基于指标修正的AHP-FCEM法长输油气管道风险评价

2024-02-26王新慧丁彦龙赵金强吴占稳

中国特种设备安全 2024年1期

李恒王新慧丁彦龙赵金强吴占稳

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

根据国家市场监督管理总局的通告，截至2021年全国范围内在册压力管道总里程为75.75万km[1]，并且逐年在快速增长。油气管道承担着“国家血管”的作用，其发展已上升到国家层面，油气管网的有效建设和经济发展息息相关。特别是事故发生后，极可能造成重大的经济损失以及人员伤亡，并会造成巨大的社会舆论，因此开展基于风险评价工作对提高管道管理水平至关重要。

近年来，国内的高校及科研院所开展了大量的关于管道风险评估的研究：郭岩宝等人[2]构建了城镇燃气PE管道的风险事故树，基于主要风险因素，利用灰色理论基础研究在用管道潜在风险，并提出隐患消除措施；范文琪[3]利用层次分析法，以某地区的油气管道为研究对象，借助安全及经济法等理论，研究在用管道存在的主要风险，并对风险度进行量化，指导企业开展有效管控；王维斌[4]总结了我国长输油气管道的管理需求，提出基于大数据的风险管理理论，采集管道使用周期内的相关数据，进行清洗整合，为后期管理决策提供支撑。相比于成套承压化工装置风险评价的研究，长输油气管道仍未形成相对系统有效的评价方法。本文在多位学者研究的基础上，提出基于指标修正的层次分析法-模糊分析综合评价法的长输油气管道风险评价方法，组织行业专家调研行业典型管道的使用管理现状，了解客户需求，以层次分析法为基础，初步建立风险评价模型，并对指标体系进行优化，最后利用模糊综合评价法对使用管理风险进行等级量化，并提出消险措施。

1 评价模型搭建

长输油气管道相比其他类型而言，设备结构相对简单、功能单一，但是实质上其敷设地区环境多变，运行过程中存在诸多不可控因素，给使用管理工作带来更高挑战。本文提出一种多重理念相互结合的风险评价方法，具体工作流程如图1所示。

图1 风险评价流程

1.1 评价体系的初步建立

本文组织行业内相关专家，以长输油气管道的设计、施工、验收及检验规范为基础，同时参照和结合现行的GB/T 27512—2011《埋地钢质管道风险评估方法》及GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》等安全评价及完整性管理规范，基于层次分析法思想，分析各影响因素的因果关联关系，初步建立风险评价模型[5-9]，包含5个I级指标、23个Ⅱ级指标、66个Ⅲ级指标，见表1。

表1 评价体系初步模型

1.2 层次分析法确定指标权重

层次分析法（Analytic Hierarchy Process）是将评价目标按照因果关联关系进行层次结构划分，比较同级指标之间的重要性，按照要求赋予比值，求得各层指标的权重，然后再递归求得每一层指标对总目标的权重[10]。该方法适用于层次结构较复杂、指标互相交错、难以确定的方案的决策，满足长输管道评价指标权重确定的要求，具体步骤如下：

1）构建判断矩阵

为保证评价结果的有效性，组织涉及长输管道行业内的制造、安装、使用、检验及安全管理等方面的专家，组成评价工作组，采用1～9标度法进行打分，构造判断矩阵P见式（1），赋值标准见表2。

表2 1～9标度法赋值标准

式中：

pij——第i个指标的重要性与第j个元素重要性的比值。

2）计算特征向量、最大特征值

利用和积法对初步构建的判断矩阵进行归一化处理，得到标准化矩阵cij；接着将标准化矩阵按行求和，得到ri；最后求得矩阵特征向量的近似值ωi，计算过程见式（2）。

3）一致性检验

利用层次分析法构建的判断矩阵主要依据评价专家的行业经验，在部分赋值方面存在一定主观性，需对矩阵进行一致性检验。首先计算矩阵的最大特征值λmax，其次计算一致性指标CI，最后求得单次一致性比率CR单，其中指标RI的数值选取见表3。当CR单＜0.10时，满足一致性检验的要求，否则认为矩阵构建不合理，未通过一致性检验。计算过程见式（3）。

