基于PSR-物元可拓模型的埋地原油管道風險分析

劉嘉興 孫東 鈔恒先 白會人 雷永

1大連大學建筑工程學院

2河南油田石油工程技術研究院

3中國石化河南油建工程有限公司

4中國石油青海油田分公司采油五廠

原油管道的管理是國家戰略規劃中的一項重要工作，國家發改委、國家能源局聯合發布的《中長期油氣管網規劃》指出，我國原油管道在2015 年達到了27 000 km，到2025 年將增長至37 000 km，年均增加3.7%[1]。而原油管道的失效可能會造成重大的后果，如經濟損失和對社會環境影響等，因此進行埋地原油管道安全風險分析具有重要意義。

目前國內外對于管道內風險分析研究主要集中在單一因素或者模糊綜合評價分析上。例如采用肯特方法[2]和云模型[3]評價原油管道泄漏風險，采用層次分析法和模糊數學理論[4]評價第三方破壞的失效概率，應用蒙特卡羅模擬技術[5]對管道爆裂進行可靠性分析，采用腐蝕模型來計算管道剩余強度[6]及壽命預測[7]。由于管道處于地下，獲取管道數據難度大，因此，在評價管道性能時一般假定管道物理參數都具有確定性值，且呈不同程度的變化，但是沒有考慮到因素之間的相互影響。

本文為了綜合考慮埋地原油管道外部載荷變化、制造材料變化，以及內部壓力、環境影響引起的變壞等內部和外部因素相互影響，采用基于PSR-物元可拓風險分析方法，建立相應的風險分析模型，并應用于河南油田分公司（魯南段）的原油管道工程。

1 埋地原油管道PSR 風險分析

“壓力”指標（即Pressure）：指本文所研究的埋地原油管道面對的壓力，主要包括自然、人為、社會等方面，根據文獻研究及工程實際，本文將地下空洞、土質疏松區域、地面沉降、管道占壓、施工破壞、人為破壞、植被根系破壞、地震、凍融循環[8]等風險源歸為“壓力”指標。

“狀態”指標（即State）：指本文所研究的埋地原油管道自身的狀態，主要包括自身、設計、其他因素等方面，根據文獻研究及工程實際，本文將管道腐蝕、管道缺失、管道強度不足、接口情況不良、變形位移、超期服役、管道壓力不均、管線埋深、管線涂層厚度[9]等風險源歸為“狀態”指標。

“響應”指標（即Response）；指各部門面對上述壓力指標、狀態指標所做出的反應，以保證埋地原油管道的安全運行。根據文獻研究及實例，本文將公共教育、巡線力度、地面設施、管道用地標志、法律法規[10]等歸為響應指標。

2 研究方法

2.1 ANP 法確定權重

ANP 法能更準確地描述客觀事物之間的聯系，更適應于復雜系統的決策過程[11]，ANP 可體現許多復雜結構系統內部元素之間的聯系與互相反饋的作用過程。

（1）借助超級決策（Super Decision，SD）軟件建立網絡結構圖[12]（圖1），并對超矩陣進行計算，最后得出評價指標的權重。

圖1 埋地原油管道安全風險源網絡結構Fig.1 Network structure of safety risk sources for buried crude oil pipelines

（2）根據埋地原油管道風險源之間的相互影響關系，對風險源之間的重要程度進行兩兩比較，構造出風險源之間的判斷矩陣，并且進行一致性檢驗，當檢驗值小于0.1 時則通過檢驗，證明判斷矩陣成立。

（3）運用SD 軟件先計算未加權超矩陣，再計算加權超矩陣，最后計算埋地原油管道的風險源權重[13]。

2.2 物元可拓理論

1983 年，我國學者將物元理論與可拓理論相結合總結出物元可拓理論，它是從定性與定量兩方面來研究、解決問題的一種形式化工具[14]。傳統的肯特危險指數法是將影響管道各個因素獨立計算，沒有考慮因素之間的關系。

針對埋地原油管道具有的評價指標較多，單因素不相容性及模糊性，物元可拓理論可以綜合埋地原油管道各種因素信息，評價結果最終以定量的數值表示，從而較完整、客觀地評價埋地原油管道安全等級[15]。

