基于博弈论-集对分析法的海底管道泄漏风险评估

2024-04-01刘吼

焊管 2024年3期

刘吼

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳 518067）

0 前言

随着我国经济水平的不断提高，人们对油气资源的需求量也不断提升，开发海上油气资源已成为接续陆上资源的主要手段。海底管道的安全平稳运行对于保障能源安全、维持海洋生态多样性具有重要意义[1-2]。目前，已有学者围绕海底管道运行中的潜在风险进行了评价。张新生等[3]从扰动程度、安全属性和预防措施等三个方面，利用概率神经网络对管道风险进行了评价；余杨等[4]利用毕达哥拉斯算法和贝叶斯网络，计算了管道泄漏的失效概率；淳明浩等[5]结合主成分分析法对影响海管运行的风险因子进行量化，获取了不同管段的综合因子排名。以上研究采用的评价方法具有一定的科学性，但部分方法过于复杂，且在权重计算时只考虑单一类别对权重的影响，指标值的柔化处理不够。基于此，在调研国内外海底管道事故数据库的基础上，建立海底管道泄漏风险评价指标体系，结合博弈论和集对分析法对指标值进行处理，以此得到不同管段的泄漏风险等级。

1 构建海底管道泄漏风险评价指标体系

海底管道平铺在海底或深埋在海泥中，所处环境恶劣，同时由于管道长期服役及海底环境的腐蚀会导致管体发生泄漏；此外，管道的保护措施即承载体的承受能力也会影响管体泄漏事故的发生概率。由此可见，影响海底管道泄漏的因素众多，且与陆上油气管道有较大区别。英联合王国海上石油作业者协会（UKOOA）在1989 年建立了专门统计海底管道（含立管）的失效数据库PARLOC（pipeline and riser loss of containment: North Sea experience），统计的失效原因多为第三方破坏、腐蚀和结构缺陷[6]；美国安全与环境执行局（BSEE）统计了墨西哥湾和太平洋海域的海洋平台作业事故，其中因第三方破坏和腐蚀造成的事故后果占绝对比例[7]；王红红等[8]统计了1986—2016 年期间，中海油所辖的315 条管道发生过的事故频率和所在海域，将事故原因分为腐蚀、第三方破坏、自然与地质灾害、工程质量问题等。

基于此，结合待评价海底管道所在海域的生态环境和管道自身属性，参照上述事故数据的统计结果，从管道腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作、管道结构缺陷和管理缺陷等因素出发，建立风险评价指标体系，如图1所示。

图1 海底管道泄漏风险评价指标体系

将风险等级划分为低（I）、较低（II）、中（III）、较高（IV）和高（V），其中H2S腐蚀、CO2腐蚀、海水腐蚀、防腐层失效、阴极保护失效、渔船密度、航运船密度、地震、台风、管材缺陷、管道埋深和服役年限等可通过现场监测数据、运行参数和历史维抢修记录获得，属于可量化指标，参照CCS《海底管道系统规范》（2021版本）要求划分等级区间，具体见表1，其中台风等级为语言型定量描述，风险等级I～V分别对应量化评价值1、3、5、7、9；其余为不可量化指标，通过专家经验获取评价值，等级区间分别为[0，1.6）、[1.6，4.8）、[4.8，7.6）、[7.6，8.8）、[8.8，10.0）。

表1 定量评价指标风险等级划分结果

2 博弈论组合赋权

主观权重虽可一定程度反映海底管道运行的真实情况，但容易受主观情绪和专家认知的影响；客观赋权通过真实样本数据获取指标权重，但对于个别指标的赋权差异较大。对于海底管道泄漏风险评价而言，指标权重需充分利用主观经验和客观事实的内在规律，故采用博弈论组合赋权的方法使各方案的基本权重与理想权重的偏差最小化，以便最大程度保留原始方案信息，公式为

