ)充的角度實(shí)現(xiàn)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警前期的警兆判定。IAHP方法將傳統(tǒng)層次分析法(analytic hierarchy process ,AHP)與區(qū)間數(shù)學(xué)結(jié)合，用區(qū)間數(shù)替代點(diǎn)值構(gòu)成判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；然后求解權(quán)重向量，通過區(qū)間數(shù)矩陣和向量計(jì)算得到區(qū)間數(shù)綜合權(quán)重；最后對其排序[8]。利用該方法構(gòu)建城市油氣管道風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系，可較好解決決策因素和專家判斷不確定性，克服AHP的局限性。

災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撚尚な③芠9]提出，該理論認(rèn)為災(zāi)害事故形成具有鏈?zhǔn)揭?guī)律，是個逐漸演化的過程。其鏈?zhǔn)叫螒B(tài)與災(zāi)害類型構(gòu)成直接對應(yīng)關(guān)系，便于研究事故鏈?zhǔn)揭?guī)律，把握災(zāi)害演化關(guān)鍵點(diǎn)。災(zāi)變演化過程是物質(zhì)和能量信息聚集與轉(zhuǎn)化的過程，不同階段災(zāi)害形成的破壞力對人類威脅程度不同[10]。運(yùn)用災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摌?gòu)建城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ停芍庇^反映城市油氣管道潛在風(fēng)險演化過程，找出相應(yīng)的致災(zāi)環(huán)、激發(fā)環(huán)、損害環(huán)及斷鏈環(huán)，為事故早期預(yù)警提供參考。

如圖1所示為IAHP與災(zāi)變鏈?zhǔn)椒椒ㄏ嘟Y(jié)合的城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警分析流程。城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)的辨識，依據(jù)城市油氣管道事故統(tǒng)計(jì)調(diào)研以及與野外長輸油氣管道風(fēng)險對比分析開展；針對城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警的研究，基于風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)辨識結(jié)果，借助IAHP方法實(shí)現(xiàn)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)的重要度排序，找出關(guān)鍵風(fēng)險監(jiān)測點(diǎn)；同時，運(yùn)用災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚搹臅r間的角度分析城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)的風(fēng)險演化規(guī)律，充分利用災(zāi)害鏈直觀反映城市油氣管道重大事故破壞效應(yīng)的特征，識別風(fēng)險斷鏈點(diǎn)。2種方法的相互結(jié)合有效實(shí)現(xiàn)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)的橫向比較和縱向比較，為確定風(fēng)險預(yù)警關(guān)鍵警兆提供可靠依據(jù)。

圖1　研究方法分析流程Fig.1　Analysis flow of research method

2　城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)

圍繞油氣管道的風(fēng)險研究多集中于野外長輸油氣管道，城市油氣管道風(fēng)險點(diǎn)與野外長輸埋地油氣管道相比存在很多不同。基于兩者風(fēng)險對比(表1)，參考文獻(xiàn)[11]-[13]對城市油氣管道典型事故案例的定性分析，結(jié)合城市油氣管道自身特點(diǎn)，確定4類城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)：腐蝕，設(shè)備材料，誤操作，第三方操作。

表1　城市油氣管道與野外長輸油氣管道風(fēng)險點(diǎn)對比Table 1　Comparative analysis for risk points of urban oil and gas pipeline and long oil and gas pipelines

1)腐蝕：主要指管道腐蝕穿孔或應(yīng)力腐蝕開裂，包括介質(zhì)腐蝕性、應(yīng)力腐蝕、土壤腐蝕、與市政管道交叉建設(shè)以及防腐層質(zhì)量等影響因素。

