基于動態(tài)權(quán)重的同橋并行油氣管道風險評價

吳東容,施 展,趙 飛,王明波,魯佳琪,唐 銘

(1.國家管網(wǎng)集團 西南管道有限責任公司,四川 成都 610500;2.西南石油大學 土木工程與測繪學院,四川 成都 610500)

引 言

管道作為我國戰(zhàn)略資源的運輸工具,預(yù)計到2025年,全國管網(wǎng)規(guī)模將達到24萬公里。未來10年,我國會迎來管道事業(yè)的高峰。其中,并行管道具有“運輸成本低、效率高、戰(zhàn)略作用大”等特點,然而,一旦發(fā)生事故,將會造成不可挽回的巨大損失,因此,深入開展并行管道的風險評價工作迫在眉睫。

目前,國內(nèi)外針對并行管道的研究工作有很多。2016年,Edmilson P S等[1]分析地下平行管道多米諾骨牌效應(yīng)的可能性。2018年,Guo等[2]基于可燃氣體爆炸理論對埋地管道平行間距的風險程度進行了分析,確定了安全間距。2019年,蔣宗岑等[3]分析公路路線與運營燃氣管線近距離并行時的相關(guān)安全影響因素。2020年,ukasz A等[4]研究了位于中歐氣候條件下的交換器氣流分布模式對多管EAHE熱性能的影響。以上研究主要針對并行管道安全間距、熱力影響、施工安全以及管道多米諾效應(yīng),而關(guān)于并行油氣管道風險評價的工作較少,已有的油氣管道安全風險分析研究也未考慮并行管道干擾這一重要因素。

本文擬建立同橋并行油氣管道風險評價指標體系,通過改進的層次分析法與變權(quán)理論相結(jié)合計算影響因子權(quán)重,將考慮并行管道干擾時得到的風險等級與原工況進行對比,以期更為準確地反映并行油氣管道的真實風險,為并行油氣管道的安全運行提供保障。

1 基于層次分析法的指標權(quán)重分析

1.1 改進的層次分析法

首先,基于改進的層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定指標的常權(quán)重。與經(jīng)典AHP相比,改進的AHP構(gòu)造判斷矩陣更便捷,同時不需要一致性檢驗,提高了計算精度,適用性更強[5-6]。具體步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

(2)建立比較矩陣S

(1)

式中：sij=0時,第j因素較重要;sij=1時,兩者同等重要;sij=2時,第i因素較重要。

(3)計算重要性排序指數(shù)ri

(2)

式中：ri為每行元素之和。

(4)構(gòu)造判斷矩陣B

(3)

式中：bij為判斷矩陣B的元素。

(5)求傳遞矩陣C

cij=lgbij。

(4)

式中：cij為傳遞矩陣C的元素。

(6)求最優(yōu)傳遞矩陣D

(5)

式中：dij為最優(yōu)傳遞矩陣D的元素。

(7)求擬優(yōu)一致矩陣E

eij=10dij。

(6)

式中：eij為擬優(yōu)一致矩陣E的元素。

(8)求E的特征向量W′

(7)

求得wi′=(w1′,w2′,w3′,…,wn′)為權(quán)重常向量。

1.2 變權(quán)理論動態(tài)權(quán)重計算

依據(jù)文獻[7-8]可知,固定權(quán)重對不同環(huán)境的風險進行評估時,評價結(jié)果無法反映真實風險情況。因此,本文基于變權(quán)理論對管道風險的指標權(quán)重進行動態(tài)評估。

(1)因素變權(quán)

在實際情況下,指標權(quán)重會跟隨環(huán)境的變化隨時變動,為了適應(yīng)變化,本文引入了變權(quán)模型。狀態(tài)變權(quán)向量是一個客觀存在的狀態(tài),其中,Sx=[S1(X),S2(X),…,Sm(X)],X=(x1,x2,…,xi)。

變權(quán)向量通常滿足3個條件：

(2)變權(quán)計算

評價人員根據(jù)管道實時狀態(tài)給出對應(yīng)的狀態(tài)值,為了避免取值的偶然性誤差,將平均狀態(tài)值代入懲罰-激勵性變權(quán)函數(shù)得到指標均衡函數(shù)

(8)

