高原地區(qū)埋地天然氣管道風(fēng)險評估方法

龐 旭，朱 平，朱雪峰

（1. 云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500）

高原地區(qū)埋地天然氣管道風(fēng)險評估方法

龐 旭1，朱 平1，朱雪峰2,3

（1. 云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500）

針對高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道在多種非定量因素的影響下缺乏有效的風(fēng)險評估手段的情況，建立了管道風(fēng)險失效故障樹，確定引起管道失效的五種風(fēng)險因素即腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作、設(shè)計，從而建立了風(fēng)險評估指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合綜合層次分析法，計算各層指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，采用多層次灰色理論，對高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道進行風(fēng)險評估，將風(fēng)險影響因素進行量化處理。結(jié)合實際工程應(yīng)用，給出了在役中緬天然氣管道的風(fēng)險量化結(jié)果，說明該風(fēng)險評估方法的有效性。

高原地區(qū)埋地鋼制管道；風(fēng)險辨識；故障樹；多層次灰色理論；風(fēng)險量化

0 引言

埋地鋼制管道是中緬天然氣項目中長距離輸送天然氣的核心設(shè)備，其在役管道的風(fēng)險可靠性是保證天然氣順利輸送的關(guān)鍵[1]，而高原地區(qū)埋地鋼制管道要穿越不同類型的土壤和河流，地形復(fù)雜且輸送的壓力一般比較高，容易造成管道腐蝕，老化，穿孔或開裂，導(dǎo)致天然氣泄漏[2]，造成環(huán)境污染甚至人身傷亡等嚴(yán)重后果。因此，進行高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道的風(fēng)險評估，為全面分析管道失效事件，建立科學(xué)的事故管理機制和預(yù)防管道事故提供科學(xué)、合理的決策，都具有重要的指導(dǎo)意義。

高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道的風(fēng)險評估方法[3]主要有定性評估和定量評估。定性評估是通過直觀的觀察管道失效事件及通過經(jīng)驗對19347管道失效發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識，主觀的對管道存在的故障隱

1 埋地鋼制天然氣管道風(fēng)險因素故障樹分析

1.1 故障樹分析原理

故障樹分析方法[6]（Fault Tree Analysis, FTA）是 1961年由 H.A.Watson（美國貝爾實驗室）提出來的，它是用邏輯框圖將所要分析的事故與每層導(dǎo)致其發(fā)生的原因之間相連接，而得到能簡明、直觀體現(xiàn)邏輯關(guān)系的邏輯樹圖形，能有效的分析大型復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險性和可靠性。該分析方法以要分析的（管道）風(fēng)險事故為起點，逐層辨識導(dǎo)致其發(fā)生的原因，直至基本原因[7]，能夠深入的分析事故的潛在原因，找出管道失效的薄弱環(huán)節(jié)。

故障樹分析法是辨識高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道風(fēng)險因素的有效方法。通過故障樹的定性分析即最小割集分析和底事件結(jié)構(gòu)重要度的計算[8]，可以辨識出影響高原地區(qū)埋地鋼制管道風(fēng)險因素及其薄弱環(huán)節(jié)，并為多層次灰色理論的確定提供參考和依據(jù)。

1.2 故障樹的建立

根據(jù)頂事件確定原則[9]，選取“高原地區(qū)埋地鋼制管道失效”作為頂事件。對于高原地區(qū)，管道沿線大部分均為中-弱腐蝕性土壤，且管道經(jīng)過高原地區(qū)的農(nóng)田分布區(qū)和丘陵地區(qū)，這些地區(qū)生長有喬木，灌木和草木，其根系將纏繞、擠壓、損壞防腐層，造成管道防腐失效，管道容易腐蝕。因此確定第一個一級因素是腐蝕。埋地鋼制天然氣管道經(jīng)過患進行判斷和分析的方法。定量風(fēng)險評估是通過對現(xiàn)場實驗結(jié)學(xué)模型，再對管道的設(shè)計、管理、人員等因素進行評價的方法。狄彥等人[4]采用定性評估方法對油氣管道事故原因及分類進行了深入探究；陳利瓊等人[5]采用故障樹分析了油氣管道危害辨識，對管道的風(fēng)險程度進行了評價，但這兩種風(fēng)險評估方法沒有綜合運用定性分析和定量分析。

