废弃海底管道拆除安全性指标体系构建与模糊评价*

郑亚男，郑西来**，高增文，张玉香

（中国海洋大学1.海洋环境与生态教育部重点实验室；2.环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.青岛大学化学化工与环境学院，山东 青岛 266071）

海底管线是海洋石油平台的重要组成部分。按照相关的法律和法规，在海底管道可能对海洋环境和海洋工程造成影响的情况下，必须对其进行拆除和回收。随着海上石油平台的退役，海底管道的处置对海洋环境及海洋开发利用的影响越来越大，已经成为倍受关注的海洋环境问题，所以废弃石油平台海底管道拆除安全性分级与模糊评价具有科学意义和应用价值。

早在二十世纪中后期，美国和欧洲相关国家就开始海上石油平台及海底管道拆除工作［1］。中国对海上平台及其海底管线的拆除起步较晚，目前仅对少量小型浅海石油平台及其管道进行了拆除。一些学者从拆除方法和实施方案等方面对海底管道拆除进行了研究。Ekins对海洋工程结构的拆除工艺与方法进行分析［2］；张太佶和周愫承分析了海底管线拆除、回收的方法［3］；赵波等人对海底管道的不同弃置方案进行了全面分析［4］。但是，目前缺少对废弃海底管道拆除和回收安全性的评价研究。

海底管道分布区域广、相互牵连，且管道中会残留石油污染物［3］。在废弃平台拆除的过程中，海底管道的拆除涉及不同的工种、人员以及不同作业之间的配合、协调，每个环节的安全都十分重要。每个阶段的工艺机械设备作业环境、工人技术水平及安全意识等因素都会影响到作业和环境的安全性，事先做好安全等级评价和可靠性分析等工作尤为重要。

由于海上工程涉及到大量的复杂现象和多种风险因素的相互作用，因此可以采用模糊数学的方法对其安全性进行定量评价。本文以埕岛油田某海上退役油区为研究区，在现场调查和专家打分的基础上，对海底管道拆除和回收的安全性进行系统分级，并采用层次分析法来确定各指标的权系数，以降低权重确定中主观因素的影响；同时，采用加权平均的方法对模糊综合评价结果进行分析，从而提高评判结果的有效性和准确性。

1 研究区概况

1.1 自然地理

埕岛油田地处黄河三角洲东北部渤海海域，平均水深1.5～20m，属渤海湾南部的极浅海海域。该海区原为黄河入海口，自1855年以来，黄河口在这一带曾多次转移改道，经历了海侵与海退和黄河三角洲进积与蚀退的交替反复过程，滩海浅地层三维结构十分紊乱，地形复杂，是世界上海洋工程环境最复杂的区域之一［5］。本文的研究区位于埕岛油田退役油区，具体位置见图1。

该海域冬季主要受寒潮、冷空气（未达寒潮标准者）影响，冬季极端最低气温达到－18℃，平整冰设计厚度45cm；春、秋季节主要为气旋或气旋引导冷空气影响，其海洋天气现象主要为降水、大风、大浪和风暴潮；夏季主要为气旋或台风影响，海洋天气现象主要为雷暴、降水、大风、大浪，尤其是台风影响时的大风、大浪和风暴潮。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Geographical position of the study area in the Chengdao oil field

研究区水文特征主要体现为：潮差很小，极易受风暴增、减水影响。当强天气系统影响时，风暴增、减水效应可将天文潮规律打乱，致使潮汐出现高、低潮时大幅度延时或颠倒。另外，由于该海区位于半封闭的渤海南部，受渤海口门诸岛的屏蔽作用，外海大浪不易侵入，海区表层流速最大达到1.53m/s，底层流速最大1.3m/s。

1.2 工程概况

到2005年底，埕岛油田已建成平台95座，海底输油管道77条，海底输气管道1条，海底注水管道43条，海底电缆95条。由于分期开发及井口分散，使得海底管道、电缆星罗棋布，布置十分复杂，特别是中心平台及枢纽卫星平台周边区域，有的平台周围海底管道、电缆达到20条之多［6］。

