基于ANP的輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評估

徐 惠，蔣宏業(yè)，姚安林，李 平，薛歡慶

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院(四川成都610500)

2.中國石油西氣東輸管道公司(上海200122)

基于ANP的輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評估

徐 惠1，蔣宏業(yè)1，姚安林1，李 平1，薛歡慶2

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院(四川成都610500)

2.中國石油西氣東輸管道公司(上海200122)

輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施的效能評估對輸氣管道坡面水毀工程的管理具有重要的意義。針對某輸氣管道的實(shí)際情況，借鑒國內(nèi)外關(guān)于管道完整性管理效能評估方面的法律法規(guī)，建立某輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施的效能評估體系，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法對3個方案進(jìn)行效能評估，評估結(jié)果具有一定的合理性和準(zhǔn)確性。

輸氣管道;坡面水毀;效能評估;層次分析法

長距離輸氣管道沿途的地質(zhì)災(zāi)害種類多、成因復(fù)雜、范圍廣，所導(dǎo)致的管道事故又極易誘發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，其直接和間接損失往往比其他類別的事故更大。在所有長距離輸氣管道的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害中，水毀災(zāi)害是經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重、人口傷亡最多和社會影響最大的自然災(zāi)害之一，而坡面水毀又是水毀中占比例最大的［1］，故對于輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施的效能評估就尤為重要。

目前，國際上在管道完整性管理效能評價方面尚未形成統(tǒng)一的體系和標(biāo)準(zhǔn)。API 1160-2001《有害液體管道系統(tǒng)的完整性管理》規(guī)定了完整性管理方案的效能檢測和評價要求，但均未涉及具體的開展方式和評價指標(biāo)［2］。ASME B31.8S-2001《輸氣管道完整性管理系統(tǒng)》在借鑒API 1160和其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了完整性管理方案的效能測試和改進(jìn)要求，其規(guī)定至少每年進(jìn)行一次效能評價，與天氣和外力有關(guān)的危險的度量指標(biāo)是天氣和外力造成泄漏的次數(shù);天氣和外力造成管道補(bǔ)修、更換或改線的次數(shù)［3］。

在美國，管道完整性管理效能評價和審核均由DOT的美國管道安全辦公室(OPS)強(qiáng)制執(zhí)行，只涉及高后果區(qū)段的風(fēng)險消減和完整性評價的完成情況。在歐洲，管道完整性管理效能評價沒有硬性要求，且均與HSE審核結(jié)合實(shí)施，審核其選擇的若干要素，判斷并審核其結(jié)果［4］。目前國內(nèi)主要遵照執(zhí)行的是將ASME B31.8S及API 1160等同采納而轉(zhuǎn)標(biāo)的2個推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SY/T 6621-2005《輸氣管道系統(tǒng)的完整性管理》和《SY/T 6648-2006危險液體管道的完整性管理》，其中對于效能評價的相關(guān)要求與上面介紹的內(nèi)容一致［5-6］。

1 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評估研究

1.1 效能評估步驟

借鑒國內(nèi)外在管道完整性管理效能評價方面的法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求、評價內(nèi)容、開展方式和考核指標(biāo)等，結(jié)合長距離輸氣管道完整性管理的具體情況，建立輸氣管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險緩解措施指標(biāo)體系，并用網(wǎng)絡(luò)層次分析法對其進(jìn)行效能評估研究。其步驟如圖1所示。

圖1 效能評估步驟

1.2 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施

坡面水毀主要是水力侵蝕所引起的，而坡面的水力侵蝕能力主要取決于雨量、地面坡度、植被覆蓋、土壤類型以及坡長和人為因素。坡面水毀的治理遵循生物治理和工程治理相結(jié)合的治理原則。對于中西部干旱少雨、植被短時間恢復(fù)困難的區(qū)段，采用工程護(hù)坡;對于中東部水量充沛、植被短時間即可恢復(fù)的區(qū)段，采用生態(tài)護(hù)坡;對于坡度大、水土流失嚴(yán)重地區(qū)的輸氣管道，管道管理者采用生態(tài)護(hù)坡和工程護(hù)坡相結(jié)合的工程措施來緩解管道坡面水毀的風(fēng)險。其緩解措施如圖2所示。

圖2 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施

其中綜合護(hù)坡包括砌石草皮護(hù)坡和格狀框條護(hù)坡。

1.3 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施評價指標(biāo)體系的建立

管道風(fēng)險緩解措施效能評價指標(biāo)分為投入控制指標(biāo)與效果控制指標(biāo)。其中，執(zhí)行難易程度采用5標(biāo)度等級進(jìn)行定性描述，難易程度從低至高依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。投入費(fèi)用高低采用5標(biāo)度等級進(jìn)行定性描述，投入費(fèi)用從低至高依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。工期長短采用5標(biāo)度等級進(jìn)行定性描述，工期從短至長依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。時間敏感性是指風(fēng)險緩解措施受施工期間外界條件影響的程度。例如是否能在冬季、雨季施工等，時間敏感性從低至高依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。措施類別采用2標(biāo)度等級進(jìn)行定性描述，長期有效性為Ⅰ級、近期有效性為Ⅱ級。

輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評價指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評價指標(biāo)體系