針對上述方法的優(yōu)缺點，本文首先通過故障樹分析方法，建立一套比較完整的高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道失效故障樹模型，從而建立風(fēng)險評估指標(biāo)；然后計算其故障樹的最小割集、結(jié)構(gòu)重要度為綜合層次分析法確定各層指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重提供相應(yīng)的依據(jù)；最后采用多層次灰色理論，對高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道進行風(fēng)險評估，將風(fēng)險影響因素進行量化處理，且結(jié)合實際工程應(yīng)用，給出了在役天然氣管道的風(fēng)險量化結(jié)果。的人口地區(qū)等級及經(jīng)濟差異較大，3、4級地區(qū)人口分布對管道的第三方破壞具有較大的影響，人類活動頻繁，增加管道風(fēng)險的水平[10]，從而選擇第三方破壞為第二個一級因素。高原地區(qū)地形較為復(fù)雜，有各種中高山脈、溶蝕殘山及盆地地脈，地形起伏變化較大，當(dāng)有突發(fā)性暴雨時，容易造成洪水的沖刷、侵蝕與坍塌、滑坡、崩塌和高陡邊坡等自然災(zāi)害，對管道的風(fēng)險運行帶來極大的威脅，因此選擇自然災(zāi)害為故障樹的第三個一級因素。管道的設(shè)計如果沒有達到相應(yīng)的要求，如自身焊接存在缺陷，引起應(yīng)力集中，在使用過程中造成管道破壞[11]，因此管道的設(shè)計也是一個重要的一級因素。由于在管道的使用過程中，人員操作錯誤、施工方誤操作等都會影響管道的風(fēng)險運行，綜上所述，選擇腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作、設(shè)計作為故障樹的五個一級因素，從而建立如圖1所示的故障樹：其中，T為高原地區(qū)埋地鋼制管道天然氣管道失效；A1為腐蝕；A2為第三方破壞；A3為自然災(zāi)害；A4為誤操作； A5為設(shè)計； B1為外力腐蝕； B2為內(nèi)力腐蝕； B3為應(yīng)力腐蝕； B4為管道周邊環(huán)境； B5為管道管理水平； B6為災(zāi)害類別； B7為防治措施； B8為施工誤操作； B9為運營誤操作； B10為維護誤操作；B11為管道選材；B12為管道設(shè)計；C1為外腐蝕因素；C2為外防腐措施； C3為內(nèi)腐蝕因素； C4為內(nèi)防腐措施； C5為管道外部因素； C6為管道本身條件缺陷；C7為管道線路標(biāo)志不明；C8為水毀發(fā)生；C9為泥石流； C10為管溝回填缺陷； C11為內(nèi)涂層缺陷；C12為通訊設(shè)備缺陷； C13為管道選材； D1為土壤腐蝕； D2為雜散電流； D3為陰極保護失效； D4為防腐絕緣層老化； D5為管道上方活動水平； D6為管道埋地深度； D7為管道離地面的距離。

1.3 故障樹定性分析

在故障樹中，割集[12]就是引起頂事件發(fā)生的基本事件的集合，其最小割集是割集中的特殊集合，指當(dāng)某個割集中任意除去一個基本事件就不再是割集了，也就是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小集合的基本事件的組合。最小割集在一定程度上代表系統(tǒng)的風(fēng)險程度，因此對故障樹進行定性分析也就是找出系統(tǒng)的全部最小割集，采用下行法[13]求解故障樹的最小割集，然后再通過布爾代數(shù)運算法則進行化簡，其底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)求解公式為：

