基于知識圖譜的并行管道風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建與分析

摘" " 要：為準(zhǔn)確評價并行管道的風(fēng)險等級，統(tǒng)計了2004—2024年有關(guān)并行管道風(fēng)險的國內(nèi)知網(wǎng)文獻(xiàn)，通過聚類、共現(xiàn)和突變的知識圖譜分析，確定了國內(nèi)有關(guān)的研究進(jìn)展和演進(jìn)趨勢，獲取了指標(biāo)體系的構(gòu)建方式和方法，并結(jié)合G1法和危險度確定不同類型并行管道的綜合風(fēng)險水平。結(jié)果表明，該領(lǐng)域的高頻關(guān)注點集中在并行間距、環(huán)境因素、腐蝕和管道特性方面，研究對象主要為油氣并行管道，且多采用賦權(quán)法進(jìn)行風(fēng)險評價；并行間距對并行管道風(fēng)險的影響最大，其次為敷設(shè)環(huán)境；隧道段并行管道的危險度最大，其次為同橋段并行管道和埋地段并行管道。研究結(jié)果可反映并行管道的真實風(fēng)險水平，提出的方法合理、有效。

關(guān)鍵詞：知識圖譜；并行管道；指標(biāo)體系；風(fēng)險評價；危險度

Construction and analysis of parallel pipeline risk index system based on

knowledge graph

WANG Hui

No. 4 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC， Langfang 065000， China

Abstract：To accurately evaluate the risk level of parallel pipelines， this paper collected domestic literature on CNKI related to parallel pipeline risk from 2004 to 2024 and determined the domestic research progress and trend through the clustering， co-occurrence， and mutation of the knowledge graph. After obtaining the construction method of the index system from the above process， the paper combined the G1 method and risk degree to determine the comprehensive risk level of different types of parallel pipelines. The results show that the high-frequency concerns in this field are parallel spacing， environmental factors， corrosion， and pipeline characteristics. The research objects are mainly oil and gas parallel pipelines， and the risk assessment is mostly carried out by the weighting method. Parallel spacing has the greatest influence on parallel pipeline risk， followed by the laying environment. The risk of parallel pipelines in the tunnel section is the highest， followed by those in the bridge section and buried section. The research results can reflect the real risk level of parallel pipelines， and the proposed method is reasonable and effective.

Keywords：knowledge graph; parallel pipeline; index system; risk assessment; risk degree

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.011

管道作為油氣資源的輸送工具，預(yù)計至2025年底，全國油氣管道總里程將達(dá)到24 × 104 km[1]。隨著管道建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，為了減少土地需求，便于總體規(guī)劃和部署，越來越多的管段采用并行敷設(shè)，部分閥室或站場采用鄰建或合建，并行輸送技術(shù)在多條管道工程上廣泛應(yīng)用[2-3]。但受地形地貌、并行間距、交通環(huán)保等因素的影響，并行管道的失效概率相比單管將大幅增加，較為成熟完備的單管風(fēng)險評價體系將不再適用于并行管道的評價。

目前，關(guān)于并行管道的風(fēng)險評價已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究，張鵬等[4]基于多維云模型對并行管道進(jìn)行了風(fēng)險等級評判；王彬彬等[5]對隧道內(nèi)并行的三條油氣管道進(jìn)行了綜合評判，并通過差異系數(shù)法對組合權(quán)重進(jìn)行了調(diào)和；趙麗等[6]基于耦合協(xié)同理論對并行管段的耦合度進(jìn)行計算，以耦合度評價管道風(fēng)險。以上研究存在兩個問題，一是前人在評價指標(biāo)的選取和構(gòu)建上多針對特定環(huán)境，如埋地、隧道、同橋等，評價體系具有一定的片面性；二是評價方法過于復(fù)雜，設(shè)計及運行管理人員難以全面掌握。知識圖譜可實現(xiàn)知識上從量到質(zhì)的飛躍，其核心思想是將復(fù)雜的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖譜，詳細(xì)分析某個領(lǐng)域的核心結(jié)構(gòu)、知識熱點、作者群體和機構(gòu)合作的關(guān)系，以期找到該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和方向[7]。鑒于此，以CiteSpace軟件為工具，對國內(nèi)有關(guān)并行管道風(fēng)險的文獻(xiàn)進(jìn)行聚類、共現(xiàn)和突變分析，結(jié)合專家和現(xiàn)場人員的意見與建議，建立評價指標(biāo)體系，并通過改進(jìn)層次分析法獲取指標(biāo)權(quán)重和綜合風(fēng)險。

