基于动态权重的同桥并行油气管道风险评价

吴东容,施 展,赵 飞,王明波,鲁佳琪,唐 铭

(1.国家管网集团 西南管道有限责任公司,四川 成都 610500;2.西南石油大学 土木工程与测绘学院,四川 成都 610500)

引 言

管道作为我国战略资源的运输工具,预计到2025年,全国管网规模将达到24万公里。未来10年,我国会迎来管道事业的高峰。其中,并行管道具有“运输成本低、效率高、战略作用大”等特点,然而,一旦发生事故,将会造成不可挽回的巨大损失,因此,深入开展并行管道的风险评价工作迫在眉睫。

目前,国内外针对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诺骨牌效应的可能性。2018年,Guo等[2]基于可燃气体爆炸理论对埋地管道平行间距的风险程度进行了分析,确定了安全间距。2019年,蒋宗岑等[3]分析公路路线与运营燃气管线近距离并行时的相关安全影响因素。2020年,ukasz A等[4]研究了位于中欧气候条件下的交换器气流分布模式对多管EAHE热性能的影响。以上研究主要针对并行管道安全间距、热力影响、施工安全以及管道多米诺效应,而关于并行油气管道风险评价的工作较少,已有的油气管道安全风险分析研究也未考虑并行管道干扰这一重要因素。

本文拟建立同桥并行油气管道风险评价指标体系,通过改进的层次分析法与变权理论相结合计算影响因子权重,将考虑并行管道干扰时得到的风险等级与原工况进行对比,以期更为准确地反映并行油气管道的真实风险,为并行油气管道的安全运行提供保障。

1 基于层次分析法的指标权重分析

1.1 改进的层次分析法

首先,基于改进的层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)确定指标的常权重。与经典AHP相比,改进的AHP构造判断矩阵更便捷,同时不需要一致性检验,提高了计算精度,适用性更强[5-6]。具体步骤如下：

(1)建立层次结构模型

(2)建立比较矩阵S

(1)

式中：sij=0时,第j因素较重要;sij=1时,两者同等重要;sij=2时,第i因素较重要。

(3)计算重要性排序指数ri

(2)

式中：ri为每行元素之和。

(4)构造判断矩阵B

(3)

式中：bij为判断矩阵B的元素。

(5)求传递矩阵C

cij=lgbij。

(4)

式中：cij为传递矩阵C的元素。

(6)求最优传递矩阵D

(5)

式中：dij为最优传递矩阵D的元素。

(7)求拟优一致矩阵E

eij=10dij。

(6)

式中：eij为拟优一致矩阵E的元素。

(8)求E的特征向量W′

(7)

求得wi′=(w1′,w2′,w3′,…,wn′)为权重常向量。

1.2 变权理论动态权重计算

依据文献[7-8]可知,固定权重对不同环境的风险进行评估时,评价结果无法反映真实风险情况。因此,本文基于变权理论对管道风险的指标权重进行动态评估。

(1)因素变权

在实际情况下,指标权重会跟随环境的变化随时变动,为了适应变化,本文引入了变权模型。状态变权向量是一个客观存在的状态,其中,Sx=[S1(X),S2(X),…,Sm(X)],X=(x1,x2,…,xi)。

变权向量通常满足3个条件：

(2)变权计算

评价人员根据管道实时状态给出对应的状态值,为了避免取值的偶然性误差,将平均状态值代入惩罚-激励性变权函数得到指标均衡函数

(8)

式中：xi为各风险指标状态值。

结合式(7)、式(8),得到指标动态权重：

(9)

2 同桥油气并行管道风险评价方法

2.1 方法流程

针对传统的管道风险评价,提出了在原有的基础上考虑并行管道干扰的并行管道风险评价方法。首先,查阅国内外同桥并行油气管道相关资料,考虑外部指标、失效后果对管道风险等级的影响,包括第三方破坏、腐蚀、自然与地质灾害等,并对现场走访调研,与相关单位积极沟通,获取相应数据;其次,在上一步的基础上增加管道内部指标与相应数据,即并行管道干扰项,构成同桥并行油气管道风险评价指标体系;分别对有无并行管道干扰两种情况下进行各指标动态权重计算;对同桥并行油气管道进行风险等级标准划分,并通过上述所得数据计算风险值,通过所建的等级划分标准,得到管道的真实风险水平,根据评价结果提出风险防控意见,为同桥并行管道风险防控和事故规避提供理论指导。