式中jk為第 j個最小割集，nj為底事件i位于kj的底事件數(shù)，iIφ（）為第i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，ixkj∈為第i個底事件屬于第j個最小割集。

由結(jié)構(gòu)重要度計算結(jié)果可知：管道腐蝕、第三方破壞和自然災(zāi)害的結(jié)構(gòu)重要度所占比例大，即這三個方面對管道失效影響較大，但誤操作和設(shè)計等因素也不可忽視，另外管道的腐蝕、巡線，管道周圍無警示標(biāo)志[14]，管道的制造等對管道風(fēng)險起到很大的控制作用，在選擇評價準(zhǔn)則時，應(yīng)考慮所占的權(quán)重。

圖1 高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道失效故障樹示意圖Fig.1 Fault diagram of failure of buried steel gas pipeline in plateau

2 多層次灰色評價理論

灰色系統(tǒng)理論是由中國著名學(xué)者鄧聚龍教授提出并創(chuàng)立的[15]，是一種研究“小樣本”、“貧信息”等不確定性問題的新方法。利用該方法對一個具有多層次影響因素的高原地區(qū)埋地鋼制管道進行風(fēng)險評估時，首先通過分析高原地區(qū)埋地鋼制管道失效故障樹，確定引起埋地鋼制管道失效的主要原因，建立多層灰色評價法的評價體系，然后理清層次，從低層到高層逐一評價，最后得出一單值綜合評價結(jié)果。將風(fēng)險評估系統(tǒng)分為三個層次，則各個層次代表的含義如以下表示：A為綜合評價值；iB為一級指標(biāo)； Bij為二級標(biāo)記。

具體步驟：

（1）由已構(gòu)造的高原地區(qū)埋地鋼制管道失效故障樹，確定五個二級指標(biāo) Bij的評分等級與評分標(biāo)準(zhǔn)。

（2）用綜合層次分析法[11]確定五個一級指標(biāo)iB和十二個二級指標(biāo) Bij的權(quán)重，則 Bi和 Bij的權(quán)重向量分別為：

（3）組織專家按制定的評分標(biāo)準(zhǔn)進行評分[17]并建立評價樣本矩陣D，設(shè)專家的序號為 k ( k=1,2,…,p)，設(shè)第k個專家對評價指標(biāo)Bij的評分為dijk，則評價樣本矩陣

（4）確定評價灰類，即要確定評價灰類的等級、灰類的灰數(shù)以及白話權(quán)函數(shù)等[18]，將設(shè)評價灰類號為 e(e=1,2,…,g )即有g(shù)灰類等級，若用“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”四級來表示風(fēng)險性，則評價灰類g取為取4。為了描述上述灰類，評價灰類的白化函數(shù)[19]為 fe(dijk)，其函數(shù)表達式如下：

表1 埋地鋼制天然氣管道失效故障樹基本事件表Table 1 Buried steel natural gas pipeline failure tree basic event table

第一類“優(yōu)”：

第二類“良”：

第三類“中”：

第四類“差”：

（5）確定灰色評價系數(shù)，對二級指標(biāo) Bij屬于第e個評價灰類的灰色評價系數(shù)為則屬于各個評價灰類的總灰色評價系數(shù)為：

（6）計算灰色評價權(quán)向量及權(quán)矩陣[20]。二級指標(biāo) Bij屬于第e個灰類的灰色評價權(quán)為則 Bij對于各評價灰類的灰色評價權(quán)向量 rij=對于隸屬于 B i的各類 B ij指標(biāo)所對應(yīng)的灰類灰色評價權(quán)向量建立 R ij綜合評價矩陣：

（7）建立指標(biāo)Bi的綜合評價矩陣：

由R進一步得出受評項目 Bi的綜合評價結(jié)果向量：B = W R。

（8）計算綜合評價值。由于綜合評價結(jié)果B是一個向量，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)該單值化。將各個灰類等級按“灰水平”賦值[13-14]，得到各評價灰類等值化向量，進而得受評項目的綜合評價值 A = BCT。

