山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究

王雯悅， 伍 穎， 尤 瀟， 陳良若

(1.西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川成都610500；2.廣元市天然氣有限責(zé)任公司，四川廣元628017)

1 概述

天然氣屬于易燃易爆品，尤其是地震活躍地區(qū)、山區(qū)輸氣管道的線路工程存在穿跨越活動(dòng)斷層的可能性，高壓輸送介質(zhì)發(fā)生泄漏、火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性更大。一方面地震作用和管道易損性增加了山區(qū)輸氣管道運(yùn)行的失效可能性，另一方面輸送介質(zhì)的產(chǎn)品危害性和管道周邊受體的易損性也會(huì)影響山區(qū)輸氣管道的失效后果。山區(qū)輸氣管道的失效可能性與失效后果構(gòu)成了管道的地震風(fēng)險(xiǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。因此，針對(duì)山區(qū)輸氣管道震害特點(diǎn)，對(duì)引起管道失效的影響因素進(jìn)行識(shí)別、對(duì)管道安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)并針對(duì)失效因素提出切實(shí)可行的風(fēng)險(xiǎn)緩解對(duì)策，對(duì)于山區(qū)輸氣管道地震評(píng)估研究的發(fā)展和山區(qū)輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)的提高具有十分重要的意義。

2 方法理論

2.1 G1法

采用G1法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。G1法即序關(guān)系分析法，是在層次分析法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種權(quán)重賦值方法，減少了確定指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算量，不需要構(gòu)建判斷矩陣，且無(wú)一致性檢查，可操作性強(qiáng)[1]。

指標(biāo)分為基礎(chǔ)指標(biāo)和復(fù)合指標(biāo)。基礎(chǔ)指標(biāo)指能夠表達(dá)評(píng)價(jià)對(duì)象的某一屬性且不可再分的指標(biāo)；復(fù)合指標(biāo)指建立在基礎(chǔ)指標(biāo)之上，可通過(guò)各基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行一定運(yùn)算得到的指標(biāo)，是可再分指標(biāo)。確定各類各層級(jí)指標(biāo)權(quán)重的步驟如下。

① 確定指標(biāo)序關(guān)系

根據(jù)研究對(duì)象中各類各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性，確定各類各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的排序關(guān)系。若評(píng)價(jià)指標(biāo)Ji相對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Jj重要，則記為Ji>Jj。根據(jù)這一原則，結(jié)合專家給出的評(píng)定建議，從各類各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集{J1,J2，…，Jm}中選出最重要的一個(gè)指標(biāo)，記為I1；從剩下的m-1個(gè)指標(biāo)中選出最重要的一個(gè)指標(biāo)，記為I2，以此類推，將最后選出的評(píng)價(jià)指標(biāo)記為Im，這樣確定了評(píng)價(jià)對(duì)象各類各層級(jí)指標(biāo)的重要性由大到小的排序，即確定了序關(guān)系，見(jiàn)式(1)[2]。

I1>I2>…>Ik-1>Ik>Ik+1>…>Im

(1)

② 指標(biāo)的相對(duì)重要性

專家參考表1，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的各類各層級(jí)相鄰評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度之比rk進(jìn)行賦值[2]，rk定義見(jiàn)式(2)。

(2)

其中：

(3)

式中rk——指標(biāo)Ik的相對(duì)重要性

wk-1——指標(biāo)Ik-1的權(quán)重

wk——指標(biāo)Ik的權(quán)重

m——評(píng)價(jià)指標(biāo)集中指標(biāo)的總數(shù)量

rk-1——指標(biāo)Ik-1的相對(duì)重要性

表1 賦值參考

③ 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

通過(guò)G1法判定各類各層級(jí)相鄰指標(biāo)的相對(duì)重要性后進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，權(quán)重計(jì)算公式[2]為：

(4)

wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,2)

(5)

且應(yīng)滿足：

(6)