式中：xi為各風險指標狀態(tài)值。

結(jié)合式(7)、式(8),得到指標動態(tài)權(quán)重：

(9)

2 同橋油氣并行管道風險評價方法

2.1 方法流程

針對傳統(tǒng)的管道風險評價,提出了在原有的基礎(chǔ)上考慮并行管道干擾的并行管道風險評價方法。首先,查閱國內(nèi)外同橋并行油氣管道相關(guān)資料,考慮外部指標、失效后果對管道風險等級的影響,包括第三方破壞、腐蝕、自然與地質(zhì)災(zāi)害等,并對現(xiàn)場走訪調(diào)研,與相關(guān)單位積極溝通,獲取相應(yīng)數(shù)據(jù);其次,在上一步的基礎(chǔ)上增加管道內(nèi)部指標與相應(yīng)數(shù)據(jù),即并行管道干擾項,構(gòu)成同橋并行油氣管道風險評價指標體系;分別對有無并行管道干擾兩種情況下進行各指標動態(tài)權(quán)重計算;對同橋并行油氣管道進行風險等級標準劃分,并通過上述所得數(shù)據(jù)計算風險值,通過所建的等級劃分標準,得到管道的真實風險水平,根據(jù)評價結(jié)果提出風險防控意見,為同橋并行管道風險防控和事故規(guī)避提供理論指導(dǎo)。

2.2 評價指標體系的建立

同橋并行油氣管道多數(shù)處于山區(qū)地帶,地理位置極為復(fù)雜,參考3-QSY1180.3-2014管道風險評價標準并結(jié)合管道的實際情況,建立同橋并行油氣管道外部失效可能性指標。由于同橋并行油氣管道的特殊性,管道發(fā)生泄漏時容易受周圍火源、高溫天氣、極端天氣引發(fā)的火災(zāi)影響產(chǎn)生噴射火等熱輻射效應(yīng),對相鄰管道造成破壞,發(fā)生嚴重的多米諾事故,威脅人民的生命、財產(chǎn)安全以及環(huán)境安全。關(guān)于管道失效可能性內(nèi)部影響因子,即管道相互干擾指標的選擇,應(yīng)當遵循以下原則[9-10]：(1)重點考慮把并行管道運行過程中的危害因素作為風險評價指標;(2)參考相關(guān)法律法規(guī)和安全技術(shù)標準;(3)參考并行管道安全作業(yè)相關(guān)統(tǒng)計資料、安全管理資料及并行管道設(shè)計資料;(4)現(xiàn)場調(diào)研并行管道敷設(shè)方式及路由環(huán)境特點;(5)通過實驗研究和數(shù)值模擬分析并行管道失效影響。考慮并行管道間干擾的同橋并行油氣管道風險評價指標體系見表1。

表1 同橋并行油氣管道失效可能性指標體系Tab.1 Failure probability index system of parallel oil-gas pipelines on the same bridge

管道并行間距不僅在并行管道相互干擾系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置,同時也主動影響或被動影響干擾系統(tǒng)中其他影響因子,產(chǎn)生的熱輻射效應(yīng)和沖擊波效應(yīng),在不同的管道間距下會造成不同程度的破壞[11];空氣溫度較高,出現(xiàn)火源的可能性較大,在管道泄漏時直接引燃泄漏的天然氣形成噴射火,當天然氣泄漏達到一定濃度時,遇見火源會產(chǎn)生威力巨大的沖擊波;風可以影響噴射火的燃燒方向和強度,對相鄰管道與橋梁造成嚴重的安全威脅,同時,較小風速會將泄漏氣體范圍擴大,卻依然在可爆炸的濃度范圍,較大風速時,天然氣濃度會降低至不可爆炸范圍;管道介質(zhì)流速具有快速流動時帶走熱量的特性,從而降低管道受到的熱應(yīng)力;管間防護措施可有效抵御管道遭受的熱應(yīng)力與蒸汽云爆炸產(chǎn)生的沖擊波;不同的管道運行壓力,其抵御爆炸沖擊波的能力也不同,允許范圍內(nèi)運行壓力越大,抵御沖擊能力越強,越不容易失效;管徑越大意味著相鄰管道越近,隨著管徑增大管輸壓力也會相應(yīng)增大,因此在不同管徑作用下,相鄰管道失效概率不同。上下游截斷閥間距越大,管道內(nèi)油氣儲量越大,產(chǎn)生的后果越嚴重,減少上下游管段內(nèi)油氣儲量,進而減少非穩(wěn)態(tài)影響環(huán)境下對相鄰管道的影響[12-13]。

