基于PSR-物元可拓模型的埋地原油管道风险分析

2020-03-13刘嘉兴孙东钞恒先白会人雷永

油气田地面工程 2020年3期

关键词：物元原油矩阵

刘嘉兴孙东钞恒先白会人雷永

1大连大学建筑工程学院

2河南油田石油工程技术研究院

3中国石化河南油建工程有限公司

4中国石油青海油田分公司采油五厂

原油管道的管理是国家战略规划中的一项重要工作，国家发改委、国家能源局联合发布的《中长期油气管网规划》指出，我国原油管道在2015 年达到了27 000 km，到2025 年将增长至37 000 km，年均增加3.7%[1]。而原油管道的失效可能会造成重大的后果，如经济损失和对社会环境影响等，因此进行埋地原油管道安全风险分析具有重要意义。

目前国内外对于管道内风险分析研究主要集中在单一因素或者模糊综合评价分析上。例如采用肯特方法[2]和云模型[3]评价原油管道泄漏风险，采用层次分析法和模糊数学理论[4]评价第三方破坏的失效概率，应用蒙特卡罗模拟技术[5]对管道爆裂进行可靠性分析，采用腐蚀模型来计算管道剩余强度[6]及寿命预测[7]。由于管道处于地下，获取管道数据难度大，因此，在评价管道性能时一般假定管道物理参数都具有确定性值，且呈不同程度的变化，但是没有考虑到因素之间的相互影响。

本文为了综合考虑埋地原油管道外部载荷变化、制造材料变化，以及内部压力、环境影响引起的变坏等内部和外部因素相互影响，采用基于PSR-物元可拓风险分析方法，建立相应的风险分析模型，并应用于河南油田分公司（鲁南段）的原油管道工程。

1 埋地原油管道PSR 风险分析

“压力”指标（即Pressure）：指本文所研究的埋地原油管道面对的压力，主要包括自然、人为、社会等方面，根据文献研究及工程实际，本文将地下空洞、土质疏松区域、地面沉降、管道占压、施工破坏、人为破坏、植被根系破坏、地震、冻融循环[8]等风险源归为“压力”指标。

“状态”指标（即State）：指本文所研究的埋地原油管道自身的状态，主要包括自身、设计、其他因素等方面，根据文献研究及工程实际，本文将管道腐蚀、管道缺失、管道强度不足、接口情况不良、变形位移、超期服役、管道压力不均、管线埋深、管线涂层厚度[9]等风险源归为“状态”指标。

“响应”指标（即Response）；指各部门面对上述压力指标、状态指标所做出的反应，以保证埋地原油管道的安全运行。根据文献研究及实例，本文将公共教育、巡线力度、地面设施、管道用地标志、法律法规[10]等归为响应指标。

2 研究方法

2.1 ANP 法确定权重

ANP 法能更准确地描述客观事物之间的联系，更适应于复杂系统的决策过程[11]，ANP 可体现许多复杂结构系统内部元素之间的联系与互相反馈的作用过程。

（1）借助超级决策（Super Decision，SD）软件建立网络结构图[12]（图1），并对超矩阵进行计算，最后得出评价指标的权重。

图1 埋地原油管道安全风险源网络结构Fig.1 Network structure of safety risk sources for buried crude oil pipelines

（2）根据埋地原油管道风险源之间的相互影响关系，对风险源之间的重要程度进行两两比较，构造出风险源之间的判断矩阵，并且进行一致性检验，当检验值小于0.1 时则通过检验，证明判断矩阵成立。

（3）运用SD 软件先计算未加权超矩阵，再计算加权超矩阵，最后计算埋地原油管道的风险源权重[13]。

2.2 物元可拓理论

1983 年，我国学者将物元理论与可拓理论相结合总结出物元可拓理论，它是从定性与定量两方面来研究、解决问题的一种形式化工具[14]。传统的肯特危险指数法是将影响管道各个因素独立计算，没有考虑因素之间的关系。

针对埋地原油管道具有的评价指标较多，单因素不相容性及模糊性，物元可拓理论可以综合埋地原油管道各种因素信息，评价结果最终以定量的数值表示，从而较完整、客观地评价埋地原油管道安全等级[15]。

2.3 埋地原油管道风险分析物元确定

物元分析中所表述的对象，即埋地原油管道安全风险分析为“物N”、埋地原油管道安全“特征c”，及N关于c的特征值v，共同构成埋地原油管道风险分析的一维物元。如果分析或评价对象N有n个特征向量c1，c2，…，cn和相应的特征值v1，v2，…，vn描述，可表示为如下公式

式中：R为n维埋地原油管道安全物元，记为R=(N,c,v)

2.4 埋地管道风险分析的经典域、节域确定

埋地原油管道的经典域物元矩阵可以表示为

式中：Roj为埋地原油管道风险源的经典域；Noj为所划分的第j个安全等级（j=1,2,…,n）；ci为第i个评价指标（i=1,2,…,n）；()aojn,bojn为ci对应的评价指标的取值范围，即经典域。

埋地原油管道的节域物元矩阵可以表示为

式中：Rp为埋地原油管道风险源的节域；Np为埋地原油管道风险分析全体风险因素；vpi=(apn,bpn)，为Np对应的评价指标的取值范围，具体划分见表1。

2.5 待评物元模型确定

待评物元模型为

公式（4）中待评价对象Nx的物元表示为Rt。

2.6 关联函数确定

令有界区间Vo=[a,b]的模定义为

某点v到[a,b]的距离为

表1 各个指标对各评价等级的阈值Tab.1 Threshold value of each index to each evaluation level

所以埋地原油管道评价指标关联度

式中Kj(vi)为待评价对象的各评价指标关于各安全等级j的关联度。

Kj(vi)=maxKj(vi)，则评价指标vi属于安全等级j。

2.7 安全等级确定

根据ANP 法确定各指标Ci的权重Wi，，计算待分析的埋地原油管道Rt关于等级的加权关联度为

式中：Kj(Rt)为待分析埋地原油管道Rt的符合评价等级的隶属度。

根据关联度最大的原则，选择Kj(Rt)最大值作为待评埋地原油管道Rt最可能处于的评价等级。

式中：j∗为待评埋地原油管道Rt的变量特征值，通过j∗就可以得知Rt偏向哪个等级。

3 应用实例

河南油田分公司（鲁南段）原油管道工程是国家原油及成品油管道重点项目，工程地处山东半岛南翼、鲁苏两省交界，位于北纬34°～35°之间，属鲁东丘陵。管径为762 mm，压力为9.0/7.5 MPa，输送量可达1 000 t/a，管顶覆土0.8～1.2 m，石方段管沟超挖0.2 m。沿线地层分为粉质黏土、粉土、素填土等，且土壤对钢结构具有中度腐蚀性，部分土壤具有较强的腐蚀性。管道大部分位于耕地内，沿线分布有河流（3 m 内未见地下水）及道路穿越，大部分地段有其他并行（交叉）管线。

根据中石化河南油田分公司、大连理工大学博士等10 位专家经验以及该工程的实际情况，对该埋地原油管道工程风险评价等级进行判断，结果见表1，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示好、较好、中等、差。

根据前文所述的计算步骤所得关联度值见表2，最终评价结果见表3。