表3 随机一致性指标RI对照表

通过一致性检验的矩阵的特征向量的近似值即可作为评价指标的权重向量，然后再利用体系各层次之间的递归关系，可得到所有方案层对总目标的权重指标，记为ωi。

1.3 区间估计分析理论优化评价体系

长输油气管道相比其他类型的特种设备，是一个多学科交叉的设备，评价体系中最底层指标多而繁杂，部分指标对评价结果的影响极小，可称之为“弱权重指标”，因此为保证评价具有可操作性，在可行的情况下需对评价体系进行优化，剔除“弱权重指标”[11]。具体步骤如下：

1）确定指标权重宽度

假设ω上、ω下分别为某评价范围内指标的最大值和最小值，两者差值记为Li，最终优化的指标权重将落在Li范围内，即为指标宽度，评价体系中Li的最大值Lmax可用来衡量评价系统的偏差和不确定性。

2）指标体系优化

若某指标的权重小于体系的权重宽度最大值Lmax，可认为该指标产生的影响在评价过程中会被海量计算数据淹没，也就是“弱权重指标”。建立优化原则：指标体系某指标的ωi≤Lmax时，剔除该指标；为保证计算的操作性，对原有的四层评价体系进行整合，形成简单有效的三层评价体系[12]。

1.4 基于模糊法的长输油气管道风险评价

模糊综合评价法（Fuzzy Comprehensive Evaluation Method）是由美国自动控制专家查德提出的一种基于模糊数学理论的综合评价方法，具有系统性强，友好地规避指标难以量化、模糊性的问题，适合长输管道的风险评价工作[13]。具体步骤如下：

1）评价体系因素集、评语集构建

根据风险评价体系及要求，分别建立不同层级的因素集，即X=（x1，x2，…，xm）；根据风险评价的最终等级划分要求，建立评语集，如“低风险、中风险、高风险”等。

2）评价隶属矩阵R的确定

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用模糊评价矩阵Rk来表示评价指标与评语集之间的关联关系。由若干名管道相关领域的专家组成评价组进行分析和打分，并对结果归一化处理，得到模糊评价矩阵[14]，见式（4）。

式中：

rij——指标i相对评价集第j个评价等级的隶属度。

3）模糊综合评价向量的确定

首先采用模糊运算法则逐一计算准则层中每个评价因子对应评语集的评价向量，构成指标层的评价向量Bi，见式（5）。

然后按照上述方法计算评价目标对应评语集的模糊评价向量Ai。最后根据最大隶属度原则，确定评价结果。

2 计算实例

以某油田的一条长输管道为例，该管道投用于1997年，长度为365 km，介质为凝析油，材质为X52，设计压力为6.3 MPa，使用压力为3.2 MPa，规格为426 mm×8 mm，主要用于外输油气处理站的半成品油，经济作用极为重要。管道沿线环境多变，敷设区域涉及沙漠戈壁、农田、村庄、林场等，同时穿越河流、公路、铁路等，管理维护成本较高。使用本文提出的方法对该管道安全状况进行评价验证。

2.1 评价体系建立及指标权重确定

根据本文中“1.2”叙述的指标权重的计算方法，计算初始体系的所有指标权重，并按照“1.3”中的方法对指标进行筛选整合，剔除“弱权重指标”，限于计算工作数据量较大，实际计算过程采用MATLAB软件，将原有的23个Ⅱ级指标、66个Ⅲ级指标进行优化，最终形成包含5个I级指标、25个Ⅱ级指标的评价体系，具体如图2所示。

图2 最终安全评价体系

2）最终体系指标权重确定

组织评价组对优化后的评价体系指标进行打分赋值，构造出判断矩阵A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C以及B5-C，具体见式（6）～式（11）。

根据式（2）和式（3）计算得到判断矩阵A-B的最大特征值λmax=5.195 9，CI=0.049 0，RI=1.12，CR=0.043 7＜0.1，满足一致性检验，则权重矩阵ωA=（0.106 6，0.162 4，0.190 9，0.251 7，0.288 4）T可接受。同理计算B1-C、B2-C、B3-C、B4-C以及B5-C权重矩阵，具体结果见表4。