研究区内有海底管道约1 800m，管道埋深为全程管顶埋深1.5m，回填为自然回淤回填。海底输油管道采用双壁管保温结构，内管Φ325×14API X56级无缝钢管，外管Φ426×14API X56级无缝钢管。内外管之间为泡沫黄夹克保温材料，并且每隔一定距离设置锚固件将其连接成1个整体，使内外管共同受力；外管采用环氧富锌底漆结合厚浆环氧煤沥青面漆（缠玻璃布2层）进行防腐，内管外壁采用环氧富锌底漆，内壁采用柔性环氧陶瓷涂料进行防腐；阴极保护采用FFAL-Z-14镯状铝阳极进行。

由于埕岛油田特殊的地理位置、气象和水文条件、复杂的管网布置，以及海上工程较高的设备及技术要求，给海底管道拆除工程的作业安全和环境安全带来较大隐患及风险。

2 安全性指标体系的建立

2.1 评价等级集合的建立

为了评定海底管道拆除工程系统的安全状况，根据多层次模糊评价原理，首先需要确定评判的等级（标准）集合V，即j个评价等级的集合，V＝｛v1，v2，…，vj｝，其中1个等级vj对应1个模糊子集。一般情况下，评价等级数j取3～7中的整数［7］。本文利用语义学标度将海底管道拆除的安全性分为5个评价等级，分别为：很不安全、较不安全、临界安全、较安全、很安全，即：

V＝［很不安全、较不安全、临界安全、较安全、很安全］。

为了最终的定量评定，需要对主观的语义学评价标度进行量化。按照模糊评价法的基本原则，由于各指标权重的影响，最终评价结果的取值应属于某一区间范围［8］。因此，本文采用各评价等级的边界值作为最终评价定级取值的分界点，将其划分为5个取值区间［9］，评价的定量标准及分级见表1。

表1 安全性分级及其定量标准Table 1 Safety grade and quantitative criterion

2.2 多层次评价指标模型的构建

建立评价对象的因素集合U，即m个评价指标的集合，U＝｛u1，u2，…，um｝。评价指标的选取要满足评价对象的完备性、独立性、可行性、通用性4个基本原则。

在大量现场调查和专家咨询的基础上，作者针对不同阶段的施工特点，将海底管道拆除施工过程分为4个阶段：前期准备、清洗作业、拆除作业、运输及监测［10］，并根据各阶段的技术要求，将该过程进一步细分为11个步骤。在此基础上，根据现场调查和专家咨询，将各个步骤的安全性影响因素划分为第一级因子和第二级因子（见表2）。

通过对选取的评价因子进行综合、归纳，可以利用层次分析法原理建立了二级模糊评价的指标体系（见表3）。

表2 海底管道拆除步骤与安全性影响因子划分Table 2 Removal steps and safety impact factors division

3 模糊综合评价步骤

3.1 评价因子权向量的确定

各指标权重的分配是模糊评价模型的关键环节。目前有关权重确定的方法很多，大体可分为主观赋权法和客观赋权法。其中，主观赋权法是根据主观上对各评价指标的重视程度确定权重的一种方法，如德尔菲法、二项系数法、层次分析法等，主观赋权法基本反映了决策者的主观意向，但受主观因素影响较大；客观赋权法主要包括主成分分析法、熵权法、方差加权法等，客观赋权法运用数学原理和模型对原始数据进行定量分析，但忽略了决策者对各个不同指标的重视程度，也无法全面体现各指标的本质差异和实际情Z况［11］。

表3 海底管道拆除安全性评价指标体系Table 3 Safety evaluation index system of offshore pipelines removal