2.2 评价指标体系的建立

同桥并行油气管道多数处于山区地带,地理位置极为复杂,参考3-QSY1180.3-2014管道风险评价标准并结合管道的实际情况,建立同桥并行油气管道外部失效可能性指标。由于同桥并行油气管道的特殊性,管道发生泄漏时容易受周围火源、高温天气、极端天气引发的火灾影响产生喷射火等热辐射效应,对相邻管道造成破坏,发生严重的多米诺事故,威胁人民的生命、财产安全以及环境安全。关于管道失效可能性内部影响因子,即管道相互干扰指标的选择,应当遵循以下原则[9-10]：(1)重点考虑把并行管道运行过程中的危害因素作为风险评价指标;(2)参考相关法律法规和安全技术标准;(3)参考并行管道安全作业相关统计资料、安全管理资料及并行管道设计资料;(4)现场调研并行管道敷设方式及路由环境特点;(5)通过实验研究和数值模拟分析并行管道失效影响。考虑并行管道间干扰的同桥并行油气管道风险评价指标体系见表1。

表1 同桥并行油气管道失效可能性指标体系Tab.1 Failure probability index system of parallel oil-gas pipelines on the same bridge

管道并行间距不仅在并行管道相互干扰系统中占据非常重要的位置,同时也主动影响或被动影响干扰系统中其他影响因子,产生的热辐射效应和冲击波效应,在不同的管道间距下会造成不同程度的破坏[11];空气温度较高,出现火源的可能性较大,在管道泄漏时直接引燃泄漏的天然气形成喷射火,当天然气泄漏达到一定浓度时,遇见火源会产生威力巨大的冲击波;风可以影响喷射火的燃烧方向和强度,对相邻管道与桥梁造成严重的安全威胁,同时,较小风速会将泄漏气体范围扩大,却依然在可爆炸的浓度范围,较大风速时,天然气浓度会降低至不可爆炸范围;管道介质流速具有快速流动时带走热量的特性,从而降低管道受到的热应力;管间防护措施可有效抵御管道遭受的热应力与蒸汽云爆炸产生的冲击波;不同的管道运行压力,其抵御爆炸冲击波的能力也不同,允许范围内运行压力越大,抵御冲击能力越强,越不容易失效;管径越大意味着相邻管道越近,随着管径增大管输压力也会相应增大,因此在不同管径作用下,相邻管道失效概率不同。上下游截断阀间距越大,管道内油气储量越大,产生的后果越严重,减少上下游管段内油气储量,进而减少非稳态影响环境下对相邻管道的影响[12-13]。

2.3 管道风险等级标准划分

参照GB32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》并借鉴英国焊接学会(TWI)将风险等级划分为低风险、较低风险、中风险、中高风险和高风险。根据管道实际工况,对失效可能性和失效后果区间进行调整,其划分方法如下：失效可能性1级[Pmin,Pmin+(Pmax-Pmin)3/25];失效可能性2级[Pmin+(Pmax-Pmin)3/25,Pmin+(Pmax-Pmin)6/25];失效可能性3级[Pmin+(Pmax-Pmin)6/25,Pmin+(Pmax-Pmin)13/25];失效可能性4级[Pmin+(Pmax-Pmin)13/25,Pmin+(Pmax-Pmin)21/25];失效可能性5级[Pmin+(Pmax-Pmin)21/25,Pmax]。失效后果A级[Cmin,Cmin+(Cmax-Cmin)3/25];失效后果B级[Cmin+(Cmax-Cmin)3/25,Cmin+(Cmax-Cmin)6/25];失效后果C级[Cmin+(Cmax-Cmin)6/25,Cmin+(Cmax-Cmin)13/25];失效后果D级[Cmin+(Cmax-Cmin)13/25,Cmin+(Cmax-Cmin)21/25];失效后果E级[Cmin+(Cmax-Cmin)21/25,Cmax]。同时结合专家意见反复修正,建立并行油气管道风险矩阵和相对风险等级见表2、表3。

表2 油气管道风险矩阵Tab.2 Oil-gas pipeline risk matrix

表3 架空并行管道路由环境风险相对等级划分Tab.3 Divsion of relative routing environmental risk grade of overhead parallel pipeline

2.4 同桥并行油气管道路由环境综合风险计算模型

关于并行管道的失效可能性,认为多管并行敷设应视为一个存在失效逻辑上串联的工程系统,该系统中任意管道失效都会对系统路由环境造成影响[14]。故可将该系统考虑为一个串联系统,即系统中任意单元失效会导致整个系统失效。计算公式为

P=A1L1+A2L2+A3L3+…+AnLn。

(10)

式中：P为管道的失效可能性值;L为集输管道失效可能性分值;L1,L2,L3,…,Ln分别为集输管道第三方破坏、腐蚀、制造与施工缺陷、误操作等因素的失效得分;A1,A2,A3,…,An分别为失效可能性指标对诱发管道事故发生的相对重要度,这里为指标的相对动态权重。