2 網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)概述

網(wǎng)絡(luò)層次分析法即ANP(The Analytic Network Process)是T.L.Saaty教授于1996年提出的一種適應(yīng)非獨(dú)立遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法，是在AHP基礎(chǔ)上發(fā)展的一種實(shí)用決策方法［7］。ANP首先將系統(tǒng)元素劃分為兩大部分:第一部分稱為控制因素層;第二部分為網(wǎng)絡(luò)層。圖4就是典型的ANP結(jié)構(gòu)。

圖4 典型的ANP結(jié)構(gòu)

鑒于長輸管道坡面水毀的緩解措施之間相互影響，關(guān)系錯綜復(fù)雜，所以選用ANP方法來對其進(jìn)行評估。ANP法計(jì)算步驟復(fù)雜，在沒有開發(fā)出實(shí)用的計(jì)算軟件之前其實(shí)際應(yīng)用受到了限制。目前Expert Choice公司已開發(fā)出相應(yīng)的ANP計(jì)算軟件(Super Decisions)，該軟件實(shí)現(xiàn)了由T.L.Saaty教授發(fā)展的關(guān)于決策的數(shù)學(xué)理論—具有依存和反饋的決策方法—網(wǎng)絡(luò)層次分析法，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)層次分析法的實(shí)用性和可操作性。

3 輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施的具體效能評估過程

研究中針對某處典型輸氣管道破面水毀的3種風(fēng)險緩解措施進(jìn)行效能評估:方案一為草袋子護(hù)坡;方案二為造林護(hù)坡;方案三為種草和排水溝2種措施的結(jié)合。首先對上述風(fēng)險緩解措施影響因素進(jìn)行等級劃分，見表1。

由于風(fēng)險緩解措施效能評價指標(biāo)之間的相互影響，計(jì)算錯綜復(fù)雜，為了更準(zhǔn)確、快速地給出決策，選用ANP方法，所有的計(jì)算過程由超級決策Super Decisions軟件來完成。

表1 風(fēng)險緩解措施影響因素等級劃分

3.1 構(gòu)造判斷矩陣

影響各因素的重要性各不相同，采用1～9標(biāo)度，根據(jù)風(fēng)險緩解措施影響因素的等級劃分，及管道風(fēng)險緩解措施效能評價指標(biāo)之間的關(guān)系，分別構(gòu)造準(zhǔn)則E中4種指標(biāo)E1、E2、E3、E4對3種方案造成影響的判斷矩陣，準(zhǔn)則F中2種指標(biāo)F1、F2對3種方案造成影響的判斷矩陣，準(zhǔn)則E中4種指標(biāo)E1、E2、E3、E4對準(zhǔn)則F造成影響的判斷矩陣，準(zhǔn)則F中2種指標(biāo)F1、F2對準(zhǔn)則E造成影響的判斷矩陣，方案1#、2#、3#分別對準(zhǔn)則E、F造成影響的判斷矩陣［7］。下面列舉幾個判斷矩陣見表2～表4。

表2 E1對備選方案造成影響的判斷矩陣

表3 F1對準(zhǔn)則E造成影響的判斷矩陣

表4 方案1#對準(zhǔn)則E造成影響的判斷矩陣

3.2 計(jì)算極限超矩陣

以下計(jì)算過程由Super Decision完成。

首先確定ANP結(jié)構(gòu)的未加權(quán)超矩陣M，然后計(jì)算加權(quán)超矩陣W，列歸一化，為了計(jì)算方便，需要將超矩陣的每列歸一化，用加權(quán)矩陣實(shí)現(xiàn)(Wij=aijwij)，最后計(jì)算極限超矩陣［8-10］limk→∞Wk，見表5。

表5 極限超矩陣

3.3 合成排序結(jié)果

合成排序結(jié)果見表6。結(jié)果表明方案3#效能評估最好，其次是方案1#，最后是方案2#，即在條件允許的條件下生態(tài)措施與工程措施相結(jié)合時，輸氣管道坡面水毀的風(fēng)險緩解措施效果要更好些。

表6 合成排序結(jié)果

4 結(jié)論

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法建立某輸氣管道坡面水毀風(fēng)險緩解措施效能評估數(shù)學(xué)模型，結(jié)合SD軟件較易得出效能排序，從而為進(jìn)一步提升西氣東輸管道坡面水毀的風(fēng)險緩解措施的有效性，將風(fēng)險控制在合理、可接受范圍內(nèi)，最終達(dá)到持續(xù)改進(jìn)，減少管道事故、經(jīng)濟(jì)合理地保證管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

［1］鮮福，關(guān)惠平，姚安林，等.西氣東輸管道地質(zhì)災(zāi)害辨識［J］.油氣田地面工程，2010，29(3):80-82.

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［3］ASME B31.BS2001 Managingsystem integrity of gas pipeline［S］.

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［10］孫宏才，徐關(guān)堯，田平，等.用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)評估應(yīng)急橋梁設(shè)計(jì)方案［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2007(3):63-69.

The effectiveness evaluation of flood damage risk mitigation measures of gas pipeline slope surface is important to the flood damage engineering management of gas pipeline slope surface.The effectiveness evaluation system of flood damage risk mitigation measures of some gas pipeline slope surface is established based on the laws and regulations on the effectiveness evaluation of pipeline integrity management at home and abroad，and the effectiveness of three plans of the flood damage risk mitigation measures of the gas pipeline slope surface is evaluated using analytic hierarchy process.The evaluation result is reasonable and accurate.

gas pipeline;flood damage of slope;effectiveness evaluation;analytic hierarchy process

梅

2014-07-07

徐惠(1989-)，女，主要從事油氣管道完整性管理與評價方面的研究工作。