2)設(shè)備材料：主要指管道材料的強(qiáng)度降低，包括管材質(zhì)量、焊接質(zhì)量、疲勞因素等影響因素。

3)誤操作：主要指設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)4方面的不正確操作。

4)第三方破壞：主要指由于非管道員工的行為而造成的管道意外破壞，包括線路狀況不明、工程施工不當(dāng)、管線最小埋深、附近活動水平以及蓄意破壞等影響因素。

3　城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警IAHP模型

3.1　風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系

依據(jù)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)辨識，從降低事故發(fā)生可能性和事故后果嚴(yán)重性的角度，建立相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系(圖2)，具體包括腐蝕因素、設(shè)備材料、誤操作、第三方破壞4個一級指標(biāo)和一級指標(biāo)包含的17個二級指標(biāo)。

圖2　城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系Fig.2　Risk monitoring and early warning index system of urban oil and gas pipeline

3.2　預(yù)警指標(biāo)權(quán)重分析

根據(jù)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警層次結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的1-9標(biāo)度法[14]確定兩兩因素比較區(qū)間數(shù)。如表2為準(zhǔn)則層中每個屬性對總預(yù)警目標(biāo)的重要性兩兩比較結(jié)果，表3為相應(yīng)風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)對準(zhǔn)則層中腐蝕因素屬性的重要性兩兩比較結(jié)果。

表2　準(zhǔn)則層區(qū)間判斷矩陣及權(quán)重排序Table 2　First-level index interval judgmentmatrix and weight order

根據(jù)式(1)求得準(zhǔn)則層區(qū)間判斷矩陣一致性比率CR=0.060 9<0.1，滿足一致性要求。

(1)

式中：CR(Consistency Index)為一致性比率；RI(Random Index)為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

根據(jù)公式(2)得出區(qū)間特征值中間系數(shù)k=0.905 3，m=1.086。

(2)

將準(zhǔn)則層區(qū)間判斷矩陣歸一化特征向量及中間系數(shù)代入公式(3)

(3)

表3　腐蝕因素指標(biāo)區(qū)間判斷矩陣及權(quán)重排序Table 3　Corrosion factors second-level interval judgment matrixand weight order

3.3　綜合區(qū)間權(quán)重排序

表4給出基于最終排序的城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)權(quán)重表，則預(yù)警準(zhǔn)則層風(fēng)險因子重要度依次為腐蝕因素、第三方破壞、設(shè)備材料，誤操作。預(yù)警指標(biāo)層城市油氣管道關(guān)鍵風(fēng)險因子為“與市政管道交叉建設(shè)”、“工程施工不當(dāng)”、“介質(zhì)腐蝕”、“土壤腐蝕”、“管線最小埋深”以及“焊接質(zhì)量”，占據(jù)總權(quán)重的61%。其中，單個風(fēng)險因子“與市政管道交叉建設(shè)”占據(jù)風(fēng)險最高權(quán)重，約為12.9%。說明油氣管道與市政管網(wǎng)交叉為城市油氣管道重要風(fēng)險特征，尤其是進(jìn)入老齡化時期的運(yùn)行管道，更易受雜散電流腐蝕以及施工維護(hù)產(chǎn)生次生危害等風(fēng)險因素的影響。面對我國城市油氣管道與市政管網(wǎng)的矛盾沖突現(xiàn)狀，為提高油氣管道安全運(yùn)行，減小人員傷亡與財產(chǎn)損失，加強(qiáng)該風(fēng)險點(diǎn)的監(jiān)測預(yù)警勢在必行。

表4　城市油氣管道各風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)權(quán)重總排序Table 4　Weights ranking of risk indexes for urban oil and gas pipelines

4　城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ?/h2>

依據(jù)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警辨識結(jié)果，建立城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ?見圖3)。該模型遵循災(zāi)害鏈類型支干流域鏈?zhǔn)窖莼?guī)律[9]，即災(zāi)害鏈的量級態(tài)勢隨時間積累逐漸增大，具備由小到大、由弱到強(qiáng)的演化趨勢；災(zāi)害鏈的數(shù)量則隨著分支的聚集而逐漸減少，但破壞能量隨鏈的聚集而急劇增加，帶來一定的破壞效應(yīng)。城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ椭?，致?zāi)環(huán)主要指腐蝕、焊縫缺陷、管線埋地過淺等可引發(fā)事故的潛在風(fēng)險因素；激發(fā)環(huán)主要指時間積累、人為破壞等外界干擾因素；損害環(huán)主要指事故發(fā)生后造成的直接或間接后果損失；斷鏈環(huán)則是指針對城市油氣管道事故的防護(hù)措施及預(yù)警響應(yīng)措施等。