同理,失效后果也应当为在单管失效后果受体指数的基础上因相邻管道所增加的受体指数,因此,管道的失效后果总分值为

(11)

式中：PH评为介质危害性指数评分;LV评为泄漏量指数评分;D评为扩散系数评分;S评为受体评分;PH总为介质危害性指数总分;LV总为泄漏量指数总分;D总为扩散系数总分;S总为受体总分。

根据多介质多管道敷设方式的特点,在肯特法管道风险评价指标体系的基础上进行建模[15-16],提出适用于多管敷设方式下管道的风险评价体系。肯特法管道风险评价包括管道失效可能性与管道失效后果两部分,两者的乘积即为风险分值：

RAB=PfACA+PfBCB。

(12)

式中：RAB为管道系统总风险值;PfA为天然气管道失效可能性分值;PfB为原油管道失效可能性分值;CA为天然气管道失效后果值;CB为原油管道失效后果值。

3 实例评价与分析

以中缅并行管道跨越桥梁段为例进行分析,其中输气管道管径1 016 mm,管道设计压力12 MPa,实际运行压力6 MPa;输油管道管径813 mm,管道设计压力15 MPa,实际运行压力12 MPa,跨越长度280 m,管道沿线自然与地质灾害多发,管道外部涂有防腐层,定期进行清管处理。

3.1 同桥并行管道风险指标权重计算

基于问卷调查、在线问询等方式,邀请并行管道风险分析领域的专家对风险指标进行评判,基于并行管道事故发生的历史数据,讨论各风险因素严重程度,以构造比较矩阵,从而求解得到风险指标常权重,根据式(8)、式(9)求解得到风险指标的动态权重。

(1)不考虑并行管间干扰时的权重

中缅并行管道地处山区,当地受自然与地质灾害侵扰严重,自然与地质灾害占比应为各指标之首,且管道为新建管道,腐蚀对管道的作用较小,腐蚀占比应相对减小,各指标对应权重情况见表4。

表4 不考虑并行干扰时的指标权重Tab.4 Indicator weights for pipeline risk evaluation when the interference between parallel pipelines is not considered

(2)考虑并行管间干扰时的权重

考虑并行管间各指标的权重计算不仅需要纳入并行管道干扰重新计算二级指标权重,还需对并行管间干扰三级指标进行权重计算,为管道风险计算提供科学、客观的依据。各二级指标以及并行管间干扰三级指标权重如图1所示。

图1 风险指标动态权重分布图Fig.1 Dynamic weight distribution of risk indicators

3.2 同桥并行管道风险评价与分析

通过查阅资料、现场调研等方式,邀请并行管道风险分析领域的专家对同桥并行油气管道指标体系进行打分,结合上述所得指标动态权重,利用路由环境综合风险计算模型,得到原油管道及路由环境风险评价结果,如图2所示。原油管道考虑并行干扰指标因素所计算出的相对风险值大于忽略并行干扰指标因素所计算出的相对风险值,考虑管道路由环境所计算出的系统风险值也呈现相同的趋势,即忽略并行干扰因素将低估风险。同桥并行管道路由环境忽略并行干扰所计算出的系统相对风险值为13.36,考虑并行干扰所计算出的系统相对风险值为15.50,将所得路由环境相对风险值与表3中并行油气管道(原油-天然气)路由环境风险相对等级对比可知,并行管道路由环境处于较低风险,风险可接受。虽然,目前是较低风险,但是由于运营时间以及所处位置气候环境的因素,腐蚀失效值得关注。因此,建议后期考虑加强腐蚀检测频率等措施。

图2 同桥原油管道及路由环境相对风险值Fig.2 Relative risk values of crude oil pipelines in the same bridge and routing environment

4 结 论

(1)结合改进的层次分析法与变权理论建立动态权重计算模型,精确反映了并行管道的真实风险水平,为并行管道的风险评估提供了可靠的方法指导。

(2)对影响同桥并行油气管道的风险因素进行全面分析,在原基础上增加管道并行干扰项,构建同桥并行油气管道风险评价指标体系,并划分并行管道风险等级标准,基于肯特法建立路由环境综合风险计算模型,通过对比考虑管间并行干扰前后的原油管道以及路由环境风险等级,证实了提出指标的科学性,为并行管道的风险评价提供新思路。

(3)未考虑输气管道失效对桥梁的影响,桥梁一旦存在安全事故,将对管道以及周围的生命和财产安全造成毁灭性灾难。因此,建议针对管道失效对桥梁的影响展开研究。