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.2.1風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的定義，山區(qū)輸氣管道的地震風(fēng)險(xiǎn)由失效可能性和失效后果兩部分構(gòu)成，參考GB/T 27512—2011《埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法》第9條規(guī)定，建立風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算準(zhǔn)則：

R=SC

(7)

式中R——風(fēng)險(xiǎn)值

S——失效可能性評(píng)分

C——失效后果評(píng)分

山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)的失效可能性評(píng)分S由可引起山區(qū)輸氣管道地震時(shí)破裂失效的各指標(biāo)評(píng)分構(gòu)成，失效后果評(píng)分C由管道破裂后產(chǎn)生泄漏造成不良影響的各指標(biāo)評(píng)分構(gòu)成。實(shí)際中，山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各指標(biāo)之間往往存在多重邏輯關(guān)系，指標(biāo)的邏輯關(guān)系影響了復(fù)合指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果。因此，為探究評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系，引入布爾代數(shù)中的“或”門(mén)和“與”門(mén)關(guān)系進(jìn)行指標(biāo)間的邏輯判斷和指標(biāo)的評(píng)分計(jì)算。

將基礎(chǔ)指標(biāo)的評(píng)分設(shè)置為0～5分，復(fù)合指標(biāo)的評(píng)分根據(jù)不同的邏輯關(guān)系采用不同的計(jì)算方式。由于指標(biāo)之間存在重要性差異，因此應(yīng)充分考慮指標(biāo)權(quán)重對(duì)評(píng)分計(jì)算的影響。在邏輯分析中，“或”關(guān)系的指標(biāo)評(píng)分，采用“加和”的方式進(jìn)行運(yùn)算，因此指標(biāo)的權(quán)重會(huì)影響“加和”的結(jié)果；“與”關(guān)系的指標(biāo)評(píng)分，采用“求積”的方式進(jìn)行運(yùn)算，因此指標(biāo)的權(quán)重不會(huì)影響“求積”的結(jié)果。

對(duì)于本文“或”關(guān)系的各類各層級(jí)復(fù)合指標(biāo)評(píng)分應(yīng)采取式(8)和式(9)計(jì)算。

(8)

式中Si——準(zhǔn)則層失效可能性下設(shè)的某復(fù)合指標(biāo)的評(píng)分

wk——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)Ik的權(quán)重

Sk——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)Ik的評(píng)分

t——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)的總數(shù)

(9)

式中Cj——準(zhǔn)則層失效后果下設(shè)的某復(fù)合指標(biāo)的評(píng)分

wl——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)Il的權(quán)重

Cl——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)Il的評(píng)分

n——該復(fù)合指標(biāo)下一層級(jí)指標(biāo)的數(shù)量

對(duì)于本文“與”關(guān)系的各類各層級(jí)復(fù)合指標(biāo)評(píng)分應(yīng)采取式(10)和式(11)計(jì)算。

(10)

(11)

2.2.2風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

參考GB/T 27512—2011《埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法》第10.2條規(guī)定，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4級(jí)，不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)間見(jiàn)表2。表中，RMin為管段的風(fēng)險(xiǎn)最小值，RMax為風(fēng)險(xiǎn)最大值。RMin、RMax取值根據(jù)基礎(chǔ)指標(biāo)的評(píng)分范圍以及指標(biāo)邏輯關(guān)系確定。

表2 管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

通過(guò)實(shí)地考察、調(diào)研山區(qū)輸氣管道運(yùn)行數(shù)據(jù)和沿線地區(qū)地震報(bào)告，建立了以失效可能性和失效后果為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的三級(jí)山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表3。

山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)失效可能性選取了地震危險(xiǎn)性和管道易損性作為一級(jí)指標(biāo)。在地震危險(xiǎn)性方面，考慮地震發(fā)生時(shí)地震本身的災(zāi)害以及地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的影響；在管道易損性方面，考慮管道設(shè)計(jì)與施工、管道缺陷和誤操作的影響。