圖3　城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ虵ig.3　Chain-styled model of major accidents for urban oil and gas pipeline

風(fēng)險監(jiān)測的首要關(guān)鍵點(diǎn)是及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)變前兆[15]。按照災(zāi)害事故早、中、晚期，將城市油氣管道災(zāi)害鏈分為孕育階段、潛存階段、誘發(fā)階段。處于孕育階段的風(fēng)險誘因，破壞力極度微弱，能量等信息也處于初始聚集和耦合階段[16]，致力于孕源斷鏈減災(zāi)，將最大限度地遏制腐蝕、裂紋等潛在風(fēng)險的蔓延和擴(kuò)展。處于誘發(fā)階段的泄漏災(zāi)害，作為城市油氣管道失效并可能演變?yōu)橹卮笫鹿实年P(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，及時地監(jiān)測點(diǎn)火源風(fēng)險以及合理開展泄漏應(yīng)急管理行動對控制城市油氣管道事故擴(kuò)大，降低事故后果與損失起到關(guān)鍵作用。故而關(guān)注油氣管道的腐蝕速率與管壁厚度，排查管體與焊縫的裂紋情況，明確管線的最小埋地深度與地面活動水平等早期潛在風(fēng)險以及點(diǎn)火源等泄漏事故初期風(fēng)險因素，并及時作出風(fēng)險預(yù)警響應(yīng)，可有效實(shí)現(xiàn)城市油氣管道重大事故斷鏈減災(zāi)。

5　結(jié)論

1)運(yùn)用IAHP方法克服判斷矩陣構(gòu)造時的決策不確定性，對城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)重要度進(jìn)行橫向比較，定量排序得出：與野外長輸油氣管道相比，城市油氣管道更易受腐蝕及第三方破壞風(fēng)險因素影響；預(yù)警指標(biāo)層關(guān)鍵風(fēng)險因子相對應(yīng)的“油氣管道與市政管道距離”、“城市工程施工作業(yè)”、“雜質(zhì)含量”、“土壤電阻率”、“管線最小埋深”以及“焊縫缺陷”等風(fēng)險點(diǎn)需作為城市油氣管道重點(diǎn)監(jiān)測對象。

2)依據(jù)災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摚陲L(fēng)險預(yù)警指標(biāo)定量辨識結(jié)果，構(gòu)建城市油氣管道重大事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ?，縱向分析城市油氣管道重大事故風(fēng)險演化過程，強(qiáng)調(diào)城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警致力于孕源斷鏈減災(zāi)，可有效預(yù)防腐蝕、裂紋等潛在風(fēng)險因素惡化；在泄漏事故已發(fā)生情況下，強(qiáng)調(diào)第一時間應(yīng)急響應(yīng)與及時監(jiān)測事故風(fēng)險源的重要性。

3)在城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警研究中，本文重點(diǎn)對風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)類型辨識、風(fēng)險監(jiān)測點(diǎn)重要度排序以及監(jiān)測預(yù)警最佳時期等內(nèi)容進(jìn)行了分析，為城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警響應(yīng)提供了一定的理論依據(jù)。今后還需圍繞城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警警級評定等內(nèi)容開展進(jìn)一步研究，以提高城市油氣管道風(fēng)險預(yù)警工作的完整性。

[1]Li J, Zhang H, Han Y, et al. Study on failure of third-party damage for urban gas pipeline based on fuzzy comprehensive evaluation[J]. Plos One,2016,11(11):1-15.

[2]陳玉超,蔣宏業(yè),吳瑤晗,等.基于Bow-tie模型的城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險評價方法研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2016,12(4):148-152.