2.3 管道風險等級標準劃分

參照GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》并借鑒英國焊接學會(TWI)將風險等級劃分為低風險、較低風險、中風險、中高風險和高風險。根據(jù)管道實際工況,對失效可能性和失效后果區(qū)間進行調(diào)整,其劃分方法如下：失效可能性1級[Pmin,Pmin+(Pmax-Pmin)3/25];失效可能性2級[Pmin+(Pmax-Pmin)3/25,Pmin+(Pmax-Pmin)6/25];失效可能性3級[Pmin+(Pmax-Pmin)6/25,Pmin+(Pmax-Pmin)13/25];失效可能性4級[Pmin+(Pmax-Pmin)13/25,Pmin+(Pmax-Pmin)21/25];失效可能性5級[Pmin+(Pmax-Pmin)21/25,Pmax]。失效后果A級[Cmin,Cmin+(Cmax-Cmin)3/25];失效后果B級[Cmin+(Cmax-Cmin)3/25,Cmin+(Cmax-Cmin)6/25];失效后果C級[Cmin+(Cmax-Cmin)6/25,Cmin+(Cmax-Cmin)13/25];失效后果D級[Cmin+(Cmax-Cmin)13/25,Cmin+(Cmax-Cmin)21/25];失效后果E級[Cmin+(Cmax-Cmin)21/25,Cmax]。同時結(jié)合專家意見反復(fù)修正,建立并行油氣管道風險矩陣和相對風險等級見表2、表3。

表2 油氣管道風險矩陣Tab.2 Oil-gas pipeline risk matrix

表3 架空并行管道路由環(huán)境風險相對等級劃分Tab.3 Divsion of relative routing environmental risk grade of overhead parallel pipeline

2.4 同橋并行油氣管道路由環(huán)境綜合風險計算模型

關(guān)于并行管道的失效可能性,認為多管并行敷設(shè)應(yīng)視為一個存在失效邏輯上串聯(lián)的工程系統(tǒng),該系統(tǒng)中任意管道失效都會對系統(tǒng)路由環(huán)境造成影響[14]。故可將該系統(tǒng)考慮為一個串聯(lián)系統(tǒng),即系統(tǒng)中任意單元失效會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。計算公式為

P=A1L1+A2L2+A3L3+…+AnLn。

(10)

式中：P為管道的失效可能性值;L為集輸管道失效可能性分值;L1,L2,L3,…,Ln分別為集輸管道第三方破壞、腐蝕、制造與施工缺陷、誤操作等因素的失效得分;A1,A2,A3,…,An分別為失效可能性指標對誘發(fā)管道事故發(fā)生的相對重要度,這里為指標的相對動態(tài)權(quán)重。

同理,失效后果也應(yīng)當為在單管失效后果受體指數(shù)的基礎(chǔ)上因相鄰管道所增加的受體指數(shù),因此,管道的失效后果總分值為

(11)

式中：PH評為介質(zhì)危害性指數(shù)評分;LV評為泄漏量指數(shù)評分;D評為擴散系數(shù)評分;S評為受體評分;PH總為介質(zhì)危害性指數(shù)總分;LV總為泄漏量指數(shù)總分;D總為擴散系數(shù)總分;S總為受體總分。

根據(jù)多介質(zhì)多管道敷設(shè)方式的特點,在肯特法管道風險評價指標體系的基礎(chǔ)上進行建模[15-16],提出適用于多管敷設(shè)方式下管道的風險評價體系?？咸胤ü艿里L險評價包括管道失效可能性與管道失效后果兩部分,兩者的乘積即為風險分值：

RAB=PfACA+PfBCB。

(12)

式中：RAB為管道系統(tǒng)總風險值;PfA為天然氣管道失效可能性分值;PfB為原油管道失效可能性分值;CA為天然氣管道失效后果值;CB為原油管道失效后果值。