1" " 基于知識圖譜的文獻(xiàn)分析

知識圖譜的數(shù)據(jù)可來源于論文、報紙、書籍、數(shù)據(jù)庫等多個方面[8]。由于本文主要適用于國內(nèi)并行管道，故選擇業(yè)內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)量最多、最全且影響力最大的知網(wǎng)作為數(shù)據(jù)來源，以“并行管道風(fēng)險”“并行敷設(shè)風(fēng)險”等為主題詞，共搜索到127篇文獻(xiàn)，選擇石油天然氣行業(yè)論文，并去除標(biāo)準(zhǔn)、成果、無作者、訪談等無效數(shù)據(jù)，共獲取2004—2024年的有效文獻(xiàn)63篇。

1.1" " 聚類分析

對有效文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，共獲取節(jié)點數(shù)159，連線數(shù)346，網(wǎng)絡(luò)密度0.027 5，見圖1。連線數(shù)大于節(jié)點數(shù)，說明文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞與并行管道風(fēng)險評價相關(guān)的直接或間接研究較為緊密，呈現(xiàn)出一些共性。圖1中的不同顏色表示不同類別的關(guān)鍵詞聚類結(jié)果，且聚類面積的大小與該類關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次呈正相關(guān)，研究對象是以并行管道、海底管道、雙線管道和輸氣管道等基本元素為主展開。繼續(xù)統(tǒng)計每個聚類內(nèi)出現(xiàn)關(guān)鍵詞的頻次，結(jié)果見表1。并行間距的出現(xiàn)次數(shù)最多，GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、SY/T 7365—2017《油氣輸送管道并行敷設(shè)技術(shù)規(guī)范》中均對并行間距進(jìn)行了定量限制，諸多學(xué)者也采用數(shù)值模擬或邊界元法對不同工況下的并行間距進(jìn)行了研究。表1聚類序號4、5、7中多次涉及指標(biāo)權(quán)重，說明賦權(quán)法是并行管道風(fēng)險評價的主要方法。

1.2" " 共現(xiàn)分析

隨后，繼續(xù)將文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞作為內(nèi)部特征項，采用共現(xiàn)分析描述關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性和潛在影響。對同義、同類的關(guān)鍵詞進(jìn)行合并，對弱共現(xiàn)關(guān)鍵詞和無關(guān)詞進(jìn)行刪減，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)信息，分析結(jié)果見表2。其中，共現(xiàn)頻次越大，中介中心性越大，表示該關(guān)鍵詞在風(fēng)險評價體系中越重要。并行管道風(fēng)險評價研究主要聚焦于油氣管道，且主要考慮環(huán)境因素和管道特征兩個方面。

1.3" " 突變分析

通過突變分析考察關(guān)鍵詞在不同時間段內(nèi)的熱度，以此表示并行管道風(fēng)險評價領(lǐng)域的研究趨勢，研究結(jié)果見表3。突變強度越大，表示該關(guān)鍵詞在該時段內(nèi)關(guān)注度越高。“風(fēng)險評價”的突變強度最大，說明對并行管道進(jìn)行風(fēng)險評價重點關(guān)注的時間集中在近兩年。并行間距、環(huán)境因素、腐蝕和管道特性等均是研究人員和機構(gòu)持續(xù)關(guān)注的重點要素，且從文獻(xiàn)出現(xiàn)的起始和結(jié)束年份看，這些方面的研究還在進(jìn)一步加強。

2" " 并行管道風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

從上述對知識圖譜的分析可知，并行管道風(fēng)險評價主要集中在管道特性和環(huán)境因素兩方面，且構(gòu)建指標(biāo)體系后，多采用賦權(quán)法進(jìn)行風(fēng)險評價。綜合文獻(xiàn)分析結(jié)果，采用德菲爾法對專家進(jìn)行多次問卷調(diào)查，由此建立評價指標(biāo)體系，見表4。對于管道特性，以并行間距、介質(zhì)流速、管徑、埋深、壁厚減薄量、截斷閥間距等為評價指標(biāo)，考慮到以腐蝕為關(guān)鍵詞的信息有內(nèi)腐蝕、土壤腐蝕、雜散電流和陰極保護(hù)等，故以壁厚減薄量統(tǒng)一替代。并行間距越大、介質(zhì)流速越高、管徑越小、埋深越大、壁厚減薄量越小、截斷閥間距越小，則并行管道的風(fēng)險水平越低。對于環(huán)境因素，以應(yīng)急響應(yīng)時間、風(fēng)速和敷設(shè)環(huán)境為評價指標(biāo)。應(yīng)急響應(yīng)時間越短、風(fēng)速越大、敷設(shè)環(huán)境越開闊，則并行管道的風(fēng)險水平越低。