CHEN Yuchao,JIANG Hongye,WU Yaohan,et al.Study on risk assessment method of urban oil pipe-line based on Bow-tie model[J].Journal of Safety ScienceandTechnology,2016,12(4):148-152.

[3]張濤,呂淑然.基于軌跡交叉論的石油管道泄漏爆炸事故預(yù)防研究[J].災(zāi)害學(xué),2015,30(4):43-47.

ZHANG Tao,LYU Shuran.The prevention study of the oil pipeline leak explosion accidents base on the theory of crossed track[J].Journal of Catastrophology,2015,30(4):43-47.

[4]張世翔,章言鼎.青島輸油管道泄漏爆炸事故分析與整改建議[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2014,40(12):89-91.

ZHANG Shixiang,ZHANG Yanding,Analysis and reform suggestions on the explosion accident of oil pipeline in Qingdao[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2014,40(12):89-91.

[5]何維濤.穿越城市段長輸管道系統(tǒng)脆弱性產(chǎn)生機(jī)理研究[D].成都：西南石油大學(xué),2016.

[6]姚小靜,朱元東,孫向榮. 油氣管道與城市管網(wǎng)交叉風(fēng)險識別及解決措施[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù),2015,32(5):61-64.

YAO Xiaojing, ZHU Yuandong, SUN Xiangrong. Cross-risk identification and its countermeasures of oil and gas pipeline and urban pipe network [J].Corrosion & Protection in Petrochemical Industrial,2015,32(5):61-64.

[7]李晶晶,朱淵,陳國明,等.城市油氣管道泄漏爆炸重大案例應(yīng)急管理對比研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(8):11-15.

LI Jingjing, ZHU Yuan, CHEN Guoming, et al. Comparative analysis on emergency management for leakage explosion accidents of urban oil and gas pipeline[J].Journal of Safety Science and Technology,2014,10(8):11-15.

[8]Hasan A. Security of cross-country oil and gas pipelines: a risk-based model[J].Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 2016，7(3):04016006.

[9]肖盛燮.生態(tài)環(huán)境災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撛瓌?chuàng)結(jié)構(gòu)梗概[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(S1):2593-2602.

XIAO Shengxie. Originality structure sketch on chain-styled theory of disaster in eco-environment[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(S1):2593-2602.

[10]胡建華,何川,鄧紅衛(wèi),等.礦山水害災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ团c工程應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報,2013,31(21):34-38.

HU Jianhua, HE Chuan, DENG Hongwei,et al. Chain model and engineering application of water disaster in underground mining[J].Science & Technology Review,2013,31(21):34-38.

[11]Assael M J,Kakosimos K E.Can a course on the calculation of the effects of fires,explosions and toxic gas dispersions,be topical,enjoyable and meaningful?[J].Education for Chemical Engineers, 2010, 5(3):e45-e53.

[12]國務(wù)院山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查組.山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查報告[R].2014.

[13]狄彥,帥健,王曉霖,等.油氣管道事故原因分析及分類方法研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報,2013,23(7):109-115.

DI Yan,SHUAI Jian,WANG Xiaolin,et al.Study on methods for classifying oil& gas pipeline incidents[J].China Safety Science Journal,2013,23(7):109-115.

[14]周毅,趙曉剛.基于區(qū)間層次分析法的石油庫防火防爆安全評價[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2011,21(12):58-63.

ZHOU Yi,ZHAO Xiaogang. Safety assessment for fire and explosion of petroleum depot based on IAHP[J].China Safety Science Journal,2011,21(12):58-63.

[15]么惠全,馮偉,張照旭,等.“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警體系[J].天然氣工業(yè),2012, 32(1):81-84.

MO Huiquan，F(xiàn)ENG Wei，ZHANG Xudong，et al.“West-to-East Gas Pipeline”geological hazard risk monitoring and early warning system[J].Natural Gas Industry,2012,32(1):81-84.

[16]劉愛華.城市災(zāi)害鏈動力學(xué)演變模型與災(zāi)害鏈風(fēng)險評估方法的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2013.