3 實例評價與分析

以中緬并行管道跨越橋梁段為例進行分析,其中輸氣管道管徑1 016 mm,管道設(shè)計壓力12 MPa,實際運行壓力6 MPa;輸油管道管徑813 mm,管道設(shè)計壓力15 MPa,實際運行壓力12 MPa,跨越長度280 m,管道沿線自然與地質(zhì)災(zāi)害多發(fā),管道外部涂有防腐層,定期進行清管處理。

3.1 同橋并行管道風險指標權(quán)重計算

基于問卷調(diào)查、在線問詢等方式,邀請并行管道風險分析領(lǐng)域的專家對風險指標進行評判,基于并行管道事故發(fā)生的歷史數(shù)據(jù),討論各風險因素嚴重程度,以構(gòu)造比較矩陣,從而求解得到風險指標常權(quán)重,根據(jù)式(8)、式(9)求解得到風險指標的動態(tài)權(quán)重。

(1)不考慮并行管間干擾時的權(quán)重

中緬并行管道地處山區(qū),當?shù)厥茏匀慌c地質(zhì)災(zāi)害侵擾嚴重,自然與地質(zhì)災(zāi)害占比應(yīng)為各指標之首,且管道為新建管道,腐蝕對管道的作用較小,腐蝕占比應(yīng)相對減小,各指標對應(yīng)權(quán)重情況見表4。

表4 不考慮并行干擾時的指標權(quán)重Tab.4 Indicator weights for pipeline risk evaluation when the interference between parallel pipelines is not considered

(2)考慮并行管間干擾時的權(quán)重

考慮并行管間各指標的權(quán)重計算不僅需要納入并行管道干擾重新計算二級指標權(quán)重,還需對并行管間干擾三級指標進行權(quán)重計算,為管道風險計算提供科學、客觀的依據(jù)。各二級指標以及并行管間干擾三級指標權(quán)重如圖1所示。

圖1 風險指標動態(tài)權(quán)重分布圖Fig.1 Dynamic weight distribution of risk indicators

3.2 同橋并行管道風險評價與分析

通過查閱資料、現(xiàn)場調(diào)研等方式,邀請并行管道風險分析領(lǐng)域的專家對同橋并行油氣管道指標體系進行打分,結(jié)合上述所得指標動態(tài)權(quán)重,利用路由環(huán)境綜合風險計算模型,得到原油管道及路由環(huán)境風險評價結(jié)果,如圖2所示。原油管道考慮并行干擾指標因素所計算出的相對風險值大于忽略并行干擾指標因素所計算出的相對風險值,考慮管道路由環(huán)境所計算出的系統(tǒng)風險值也呈現(xiàn)相同的趨勢,即忽略并行干擾因素將低估風險。同橋并行管道路由環(huán)境忽略并行干擾所計算出的系統(tǒng)相對風險值為13.36,考慮并行干擾所計算出的系統(tǒng)相對風險值為15.50,將所得路由環(huán)境相對風險值與表3中并行油氣管道(原油-天然氣)路由環(huán)境風險相對等級對比可知,并行管道路由環(huán)境處于較低風險,風險可接受。雖然,目前是較低風險,但是由于運營時間以及所處位置氣候環(huán)境的因素,腐蝕失效值得關(guān)注。因此,建議后期考慮加強腐蝕檢測頻率等措施。

圖2 同橋原油管道及路由環(huán)境相對風險值Fig.2 Relative risk values of crude oil pipelines in the same bridge and routing environment

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合改進的層次分析法與變權(quán)理論建立動態(tài)權(quán)重計算模型,精確反映了并行管道的真實風險水平,為并行管道的風險評估提供了可靠的方法指導(dǎo)。

(2)對影響同橋并行油氣管道的風險因素進行全面分析,在原基礎(chǔ)上增加管道并行干擾項,構(gòu)建同橋并行油氣管道風險評價指標體系,并劃分并行管道風險等級標準,基于肯特法建立路由環(huán)境綜合風險計算模型,通過對比考慮管間并行干擾前后的原油管道以及路由環(huán)境風險等級,證實了提出指標的科學性,為并行管道的風險評價提供新思路。

(3)未考慮輸氣管道失效對橋梁的影響,橋梁一旦存在安全事故,將對管道以及周圍的生命和財產(chǎn)安全造成毀滅性災(zāi)難。因此,建議針對管道失效對橋梁的影響展開研究。