3 高原地區(qū)埋地鋼制管道風(fēng)險評估流程圖

基于上文分析，提出了一種基于故障樹與多層次灰色理論的高原地區(qū)天然氣管道風(fēng)險評估方法，首先對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行整理；然后根據(jù)故障樹頂事件選取原則確定五個一級因素，分別是腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作、設(shè)計，根據(jù)這五個一級因素開始一層一層逐步尋找導(dǎo)致管道失效的初始事件、直接原因和間接原因，從而建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系；再利用多層次灰色評價理論對風(fēng)險評價理論體系進行評估計算；最后根據(jù)計算得到的結(jié)構(gòu)進行風(fēng)險評估，以達到管道風(fēng)險評價的目的。該方法的流程圖如圖2所示。

圖2 高原地區(qū)埋地鋼制管道風(fēng)險評估流程圖Fig.2 Flow chart of risk assessment of buried steel pipe in plateau area

（1）現(xiàn)場資料收集。對現(xiàn)場的設(shè)計、施工、運行、實驗數(shù)據(jù)進行收集整理，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2）用故障樹對風(fēng)險因素進行識別和分析。選取“高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道失效”作為頂事件，根據(jù)高原地區(qū)的實際情況選取故障樹的中間事件和底事件，然后計算最小割集和計算底事件的結(jié)構(gòu)重要度，其結(jié)構(gòu)重要度值大的因素對頂事件影響大。

（3）建立評價指標(biāo)。根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)重要度建立評估指標(biāo)，包括5個一級因素分別是腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作、設(shè)計，12個二級因素。

（4）運用多層次灰色評價理論進行風(fēng)險評估。根據(jù)綜合層次分析法，分析確定各指標(biāo)權(quán)重，然后確定評價灰類，并根據(jù)評價過程中樣本矩陣求得灰色評價權(quán)向量，計算管道風(fēng)險的評價值。

（5）確定風(fēng)險評價結(jié)果等級。根據(jù)計算得到的評價值，判斷管道風(fēng)險等級。

4 實例證明

4.1 建立評價指標(biāo)

高原地區(qū)埋地鋼制管道風(fēng)險評估指標(biāo)包括5個方面，12個附屬的二級評價元素評價內(nèi)容如表2所示。

表2 高原地區(qū)埋地鋼制管道風(fēng)險評估指標(biāo)Table 2 Buried steel pipelines in the plateau risk assessment index

以中緬天然氣昆明西支線輸氣管道段為例，分析基于故障樹與多層次灰色理論的高原地區(qū)天然氣管道風(fēng)險評估方法的應(yīng)用過程。該管道建于2013年4月，全長37.5km,管道規(guī)格D323.9，管徑為DN300，輸氣規(guī)模為 2 14.85× 1 04m3d ，設(shè)計壓力為6.3 MPa,管道內(nèi)徑為300 mm，管道沿線中有一個閥室，一個陰極保護站，500個標(biāo)識樁，施工便道有 15Km,穿越鐵路、公路、河流、水塘分為是2次、11次、16次、9次。

4.2 按多層次灰色法評價步驟進行評價

（1）制定二級指標(biāo) Bij的評分等級和評分標(biāo)準(zhǔn)。對評分等級和評分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范并結(jié)合高原地區(qū)的實際情況，科學(xué)、合理的將評價指標(biāo)分為優(yōu)、良、中、差4個等級，分別賦值為4、3、2、1，指標(biāo)等級介于相鄰等級之間的，則賦值為3．5、2．5、1．5、0．5，從而有8個評分標(biāo)準(zhǔn)，實行5分制。

（2）確定評價指標(biāo)的權(quán)重。為了使評價結(jié)果更為客觀，采用 AHP法[21-22]計算各層次評價指標(biāo)權(quán)重。AHP是把影響管道失效的各因素條理化的劃分為相關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?。根?jù)故障樹的結(jié)果重要度進行兩兩比較,并將比較結(jié)果進行量化,給出量化值，最終確定全部元素的權(quán)重。因此，五個一級因素和十二個二級因素的權(quán)重矩陣如下所示：