海底管道拆除的安全性评价涉及大量的复杂因素，各因素既有本质区别，又相互关联。层次分析法是在对复杂问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程客观量化［12］。该方法能够满足海底管道拆除的安全性评价的目的和要求。因此，本研究采用层次分析法（AHP）来确定评价指标间的相对重要性次序，从而确定权系数。采用1～9的整数及其倒数的标度方法构造判断矩阵S＝（uij）p×p，并计算出判断矩阵的特征向量A与最大特征根λmax，并且在合成之前进行归一化。

为进行判断矩阵的一致性检验，需计算一致性指标CI，计算公式如下：

对这些CI值平均即得到平均随机一致性指标RI。CI与RI的比值即为随机一致性比率CR：

当CR＜0.10时，认为层次分析排序的结果有满意的一致性，即权系数的分配是合理的，从而确定评价因素的权向量；否则，要调整判断矩阵中各元素取值，重新分配权值。

式中：ai为第i个评价指标的权重。

3.2 模糊关系矩阵的建立

通过对海底管道拆除工程从每个评价因素ui上进行量化，即确定从单因素来看其对评价等级模糊子集的隶属度（R｜ui），进而得到模糊关系矩阵：

式中：rij为第i个评价指标隶属于vj等级的隶属度。

3.3 评价结果向量的计算

利用合适的算子将评价因素的权向量与各被评事物的模糊关系矩阵进行合成，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B，即：

式中：bj为A与R的第j列运算得到，表示被评指标从整体上看对vj等级模糊子集的隶属程度。

3.4 安全性等级的确定

通常，采用最大隶属度原则对模糊综合评价结果向量进行分析，从而确定隶属等级。但在某些情况下，最大隶属度原则会造成信息损失，进而导致不合理的评价结果（即模型失效）。因此，本文采用加权平均的方法来确定海底管道拆除的安全性隶属等级B′：

式中：bj为被评指标对评价等级vj的隶属程度；j为评价等级数。

最后，将所得的B′转换成相应的安全评价分值，即：

4 安全性模糊综合评价的应用

4.1 研究区域数据采集

由于海底石油管道拆除具有很强的专业性，本文系统收集研究区海底输油管道的设计图纸、检测及维修资料等，并对具有丰富海底管道拆除经验的专业技术人员进行问卷调查，采用专家打分的方式收集反馈信息，作为安全评价体系的原始数据。

4.2 一级指标权重的计算

4.2.1 结构判断矩阵的构造 采用层次分析法对四个一级指标（原始资料完备性u1，自然环境u2，技术方案与设备选择u3，管道的情况u4）进行权重计算。根据10位具有中级以上职称的专家（管道工程2人、海洋环境1人、海洋动力1人、海上工程施工2人、海上工程设计2人、安全管理2人）对各指标重要性的评价与排序，采用Saaty提出的1～9的整数及其倒数的标度方法（见表4）对各评价指标的相对重要程度进行定量化［13］。

表4 相对比较标度Table 4 Relative comparing altitude

通过对各指标的重要性进行成对比较，按照表4所示的赋值标准，构造出4×4的判断矩阵S＝（uij）p×p。

4.2.2 权向量的确定

按方根法求特征向量

各M的4次方根为：

由于∑β≠1，应将β归一化，得向量：

一致性检验

（1）求最大特征值λmax

（2）一致性指标计算

（3）一致性比例计算

由表5可以得到矩阵平均随机一致性指标RI＝0.89。

表5 平均随机一致性指标Table 5 Mean random consistency index

4.3 二级指标权重的计算

采用层次分析的方法，构造各个二级指标的判断矩阵，并求出各个二级指标权重。通过一致性检验后，可以得出4个一级指标中各个二级指标的权系数。

那么，原始资料情况的3个二级指标的权向量为：A1＝（0.540，0.163，0.297）；自然环境的4个二级指标的权向量为：A2＝（0.46，0.274，0.124，0.142）；技术方案与设备选择的4个二级指标的权向量为：A3＝（0.398，0.214，0.265，0.123）；管道状况的4个二级指标的权向量为：A4＝（0.328，0.081，0.113，0.478）。