當(dāng)并行管道均為輸氣管道或輸油管道時，介質(zhì)流速、管徑、埋深、壁厚減薄量等參數(shù)取運行壓力較大的管道；當(dāng)并行管道為油、氣管道時，考慮到油管道破裂后形成的輻射半徑和超壓范圍遠(yuǎn)低于氣管道，故介質(zhì)流速、管徑、埋深、壁厚減薄量等參數(shù)取輸氣管道。由于輸油管道和輸氣管道的經(jīng)濟流速及常用管徑均有所不同，故對這兩個指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)分。壁厚減薄量參照ASME B31G中的評價標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)壁厚減薄量超過10%時，需要對管道剩余強度進(jìn)行重新評定或降壓運行，故將10%作為最嚴(yán)重情況。截斷閥間距根據(jù)GB 50251—2015中關(guān)于地區(qū)等級截斷閥室的間距規(guī)定確定，考慮到輸油管道線路截斷閥的規(guī)定在GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》中只限定了不宜超過32 km，故不再對輸油和輸氣管道截斷閥間距進(jìn)行指標(biāo)細(xì)分。應(yīng)急響應(yīng)時間根據(jù)管道發(fā)生異常時，泄漏報警或SCADA系統(tǒng)可以及時響應(yīng)的時間確定。風(fēng)速根據(jù)我國陸地70 m高度的平均風(fēng)速確定，數(shù)值在2～6 m/s之間。敷設(shè)環(huán)境包括架空、同橋、隧道、穿越、埋地等。

3" " 指標(biāo)權(quán)重計算

考慮到層次分析法需進(jìn)行多層一致性指標(biāo)判斷，增加了計算復(fù)雜性，故采用G1法確定指標(biāo)權(quán)重[9]。將指標(biāo)按照相對重要性從大到小排序，xi-1稱為前者，xi稱為后者，對比前者和后者之間的重要度比值ri，取值情況見表5。隨后，按照下式計算指標(biāo)權(quán)重。

[wm=（1+i=2mj=imri）-1] （ 1 ）

[wi-1=wiri] （ 2 ）

式中：m為指標(biāo)個數(shù)，wm為最不重要指標(biāo)的權(quán)重，wi為第i個指標(biāo)權(quán)重。

以并行間距為例，并行間距越小，管道風(fēng)險越高，保持相對重要性排序與風(fēng)險排序一致，則相對重要性排序從大到小依次為（＜4 m）、（4～＜5 m）、（5～＜6 m）、（≥6 m），參照表5重要度比值的取值分別為1.6、1.4、1.2，1.0，則權(quán)重依次為0.418 4、0.261 5、0.186 8、0.133 3。同理，其余指標(biāo)細(xì)分區(qū)間的權(quán)重見表4。并行間距對并行管道風(fēng)險的影響最大，諸多學(xué)者的主要研究方向就是不同工況下并行間距對管道失效的影響，且從知識圖譜中也得到并行間距是出現(xiàn)頻次較多的關(guān)鍵詞。敷設(shè)環(huán)境對并行管道風(fēng)險的影響也較大，公路、架空、同橋、隧道、穿越、埋地等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)也較多，說明不同并行敷設(shè)環(huán)境下的風(fēng)險水平應(yīng)具有較大差異性。對于介質(zhì)流速和管徑，輸氣管道的權(quán)重結(jié)果跨度要大于輸油管道，說明了輸氣管道發(fā)生泄漏后，進(jìn)而引發(fā)噴射火、池火或蒸汽云爆炸等事故造成的后果影響較大。

4" " 風(fēng)險度計算

根據(jù)現(xiàn)場并行管道的實際情況，在表4中依次選取指標(biāo)區(qū)間及權(quán)重，按照下式計算待評價管道的風(fēng)險度。

[R=i=19wiwij] （ 3 ）

式中：R為風(fēng)險度，wi為第i個指標(biāo)權(quán)重，wij為第i個指標(biāo)第j個被選中區(qū)間的權(quán)重。R越大，并行管道的風(fēng)險越大，反之，風(fēng)險越小；i的取值范圍為1～9，與表4中的9個評價指標(biāo)相對應(yīng)。

利用Matlab軟件中的fullfact函數(shù)，計算1 000 000個風(fēng)險度組合結(jié)果，得到風(fēng)險度的均值為0.257 1，均方差為0.063 5，峰度值為0.423 9，偏度值為1.194 7，由此可確定風(fēng)險度基本滿足正態(tài)性檢驗（峰度值小于10、偏度值小于3）。將風(fēng)險度從大到小依次排列，選擇與正態(tài)分布累積概率相關(guān)的分位數(shù)準(zhǔn)則確定并行管道風(fēng)險等級，即取（0，第一四分位]為低風(fēng)險，（第一四分位，中位數(shù)]為中風(fēng)險，（中位數(shù)，第三四分位]為高風(fēng)險，（第三四分位，1]為極高風(fēng)險。由此確定低、中、高和極高風(fēng)險的取值分別為（0，0.180 9]、（0.180 9，0.231 8]、（0.231 8，0.346 1]、（0.346 1，1]。