表4 评价指标计算值

2.2 基于模糊法风险评价实施

1）确定评价体系因素集和评语集

根据本文构建的长输油气管道风险评价体系将指标层分为2个层次。

第一指标因素集：A={B1，B2，B3，B4，B5}={第三方破坏因子，腐蚀破坏因子，失效后果因子，管道本体质量安全因子，使用管理维护因子}。

第二指标因素集：B1={C11，C12，C13，C14，C15}={自然灾害，地质自然沉降或土质流失，管道埋深，地面装置及保护装置，巡线}等。

另外，将评语集分为5个等级V={V1，V2，V3，V4，V5}，具体划分细则见表5。

表5 风险等级划分

2）确定评价隶属矩阵

建立评价隶属矩阵，利用本文建立的评价模型，对实例管道的综合风险进行评价。本文采取的打分原则：专家组团队不少于12人，去掉不合理的打分，留下至少10个分值取平均值。打分结果见表6。

表6 评价指标打分结果

3）第二级综合评价

依据式（5）分别计算准则层的5个评价因子的模糊综合评价向量，如第三方破坏因子的计算结果：B1=ω1×R1=（0.031 2，0.024 0，0.024 7，0.018 1，0.008 6）。同理求得其他4个评价因子的模糊综合评价向量，分别是腐蚀破坏因子B2=（0.052 0，0.052 5，0.033 3，0.016 1，0.008 4）；失效后果因子B3=（0.020 0，0.032 8，0.055 1，0.061 2，0.021 9）；管道本体质量安全因子B4=（0.044 9，0.034 5，0.063 7，0.064 7，0.043 9）；使用管理维护因子B5=（0.044 3，0.054 6，0.084 1，0.066 1，0.039 3）。

4）总目标最终模糊综合评价

计算准则层5个评价因子模糊评价向量，即可作为目标层的隶属度评价矩阵，求得最终的目标评价向量A=（0.039 7，0.041 8，0.058 8，0.051 6，0.028 8），根据模糊综合评价最大隶属度原则，可知该管道的综合评价级别为“中等”，最大隶属度为0.058 8，结合2.2章节1）中5个风险等级，该最大值落在V3等级，按照隶属原则，判定为中等风险，同时考虑该向量中第二大的数据为0.051 6，根据隶属原则，该管道的风险虽属中等风险，但偏向于较高风险。

由二级评价结果可知，第三方破坏因子的最大隶属度为0.031 2，评价级别为“低”；腐蚀破坏因子的最大隶属度为0.052 5，评价级别为“较低”；失效后果因子的最大隶属度为0.061 2，评价级别为“较高”；管道本体质量安全因子的最大隶属度为0.064 7，评价级别为“较高”；使用管理维护因子的最大隶属度为0.084 1，评价级别为“中等”。分析实际情况，管道敷设区域人文环境相对简单，整体人员密集程度不高，第三方破坏的影响较低；敷设环境属于西北沙漠戈壁地带，气候干燥，且输送介质已在首站初步进行处理，腐蚀的风险相对较低；该管道敷设区穿越数个村庄及小镇，少量地区人员相对较密集，而且此管道是连接2个重要油气站场的生命线，经济作用至关重要，发生事故或泄漏会严重影响周边居民生命健康安全及首末站的经济效益；投用时间较长，已达25年，技术资料丢失严重，检验检测后的整改工作实施难度较大；该管道敷设长度较长，由4个下属机构管理，多方协调机制、安全管理制度等仍需进一步完善提高。

综合评价该管道的风险等级为“中等”，偏向“较高”，需针对性地提出措施，并实施整改，如联合管道经过的地区政府，开展高后果区的识别，可能的情况下开展隐患整治活动，提前消除风险；开展基于风险的检验和风险评价工作，并对已发现的隐患进行安全评估，降低检验和整改成本；完善管理制度和沟通协调制度，并积极开展应急演练活动，保证风险可控[15]。