基于物元多級可拓模型的環(huán)焊縫風險評價方法研究*

關(guān)豐旭 徐晴晴 楊大慎 董紹華 王美聰

1沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院

2中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院

3中石化銷售公司華南分公司

管道環(huán)焊縫是管道最薄弱的環(huán)節(jié)，環(huán)焊縫的質(zhì)量往往決定了管道整體的質(zhì)量。管體以及焊接材料、焊接技術(shù)、管道周圍地質(zhì)情況等，都對環(huán)焊縫的質(zhì)量有著一定的影響[1]。近年來，國內(nèi)外管道環(huán)焊縫開裂事故頻發(fā)，無論是早年完成施工的管道，還是近些年有高技術(shù)背景支持的新管道，都有環(huán)焊縫開裂事故的發(fā)生。國內(nèi)舊管道的焊接工藝和當時的管理制度并不完備，存在著一定數(shù)量的不可靠焊口，事故時有發(fā)生。采用新工藝的高強鋼焊接管道，在焊接水平上要遠遠高于之前的舊管道。但據(jù)調(diào)查顯示，自2011 年以來仍發(fā)生8 起管道環(huán)焊縫開裂事故，事故管道均是采用新工藝的管道，其中6起事故是由于焊縫缺陷而導(dǎo)致的，另外2 起事故是管體外部存在較大外力導(dǎo)致的焊縫開裂[2]。

焊縫作為管道最為重要的特征之一，是管道最易發(fā)生事故的連接不飽和處，也是應(yīng)變集中發(fā)生的薄弱位置。通過矯頑力的計算和彈塑性模量計算，以及漏磁無損內(nèi)檢測分析可有效排查焊縫異常情況，但仍有部分異常焊縫無法進行辨別確認[3]。

如果將所有的存疑焊口都進行開挖驗證，不但浪費大量人力、物力，也會導(dǎo)致管道無法運行，消耗大量資源。因此，對環(huán)焊縫的風險評價與分級管控非常重要。本文建立環(huán)焊縫風險評價模型，采用多級可拓評價方法對管道進行環(huán)焊縫風險評價和分級，對不同等級的焊縫采取不同的處理措施。針對其中風險因素較高的或者風險不可接受的焊縫進行開挖驗證和修復(fù)，以確保環(huán)焊縫的風險因素在可接受范圍內(nèi)，管道能維持正常運行[4]。

1 多級可拓評價模型建立

1.1 評價指標體系

圖1 管道環(huán)焊縫安全評價指標體系Fig.1 Safety evaluation index system of pipeline girth weld

通過對近年來環(huán)焊縫開裂事故統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，主要原因來自于焊縫缺陷、鋼材性能、管體負荷以及管理和技術(shù)因素四方面（圖1）。其中焊接缺陷包括未熔合、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣、裂紋等，根據(jù)GB 32167—2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》，將焊縫缺陷主要分為平面型缺陷和體積型缺陷兩類：平面型缺陷包括裂紋、咬邊、未熔合、未焊透等；體積型缺陷包括氣、孔夾焊縫內(nèi)凹等[5]。存在焊接缺陷的焊縫在管體外部負荷的作用下，在缺陷處開始發(fā)生開裂并逐漸擴大導(dǎo)致事故發(fā)生[6]。鋼材性能方面可通過GB/T19624—2004、API1104—2013 等標準，對管線鋼材性能進行評價。管體負荷方面針對管體敷設(shè)當?shù)氐刭|(zhì)情況，以及施工過程的操作質(zhì)量進行評價。技術(shù)因素方面，可對施工管理方文件進行審查，對其管體敷設(shè)設(shè)計進行評價，對其管理制度進行審核，從而對整體管理進行綜合打分[7]。

1.2 可拓評價理論

1.2.1 確定經(jīng)典域物元

管道焊縫安全評價經(jīng)典域物元表達式為

式中：Mj為環(huán)焊縫失效風險等級，j=1，2，3，4；C為環(huán)焊縫失效的一級指標；Nj表示環(huán)焊縫失效在第j等級的分值范圍，ajn、bjn為分值上下限。