5" " 實例驗證與分析

5.1" " 隧道并行管道

以某并行油氣管道山區(qū)隧道段為研究對象，隧道寬3 800 mm，隧道高（含拱高）3 800 mm，油氣管道并行長度902.1 m。其中，輸油管道管徑DN813，輸氣管道管徑DN1 016，兩者外壁的并行間距為2 m，輸氣管道流速3.5 m/s，最大壁厚減薄量3.2%，截斷閥間距與隧道內(nèi)的并行管道長度相同，應(yīng)急響應(yīng)時間為30 s，隧道內(nèi)通風(fēng)效果一般，最大風(fēng)速2 m/s，隧道敷設(shè)環(huán)境下不存在管道埋深數(shù)據(jù)，埋深直接取小于2 m。根據(jù)上述描述，代入式（3）計算風(fēng)險度的結(jié)果為0.255 4，屬于高風(fēng)險管段，計算過程如下：

0.217 5×0.418 4 + 0.077 4 × 0.194 2 + 0.051 6 ×0.224 5 + 0.043 0 × 0.274 2 + 0.185 7 × 0.149 2 +0.116 1 × 0.082 6 + 0.033 0 × 0.166 7 + 0.072 8 ×0.282 4 + 0.202 9 × 0.308 9 = 0.255 4。

5.2" " 同橋并行管道

以某并行管道跨越橋梁段為研究對象，采用懸索方式跨越江河，跨越段長度280 m，并行管道水平寬度10 m。成品油、原油及天然氣管道三管并行敷設(shè)，管徑分別為DN219、DN813和DN1 016 ，根據(jù)之前的判定準(zhǔn)則，以輸氣管道為基準(zhǔn)截取參數(shù)。輸氣管道與原油管道的并行間距為5 m，介質(zhì)流速為2.7 m/s，敷設(shè)方式為同橋，不存在埋深數(shù)據(jù)，最大壁厚減薄量為0.5%，橋體位于01E008和01E009閥室之間，閥室間距25.05 km，應(yīng)急響應(yīng)時間大于180 s，橋體受高海拔、低緯度和季風(fēng)氣候等地理條件的影響，年平均風(fēng)速5.5 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)15 m/s。根據(jù)上述描述，代入式（3）計算風(fēng)險度的結(jié)果為0.199 8，屬于中風(fēng)險管段。

5.3" " 埋地并行管道

以某并行管道普通埋地段為研究對象，兩條輸油管道并行間距符合SY/T 7365—2017中的要求，并行間距大于8 m。壓力較大的輸油管道流速1.2 m/s，管徑DN219，平均管頂埋深2.5 m，壁厚減薄量5.9%，截斷閥室間距為15 km，應(yīng)急響應(yīng)時間大于120 s，風(fēng)速2.6 m/s，敷設(shè)環(huán)境為埋地。根據(jù)上述描述，代入公式（3）計算風(fēng)險度的結(jié)果為0.167 3，屬于低風(fēng)險管段。

上述案例中的管道特性和環(huán)境因素各有不同，其中隧道并行管道的風(fēng)險最大，其次為同橋并行管道和埋地并行管道，這是由于受地理環(huán)境和建設(shè)投資的影響，非埋地并行管道的并行間距不可能太大，導(dǎo)致風(fēng)險水平大幅上升。此外，埋地并行管道可增加土壤對泄漏油氣的阻隔作用，泄漏油氣先作用于源管道，再通過土壤擠壓作用于與其并行的管道，導(dǎo)致爆炸沖擊波在土壤中的衰減量較大；而非埋地并行管道在空氣中直接由源管道作用于與其并行的管道，破壞力更強。

6" " 結(jié)論

1）通過對相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類、共現(xiàn)和突變分析，發(fā)現(xiàn)并行管道風(fēng)險評價研究主要聚焦于油氣管道，且考慮環(huán)境因素和管道特征兩個方面，多采用賦權(quán)法進(jìn)行風(fēng)險評價。

2）依據(jù)知識圖譜建立了以并行間距、敷設(shè)環(huán)境為主要指標(biāo)的風(fēng)險評價體系，并采用G1法確定各指標(biāo)區(qū)間權(quán)重，利用風(fēng)險度確定不同管段的風(fēng)險等級。

3）對三種并行管道的風(fēng)險度進(jìn)行了計算，隧道并行管道的風(fēng)險最大，其次為同橋并行管道和埋地并行管道。

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作者簡介：

王" " 輝（1984—），女，河北廊坊人，工程師，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油工程地面建設(shè)和設(shè)計工作。Email：279829207@qq.com

收稿日期：2024-08-03