結(jié)合可拓模型的環(huán)焊縫風險評價研究

楊大慎，姜紅濤，徐晴晴，關(guān)豐旭

（1.中國石化銷售公司華南分公司，廣東廣州 510620；2.中國石油大學（北京），北京 102249；3.沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142）

近年來隨著石油化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，長輸油氣管道的安全事故也時有發(fā)生，其中環(huán)焊縫開裂為事故發(fā)生主要原因。據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，自2011年以來有8起管道環(huán)焊縫開裂事故發(fā)生，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導致的，另外2起事故是管體外部存在較大外力導致的焊縫開裂[1]。在事故分析中發(fā)現(xiàn)導致環(huán)焊縫開裂的因素不盡相同。因此，在環(huán)焊縫風險評價過程中，風險評價指標體系的建立和指標權(quán)重分配起到了關(guān)鍵作用。

本文根據(jù)當下國內(nèi)管道的基本情況構(gòu)建了環(huán)焊縫風險評價指標體系，將可拓分析方法應(yīng)用于環(huán)焊縫風險評價模型當中，利用實際管道數(shù)據(jù)進行了驗證，確定了環(huán)焊縫風險評價指標的風險權(quán)重和風險等級，反映了對應(yīng)環(huán)焊縫的風險狀況，為后續(xù)工作提供了技術(shù)支持。

1 構(gòu)建環(huán)焊縫風險評價指標體系

1.1 風險因素識別

針對以往環(huán)焊縫開裂事故進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，影響環(huán)焊縫質(zhì)量的因素主要包括4個方面：環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理[2]。其中，環(huán)焊縫缺陷和管體材料性能因素屬于焊縫自身缺陷，可通過提高技術(shù)手段來避免此類缺陷；管體外部載荷和施工質(zhì)量管理因素，屬于設(shè)計管理缺陷，此類缺陷需要施工方給出合理設(shè)計方法及有效的管理方案來保證管體的實際施工安全性[3]。

1.2 指標體系構(gòu)建

參考GB 32167—2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，結(jié)合施工現(xiàn)場報告和后期環(huán)焊縫質(zhì)量檢測報告，將環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理4類主要影響因素重新進行細化，綜合利用管道安全分析方法，最終構(gòu)建了以環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理為1級指標，環(huán)焊縫底片質(zhì)量和開挖驗證情況等為2級指標的環(huán)焊縫風險評價指標體系[4]，如圖1所示。

2 構(gòu)建物元多級可拓評價模型

圖1 環(huán)焊縫風險評價指標體系示意圖

可拓理論與安全評價的結(jié)合是目前較為流行的評價方法，其中可拓理論中的物元理論與可拓集合理論相結(jié)合形成動態(tài)評價模型，針對安全評價過程中的變量進行區(qū)域化，將復雜的安全評價模型劃分成相互關(guān)聯(lián)的評價單元[5]。以可拓理論為基礎(chǔ)將具體的參變量進行量化，對油氣管道環(huán)焊縫安全相關(guān)的影響因素進行分析，進一步建立環(huán)焊縫風險評價的物元可拓模型，確定評價模型的值域、經(jīng)典域和節(jié)域[6]。結(jié)合環(huán)焊縫風險評價指標體系，確定安全評價指標的權(quán)重系數(shù)，建立多級評價指標關(guān)聯(lián)函數(shù)，運用建立的可拓模型對油氣管道環(huán)焊縫進行風險評價。

2.1 計算各指標權(quán)重

通過對環(huán)焊縫風險評價指標進行具體分析，利用層次分析模型構(gòu)建環(huán)焊縫風險評價指標判斷矩陣，依據(jù)A.L.Saaty1-9標度法對次級指標進行加權(quán)判斷其相對重要性，將同級指標兩兩之間相互比較以一級指標為例建立判斷矩陣A[7]。

其中，Saaty1-9標度法指標相對重要度定義如表1所示。

表1 Saaty1-9標度法含義

計算結(jié)果可靠性需要對結(jié)果進行一致性檢驗，采用求根法計算最大特征根λ[8]。若結(jié)果通過一致性檢驗，則判斷矩陣的特征向量w其對應(yīng)評價指標的權(quán)重值。使用橫向連乘求根法得到判斷矩陣，進行歸一化處理求出判斷矩陣的特征向量[10]。計算判斷矩陣最大特征值λ，求出最大值計算一致性指標，計算一致性比率，若得到一致性比率小于0.1，則證明判斷矩陣通過一致性檢驗[11-14]。依次對各風險評價指標集進行計算，得到各元素組指標的權(quán)重集合：

環(huán)焊縫缺陷 C1：{0.528，0.128，0.216，0.128}；

鋼材性能 C2：{0.333，0.3333，0.333}；

管道外部載荷 C3：{0.337，0.095，0.049，0.519}；

施工質(zhì)量管理 C4：{0.108，0.451，0.244，0.197}。

2.2 風險評價關(guān)聯(lián)度等級計算

通過可拓評價模型的經(jīng)典域和值域計算環(huán)焊縫風險評價指標與定義的風險評價等級的最大貼近度。建立二級評價指標關(guān)于一級指標的關(guān)聯(lián)度函數(shù)[15-17]，見公式（1）。

Kij為二級指標對應(yīng)其一級指標的關(guān)聯(lián)度；nik為二級指標打分分值；aji，bji為二級指標所在等級評分上下限。得到各元素組關(guān)聯(lián)度指標集合，以環(huán)焊縫缺陷C1為例：

環(huán)焊縫缺陷C1：

2.3 環(huán)焊縫風險評價可拓計算

逐級向上計算環(huán)焊縫風險評價關(guān)聯(lián)度，權(quán)重向量w與關(guān)聯(lián)度K相乘，得到加權(quán)后的環(huán)焊縫風險等級關(guān)聯(lián)度矩陣 K（S），計算過程如公式（2）[18-19]。最后對環(huán)焊縫風險評價總體指標進行計算。

式中K（S）為環(huán)焊縫風險等級關(guān)聯(lián)度；win為一級指標權(quán)重；km（cin）為對應(yīng)指標關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)一級指標關(guān)聯(lián)度及權(quán)重系數(shù)可計算出環(huán)焊

縫風險評價關(guān)聯(lián)度矩陣，如公式（3）。

計算得到可拓風險評價結(jié)果：KMAX（S）=0.2114=K1（S）。確定被評價環(huán)焊縫的風險等級為Ⅰ級，屬于風險等級最低，風險可忽略。采取此方法對長輸油氣管道環(huán)焊縫進行整體性評價，對評價結(jié)果不合格的環(huán)焊縫進行維修整改，提高管道整體可靠性[20]。

3 結(jié)論

（1）利用環(huán)焊縫風險評價指標體系建立了環(huán)焊縫風險評價模型，包括4個一級指標和14個二級指標。

（2）使用層次分析標度法，對每個環(huán)焊縫風險評價指標進行權(quán)重量化，使用可拓模型對待評價環(huán)焊縫進行可拓關(guān)聯(lián)計算，得出環(huán)焊縫評價結(jié)果為低風險等級，環(huán)焊縫風險可忽略。

（3）本方法適用于長輸油氣管道中的環(huán)焊縫風險評價且準確可靠，為環(huán)焊縫風險分級提供了新思路。