山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)失效后果選取了產(chǎn)品危害性和受體易損性作為一級(jí)指標(biāo)。在產(chǎn)品危害性方面，考慮天然氣的爆炸與燃燒危險(xiǎn)性以及H2S毒性；在受體易損性方面，考慮人口密度、高價(jià)值地區(qū)、環(huán)境敏感性等受體的情況[3]。

運(yùn)用布爾代數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析。以地震危險(xiǎn)性與管道易損性為例，這兩方面均可單獨(dú)對(duì)管道的失效可能性造成影響，因此判斷兩者之間為邏輯“或”關(guān)系。同理，可分析得到本文的各類各層級(jí)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系。通過(guò)分析，除產(chǎn)品危害性和受體易損性之間為邏輯“與”關(guān)系外，其余各類各層級(jí)指標(biāo)之間均為邏輯“或”關(guān)系。

在指標(biāo)權(quán)重方面，由于指標(biāo)權(quán)重影響邏輯“或”關(guān)系的復(fù)合指標(biāo)評(píng)分，不影響邏輯“與”關(guān)系的復(fù)合指標(biāo)評(píng)分，因此，需計(jì)算邏輯“或”關(guān)系指標(biāo)的權(quán)重。本文根據(jù)專家統(tǒng)一后的意見(jiàn)，采用公式(2)～(5)計(jì)算各類各層級(jí)的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，徑厚比指管道外直徑與壁厚之比。

表3 山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

續(xù)表3

在指標(biāo)評(píng)分方面，基礎(chǔ)指標(biāo)采用專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告、竣工數(shù)據(jù)和專家意見(jiàn)結(jié)合的方式對(duì)基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，基礎(chǔ)指標(biāo)評(píng)分范圍為0～5分。各類各層級(jí)的復(fù)合指標(biāo)評(píng)分通過(guò)指標(biāo)邏輯關(guān)系的分析和計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合式(8)～(11)得到。

在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方面，由于基礎(chǔ)指標(biāo)評(píng)分范圍為0～5分，因此，可以計(jì)算得到山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)最大值為125分，風(fēng)險(xiǎn)最小值為0分。根據(jù)表2，可得山區(qū)輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。

表4 山區(qū)輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 西南山區(qū)某輸氣管道案例分析

以四川西南山區(qū)某輸氣管道為例進(jìn)行山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。根據(jù)前期調(diào)研，該輸氣管道長(zhǎng)約344.8 m，沿線工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為I級(jí)。邀請(qǐng)專家根據(jù)表5對(duì)該管段商議并統(tǒng)一意見(jiàn)后評(píng)分，評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)評(píng)分依據(jù)

續(xù)表5

表6 四川西南山區(qū)某輸氣管道專家評(píng)分

根據(jù)表3、6以及公式(8)～(11)可以計(jì)算出各類各層級(jí)的復(fù)合指標(biāo)分值以及管道的風(fēng)險(xiǎn)值，風(fēng)險(xiǎn)值為9.48，屬于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，該輸氣管道目前沒(méi)有因地震造成的管道失效記錄，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，說(shuō)明建立的山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型具有可靠性。

5 結(jié)論

① 提出了采用布爾代數(shù)對(duì)指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行邏輯分析，并應(yīng)用邏輯“或”關(guān)系和“與”關(guān)系的各類各層級(jí)復(fù)合指標(biāo)評(píng)分計(jì)算方法，適用于建立的具有多重邏輯關(guān)系的山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

② 分析了山區(qū)輸氣管道地震的失效可能性、失效后果，從地震危險(xiǎn)性、管道易損性、產(chǎn)品危害性和受體易損性4方面建立了山區(qū)輸氣管道地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。將該模型應(yīng)用于西南山區(qū)某輸氣管道實(shí)際評(píng)價(jià)中，效果良好，說(shuō)明該模型具有可靠性。