2.3 埋地原油管道風險分析物元確定

物元分析中所表述的對象，即埋地原油管道安全風險分析為“物N”、埋地原油管道安全“特征c”，及N關于c的特征值v，共同構成埋地原油管道風險分析的一維物元。如果分析或評價對象N有n個特征向量c1，c2，…，cn和相應的特征值v1，v2，…，vn描述，可表示為如下公式

式中：R為n維埋地原油管道安全物元，記為R=(N,c,v)

2.4 埋地管道風險分析的經典域、節域確定

埋地原油管道的經典域物元矩陣可以表示為

式中：Roj為埋地原油管道風險源的經典域；Noj為所劃分的第j個安全等級（j=1,2,…,n）；ci為第i個評價指標（i=1,2,…,n）；()aojn,bojn為ci對應的評價指標的取值范圍，即經典域。

埋地原油管道的節域物元矩陣可以表示為

式中：Rp為埋地原油管道風險源的節域；Np為埋地原油管道風險分析全體風險因素；vpi=(apn,bpn)，為Np對應的評價指標的取值范圍，具體劃分見表1。

2.5 待評物元模型確定

待評物元模型為

公式（4）中待評價對象Nx的物元表示為Rt。

2.6 關聯函數確定

令有界區間Vo=[a,b]的模定義為

某點v到[a,b]的距離為

表1 各個指標對各評價等級的閾值Tab.1 Threshold value of each index to each evaluation level

所以埋地原油管道評價指標關聯度

式中Kj(vi)為待評價對象的各評價指標關于各安全等級j的關聯度。

Kj(vi)=maxKj(vi)，則評價指標vi屬于安全等級j。

2.7 安全等級確定

根據ANP 法確定各指標Ci的權重Wi，，計算待分析的埋地原油管道Rt關于等級的加權關聯度為

式中：Kj(Rt)為待分析埋地原油管道Rt的符合評價等級的隸屬度。

根據關聯度最大的原則，選擇Kj(Rt)最大值作為待評埋地原油管道Rt最可能處于的評價等級。

式中：j?為待評埋地原油管道Rt的變量特征值，通過j?就可以得知Rt偏向哪個等級。

3 應用實例

河南油田分公司（魯南段）原油管道工程是國家原油及成品油管道重點項目，工程地處山東半島南翼、魯蘇兩省交界，位于北緯34°～35°之間，屬魯東丘陵。管徑為762 mm，壓力為9.0/7.5 MPa，輸送量可達1 000 t/a，管頂覆土0.8～1.2 m，石方段管溝超挖0.2 m。沿線地層分為粉質黏土、粉土、素填土等，且土壤對鋼結構具有中度腐蝕性，部分土壤具有較強的腐蝕性。管道大部分位于耕地內，沿線分布有河流（3 m 內未見地下水）及道路穿越，大部分地段有其他并行（交叉）管線。

根據中石化河南油田分公司、大連理工大學博士等10 位專家經驗以及該工程的實際情況，對該埋地原油管道工程風險評價等級進行判斷，結果見表1，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示好、較好、中等、差。

根據前文所述的計算步驟所得關聯度值見表2，最終評價結果見表3。

表2 埋地原油管道指標關聯度數值Tab.2 Correlation value of buried crude oil pipeline index

表3 埋地原油管道風險分析總體評價結果Tab.3 Overall evaluation results of risk analysis for buried crude oil

4 結論

采用PSR 模型和物元可拓分析的方法，研究了多種因素共同作用下埋地原油管道的失效風險，得出如下結論：

（1）通過PSR 模型，構建了埋地原油管道安全風險多指標評估模型。由于所提出的模型是針對河南油田某特定原油管道工程，因此該結果對于該工程的埋地原油管道的風險更為適用。但是，本文所介紹的方法是通用的，要將所建模型運用到其他管道，需要根據其他管道的實際情況進行判斷。

（2）將物元可拓模型應用于埋地原油管道實際工程中并進行安全風險評估，得出該工程風險等級在Ⅰ級和Ⅱ級之間，風險等級變量特征值j?=1.830 1，為Ⅱ級，但是并未達到Ⅱ級。對該埋地原油管道工程，以后應在巡線力度方面加強管理，并時刻關注其腐蝕情況。

（3）PSR-物元可拓模型為埋地原油管道評估提供了一種方法，量化了發生事故的風險。本文對其影響指標進行了初步探討，基于事故鏈演化的埋地原油管道風險分析亟待研究。