表1 環(huán)焊縫失效風險評價等級Tab.1 Failure risk evaluation level of girth weld

環(huán)焊縫失效風險評價等級見表1。

1.2.2 確定節(jié)域、待評價物元

確定管道焊縫安全評價節(jié)域R

N取值范圍為各個指標的全部范圍。

由式（2）及表1 得到環(huán)焊縫風險評價節(jié)域（以C4為例）。

確定待評價物元

式中：Ni為一級指標對環(huán)焊縫失效風險的對應(yīng)分值。

2 權(quán)重系數(shù)確定

環(huán)焊縫失效風險評價依據(jù)API579 等規(guī)范，考慮環(huán)焊縫各方面因素對其各個參數(shù)進行評分。在評分過程中依據(jù)相關(guān)規(guī)定以及評價規(guī)范，對各個參數(shù)進行權(quán)重計算。以往的評分手段在評分過程時給予不同參數(shù)不同的最大分值，采用累計評分法對環(huán)焊縫風險水平進行評價[8]。采用累計評分法時風險評價參數(shù)的權(quán)重判斷多為百分數(shù)式判斷，即某一因素相對于評價主體的影響占據(jù)多大權(quán)重，各部分權(quán)重百分比相加為1，影響因素之間往往不會存在相互比較；且主觀判斷性較強，在不同專家打分判斷權(quán)重時易出現(xiàn)側(cè)重點不同，而導(dǎo)致在評判風險因素權(quán)重時出現(xiàn)較大差異[9]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)分析法

經(jīng)典的層次分析法將各個影響因素分為不同組別，按照隸屬關(guān)系逐級分層，再利用影響因素之間相互比較得到判斷矩陣，從而計算各個影響因素的權(quán)重。層次分析法適用于層次內(nèi)部元素相對獨立的問題，對于元素之間存在相互作用的層次結(jié)構(gòu)，通過層次分析法計算得到的權(quán)重值并不能滿足實驗計算要求[10]。為此在層次分析法的基礎(chǔ)上增加了超級矩陣的網(wǎng)絡(luò)分析法計算權(quán)重，以滿足層次間、元素間存在復(fù)雜關(guān)系的問題。網(wǎng)絡(luò)分析法在進行權(quán)重計算時考慮到元素之間的相互作用、相互影響，同時也考慮到隸屬于不同組別的影響因素之間的關(guān)系，有效地避免了經(jīng)典層次分析法的局限性，得到的權(quán)重計算結(jié)果更符合實際[11]。

2.2 建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)

使用Super Decisions 軟件計算網(wǎng)絡(luò)分析法超矩陣權(quán)重。建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)圖，將各個影響因素進行兩兩對比，將得到的判斷陣與加權(quán)超級矩陣進行多次的穩(wěn)定性處理，歸一化處理后得到最終極限矩陣[12]。

根據(jù)圖1，在Super Decisions 中建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 環(huán)焊縫網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)Fig.2 Analysis of network structure of girth weld

充分考慮元素之間的作用關(guān)系，例如C12 底片復(fù)核結(jié)果項受C11 內(nèi)檢測識別缺陷質(zhì)量影響，同時復(fù)合結(jié)果也受到焊接方法C21、焊縫是否存在反修口C35、內(nèi)檢測識別底片是否存在黑口C41 情況的影響，從而建立相互關(guān)聯(lián)表格（表2）。

表2 影響因素關(guān)系Tab.2 Correlation of influence factor

其中二級指標元素存在組內(nèi)關(guān)聯(lián)，同時也存在著組間關(guān)聯(lián)?？紤]元素組內(nèi)關(guān)聯(lián)和組間關(guān)聯(lián)，計算一級指標、二級指標的權(quán)重值。選擇Super Decisions 軟件中的問卷調(diào)查，使用Saaty1-9 標度法，標度含義如表3 所示[13]。

表3 Saaty1-9 標度法含義Tab.3 Implaction of Saaty1-9 scaling

一級指標相互比較問卷調(diào)查得到的權(quán)重值為一級指標權(quán)重值[14]。一級權(quán)重值加權(quán)于二級指標的權(quán)重值，得到相互影響的二級指標權(quán)重值。一級指標其中一個重要性調(diào)查問卷比較如圖3 所示。

圖3 一級指標重要性比較問卷Fig.3 Significance comparison questionnaire of the first grade index

對問卷結(jié)果進行一致性檢驗，結(jié)果如圖4 所示。CR=0.053 61，計算結(jié)果小于0.1，通過一致性檢驗，認為判斷矩陣具有可靠性[15]。

圖4 一致性檢驗Fig.4 Consistency check

在一級指標一致性計算通過后，利用其組間權(quán)重矩陣對超矩陣進行加權(quán)，從而得到加權(quán)超矩陣。同樣地對二級指標進行重要性問卷調(diào)查，部分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 二級指標重要性比較問卷Fig.5 Significance comparison questionnaire of the second grade index