（3）建立評價樣本矩陣。組織5位行業(yè)資深人士,其中3位為大學(xué)教授,另外2位為特檢院現(xiàn)場工作的專業(yè)指導(dǎo)人員。按照評分標(biāo)準(zhǔn)進行評分,求得樣本矩陣。

（4）確定評價灰類和灰色評價系數(shù)，設(shè)定四個評價灰類，即序號為 e =1、 2、 3、 4，白化函數(shù) fe( dijk)設(shè)定對于指標(biāo) B11屬于第e個評價灰類的灰色評價系數(shù)為 X11e，則：

（5）一級指標(biāo)綜合評價，對1B作綜合評價，其結(jié)果為1B，則有：

（6）計算綜合評價值。由各評價灰類等值化向量 C = ( "優(yōu) "， “良”，“中”，“差”) = （4， 3， 2， 1），得到高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道風(fēng)險評估的綜合評價值為：

計算結(jié)果位于區(qū)間（3,4），即結(jié)果介于良優(yōu)之間，故該項目最終評價等級為“良”，說明該天燃?xì)夤艿勒w風(fēng)險性良好，其評價結(jié)果和實際相符。

5 結(jié)論

結(jié)合高原地區(qū)特有因素，分析管道失效機理和風(fēng)險原理，建立了高原地區(qū)埋地鋼制天然氣管道失效故障樹，該故障數(shù)共選取了61個導(dǎo)致管道失效的基本事件，通過對故障樹的最小割集的求解和結(jié)構(gòu)重要度的計算，定性確定了引起管道失效的薄弱環(huán)節(jié)即腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害。

將綜合層次分析法和灰色評估理論有機的結(jié)合，從而將評價因素進行量化處理，解決了多層次、多因素、多變量和非定量化的評估問題。通過在實際中的應(yīng)用體現(xiàn)了該方法有簡便、實用、直接和科學(xué)的優(yōu)點，對不確定因素的量化分析提供了一種方法。

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Risk Assessment Method of Buried Natural Gas Pipeline in Plateau Area

PANG Xu1, ZHU Ping1, ZHU Xue-feng2,3
(1. Special Equipment Safety Inspection Research Institute of Yunnan, Kunming, 650228, China;2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology Kunming, 650500, China;3. Engineering Technology Research Center for Mineral Pipeline Transportation of Yunnan Kunming, 650500, China)

In view of the lack of effective risk assessment methods under the influence of various non-quantitative factors in the buried natural gas pipeline in the plateau region, the pipeline risk failure fault tree is established to determine the five risk factors that cause the pipeline failure, Three-dimensional damage, natural disaster, misuse, design, and thus the establishment of the risk assessment indicators, on the basis of this combined with the integrated analytic hierarchy process to calculate the weight of the corresponding indicators, the use of multi-level gray theory,buried highland natural gas Pipeline risk assessment, the risk factors to quantify the treatment. Combined with the practical engineering application, the risk quantification results of the natural gas pipeline in China are given, and the effectiveness of the risk assessment method is explained.d.

Highland area buried steel pipe; Risk identification; Fault tree; Multi-level gray theory; Risk quantification

F224

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.004

本文著錄格式：龐旭，朱平，朱雪峰. 高原地區(qū)埋地天然氣管道風(fēng)險評估方法[J]. 軟件，2017，38（12）：18-24

“云南省科技惠民計劃項目”(2014RA003)

龐旭(1964-)，男，高級工程師，現(xiàn)主要從事壓力容器和管道檢驗研究工作；朱平(1981-)，男，高級工程師，2009年碩士畢業(yè)于昆明理工大學(xué)化工機械專業(yè)，現(xiàn)主要從事壓力容器和管道檢驗研究工作。朱雪峰(1993-)，女，碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣管道檢測研究和排水管道故障診斷。