4.4 一级指标综合评价向量的确定

本文采用多维量表法确定模糊关系矩阵R。评价指标与各评价等级的相关程度rij的取值范围为0～1之间，根据李美求等［9］对废弃桩基平台拆除安全性评价等级相关程度的划分标准，可以将海底管道拆除的评价等级相关程度划分为完全相关（1.00）、较相关（1，0.75］、一般相关（0.75，0.50］、较不相关（0.50，0.25］、零相关（0.0）。以“技术方案与设备选择”一级指标为例，评价结果向量的计算过程如下：

首先，运用德尔菲法对10位专家的评价进行汇总、反馈和归纳，检验专家意见的集中程度和协调程度，从而得出各指标对应的安全等级。根据以上相关程度划分标准，确定“技术方案与设备选择”指标的模糊矩阵R3（见表6）。

表6 二级评价指标与评价等级相关程度分析结果Table 6 Correlation degree between evaluation grade and second index

由此，可得技术方案与设备选择一级指标的评价结果向量B3：

同理，可以得出“原始资料完备性”指标的评价结果向量B1＝（0.058 15，0.108 15，0.281 15，0.812 15，0.877 00）；“自然环境”指标的评价结果向量B2＝（0.104 50，0.250 70，0.381 10，0.613 90，0.648 30）；“管道状况”指标的评价向量B4＝（0.870 10，0.768 80，0.250 35，0.130 15，0.074 50）。

由B1，B2，B3，B4组成一级指标的综合评价模糊矩阵R0，即：

最后，综合评价结果向量B0：

4.5 项目安全评价等级的划分

根据加权平均原则，将“原始资料完备性”指标的评价结果向量B1代入式（6），确定评价等级B′1：

可以计算得到原始资料完备程度一级指标的安全评价分值为0.819。

同理，可以计算出“自然环境”指标的安全评价分值为0.745，“技术方案与设备选择”指标安全评价分值为0.453，“管道状况”指标的安全评价分值为0.387。

最后可以得到，该海底石油管道拆除施工的整体安全性等级为：

由式（7）可得，海底石油管道拆除工程的整体安全评价分值为0.530。由表1中的安全分级定量标准可知，海底石油管道拆除工程的整体安全等级为临界安全。

在各一级指标的评价等级中，原始资料完备程度的评价等级最高，属于很安全，说明研究区海底石油管道拆除施工所需要的相关设计图纸、检测报告等原始资料很完整、充分，这对拆除作业的安全施工非常有利；自然环境的安全等级为较安全，说明某海底石油管道拆除施工过程中自然环境状况良好，较为适于海上作业。而管道状况指标的安全评价等级最低，表明海底管道的管道的长度较长、管道材质和管径等情况给切割吊装等作业增加了危险系数，对拆除工程的作业安全产生的影响最大，对其应予以重点关注。

这一评价结果与研究区海底管道拆除工程的实际情况比较吻合，说明海底管道拆除安全性的模糊综合评价可以减少常规评价过程中的主观性，评价结果能很好地体现海底管道的实际情况，对海底管道拆除的安全实施具有重要的应用价值。

5 结论

本文根据具体海底石油管道拆除案例构建了海底石油管道拆除工程安全性的多层次评价指标体系和模糊评价模型。通过对具体工程案例进行安全性模糊评价，得到结论如下：

（1）根据大量现场调查和专家咨询，将海底管道拆除过程的4个主要阶段进一步细分为11个步骤，得出每个拆除步骤的安全性影响因子，从而首次建立了海底管道拆除安全评价的指标体系。

（2）各级安全性指标的模糊评价结果表明，海底管道拆除的技术方案与设备选择和管道状况对拆除安全产生的影响最大，安全级数分别为0.453和0.387，具有较高的危险隐患，需要加强安全管理。

（3）通过海底管道拆除安全性的综合评价和分析，得出该海底石油管道拆除工程的整体系统安全级数为临界安全，需要对安全级数低的高危环节加强安全监测和重点防范。

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