式中：w*——最优权重组合；

aj*——第j种赋权方法的最优组合系数，j=1～g，本研究g=2；

wj——第j种赋权方法的基本权重。

将公式（1）转化为最优化问题，即可求解aj*。主观赋权采用G1法，客观赋权采用熵权法[9]。

3 集对分析法

将各指标的实际风险大小与等级结成集对，通过计算两者之间的联系度确定管段所属风险等级[10]。联系度用μ表示，计算方法为

式中：a——统一度；

b——差异度；

c——对立度；

p——差异度标记系数；

q——对立度标记系数。

由于风险等级划分为5个，故将集对分析扩展为5元联系度，通过隶属度函数计算单一指标的联系度，计算方法为

式中：μnk——评价指标值xn在第k个风险等级上的联系度；

s1～s5——风险等级的阈值，对于越小越优的指标依次取上限阈值，对于越大越优的指标依次取下限阈值。

最后，结合指标权重和单一联系度计算复合联系度，即

式中：μk——待评价管段在第k个风险等级上的复合联系度；

w*——最优权重组合；

m——指标个数。

4 实例验证

4.1 基础数据获取

以南海某海域的海底管道为例，该地区管道采用双层结构API X60管线钢，内管直径为200～300 mm，外管直径为400～500 mm，海域水深15～30 m。取20 个不同的混输管段为研究对象，结合海文信息、附近海域船只往来信息和管道运行参数确定可量化指标；邀请5位熟悉该海域和管道情况的专家确定不可量化指标，将5位专家的意见按照学历、工作年限和职称进行意见整合，最终结果见表2。

表2 评价指标取值结果

4.2 指标权重计算

针对表2的数值采用熵权法进行赋权，得到地震、台风及巡查力度不足的权重较大。自然灾害会引发地表变形、海床发生地面运行，此时管道容易裸露、悬空甚至断裂，但考虑到目前气象部门预报准确性的提升，可通过各项减缓措施减少自然灾害对管道的拖拽和冲刷行为，因此自然灾害并不是影响海底管道泄漏的最主要因素。此外，管输介质中H2S含量、渔船密度和航运船密度相对较大，数据对应的风险等级多在IV 级以上，但熵权法得到的权重较小，这与熵权法对变异性较小的数据集指标不敏感有关。由此可见，需要采用G1 法进行主观赋权，结合博弈论确定出主、客观方法对应的最优组合系数分别为0.68、0.32，结合公式（1）计算得到组合权重。组合权重大于0.06的指标从大到小依次为渔船密度、航运船密度、台风、海水腐蚀、H2S 腐蚀、地震和管道埋深。绘制不同权重结果的雷达图，如图2所示。组合权重结果位于两种赋权方法的中间，说明权重进行了柔化处理，结果与实际情况相符。

图2 不同权重结果的雷达图

4.3 联系度计算

以管段1 的A11 可量化指标和A61 不可量化指标为例，进行单一联系度计算，将管段1指标为A11 的评价结果174 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分别为50、100、150、200、300，对应等级I～V 的单一指标联系度分别为-1、-1、0.04、1、-0.04；同理，将A61 的评价结果4.5 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分别为1.6、4.8、7.6、8.8、10.0，对应等级I～V 的单一指标联系度分别为-0.812 5、1、0.812 5、-1、-1。依次类推，得到管段1不同指标在各自风险等级上的单一联系度，结果见表3。

表3 管段1的单一联系度结果

最后，利用公式（8）结合组合权重结果，计算复合联系度并对风险等级进行评价，计算及评价结果见表4，并根据最大联系度准则确定不同管段所处的风险等级，结果如图3所示。

表4 复合联系度及风险评价结果

图3 不同管段所处的风险等级

其中，管段12 和管段20 的风险等级较高，为IV 级，这两个管段的共同特征是受船只抛锚、脱锚及重物坠落的影响较大，且所处区域海洋资源丰富，渔业航行活动较多；海水电阻率较低、含盐量大，在电化学腐蚀和冲刷腐蚀的作用下，处于全浸区和海泥区的管道腐蚀趋势较强；管道埋深较浅，一方面可促使潮汐在局部管段形成湍流，加快防腐层的剥离，另一方面也增加了船锚和第三方重物造成的管道局部凹陷和变形；此外，巡查力度不足、安全标识不完整和公众教育程度不够也是管道泄漏不可忽略的因素。风险评价结果与现场实际情况相符，证明了博弈论-集对分析法用于海底管道泄漏风险评价是可行的。

集对分析法还可通过同一度a和对立度c的比值，确定集对势e=|a/c|，如以实际风险为高风险作为理想参照，则e＞1 表示实际风险与理想风险在同势区，该管段具有不稳定的风险态势；反之同理。不同管段的集对势结果如图4 所示。根据图4 可知，管段9、13、15、20 处在同势区，说明目前风险有增加的趋势；管段8、12、14 处在均势区，说明目前风险基本保持稳定；其余管段处在反势区，说明风险有降低的趋势。因此，应重点关注风险发展较快的管段，从限制船舶航速、禁止在管道保护区停泊、设置天气预警装置、加强巡线、设置警告牌、对管道添加缓蚀剂或定时清管、增加混凝土防护板和填充沙袋等方面全面降低海底管道泄漏风险，提高管道完整性管理水平。