圖6 極限矩陣Fig.6 Limit matrix

對所有指標進行重要性比較，計算得到最終各級指標相對權(quán)重，最終極限矩陣如圖6 所示。由此得到環(huán)焊縫風險評價二級指標的權(quán)重集合：{0.156 46，0.128 85，0.080 88，0.007 59，0.048 63，0.019 36，0.021 02，0.030 67，0.148 31，0.134 21，0.049 83，0.088 61，0.085 59}

3 關(guān)聯(lián)度計算

傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)度計算從低級指標逐級向高級指標遞進式計算評價，需考慮逐級指標對于最終風險評價結(jié)果的權(quán)重值[16]。評價指標分級層次越多，權(quán)重值計算次數(shù)也越多，在權(quán)重值計算過程中，即使采用主觀因素影響較小的Saaty1-9 標度調(diào)查問卷法進行權(quán)重值計算，也無法避免個人對風險評價主觀判斷帶來的偏差。本文關(guān)聯(lián)度計算過程中采用的權(quán)重值，是經(jīng)過一級指標權(quán)重矩陣加權(quán)得到的穩(wěn)定極限矩陣，且極限相對排序向量收斂且唯一[17]。相對于傳統(tǒng)分級Saaty1-9 標度法而言，本文采用的計算方法將一級指標權(quán)重值直接加權(quán)于二級指標的權(quán)重計算，得到的權(quán)重值通過一致性檢驗，判定計算結(jié)果具有良好的可靠性[18]。

3.1 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)

使用可拓理論關(guān)聯(lián)度計算低級指標關(guān)于風險評價的關(guān)聯(lián)度關(guān)聯(lián)函數(shù)式為

3.2 計算環(huán)焊縫風險關(guān)聯(lián)度

計算環(huán)焊縫風險評價二級指標關(guān)聯(lián)度，以C11為例計算關(guān)聯(lián)度，由（4）式得

利用上述計算得到各個風險評價指標關(guān)聯(lián)度，得到關(guān)聯(lián)度矩陣中數(shù)值大于0 項，大于0 數(shù)值所對應(yīng)的評價等級即為該影響因素對應(yīng)的環(huán)焊縫風險評價等級[19]。繪制環(huán)焊縫風險評價指標權(quán)重及關(guān)聯(lián)度表格，如表4 所示。指標分值部分由管道技術(shù)研究專家綜合打分得到，權(quán)重指標部分由前文Super Decisions 軟件計算得到的加權(quán)極限矩陣得到[20]。

表4 環(huán)焊縫安全評價指標權(quán)重值Tab.4 Safety evaluation weight index of girth weld

根據(jù)表4 中各安全評價指標權(quán)重和對應(yīng)關(guān)聯(lián)度，計算出環(huán)焊縫風險評價等級，如式（5）所示。

3.3 評價結(jié)果及分析

計算得出環(huán)焊縫風險評價矩陣為（-0.187 7，0.321 0，-0.395 4，-0.656 4），其中Ⅱ級指標關(guān)聯(lián)度大于0，Kj(S)=0.321 0=K2(S)，確定該環(huán)焊縫位置風險評價等級為Ⅱ級，屬于風險水平有條件接受，需綜合考慮該焊縫整改成本與整改效果，對環(huán)焊縫進行整改?？衫么朔椒▽艿勒w環(huán)焊縫進行風險評價，對于評價結(jié)果為風險較高或高風險的環(huán)焊縫，需開展精細化完整性評價。以此確定被評價焊縫缺陷的承壓能力，完善環(huán)焊縫風險評價模型。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合油氣運輸管道工藝，針對管道環(huán)焊縫風險因素，構(gòu)建了以焊縫缺陷、鋼材性能、管體負荷，以及管理技術(shù)因素為一級評價指標，以內(nèi)檢測缺陷識別、底片復(fù)合結(jié)果等因素為二級評價指標的環(huán)焊縫風險評價體系。

（2）構(gòu)建了基于物元可拓模型的環(huán)焊縫風險評價模型，考慮各影響因素相互不獨立，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析法確定各個影響因素關(guān)于環(huán)焊縫風險的權(quán)重值。

（3）對現(xiàn)有管道環(huán)焊縫進行風險評價分析，得出被測環(huán)焊縫風險評價等級為Ⅱ級，結(jié)果與專家評判法現(xiàn)場評價確認結(jié)果相符，認為此評價模型可靠。

（4）本方法可應(yīng)用于油氣管道環(huán)焊縫的風險評價和分級管理，為環(huán)焊縫風險分級推出了新的思路。