基于IAHP和災變鏈式方法的城市油氣管道風險誘因與預警研究*

陳　潔，陳國明，李新宏

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580)

0　引言

城鄉建設加快與油氣管道保護之間的矛盾尖銳而復雜[1]。隨著城市發展，導致原本位于郊區的油氣管道穿過人口密集區且與市政管網互相交錯[2]，潛在風險因素錯綜復雜、隱蔽性強，一旦發生泄漏等災害事故，波及面積更大，損失程度更為嚴重。同時，我國在役油氣管道部分已進入老齡化階段這一事實加劇了安全隱患整治的嚴峻性[3]。尤其是“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故發生后[4]，引發全國范圍內對城市油氣管道安全的密切關注。

近幾年，國內圍繞城市油氣管道安全已開展一定量的探討，但從風險預警角度的研究尚少。何維濤[5]借助“11·22”事故，從脆弱性角度研究穿越城市段長輸管道風險機理，指出不安全行為、管道所處環境以及管道完整性是影響其脆弱性的重要因素；姚小靜等[6]定性識別油氣管道與城市管網交叉風險，包括雜散電流腐蝕、應力集中以及第三方破壞等；李晶晶等[7]選取國內外城市油氣管道泄漏爆炸特大事故，從應急管理角度進行對比分析，并針對事故應急各階段共性失誤提出政府監管、現場隔離等應急響應措施。鑒于上述研究多集中于定性分析，且研究方法單一，筆者基于區間層次分析法與災變鏈式理論相結合的優勢，定量辨識城市油氣管道關鍵風險監測點，借助城市油氣管道災變鏈式模型直觀識別斷鏈點，為城市油氣管道風險預警響應提供理論依據。

1　城市油氣管道風險預警流程

運用區間層次分析法(interval analytic hierarchy process, IAHP)和災變鏈式理論相結合的方法，從定性與定量互為補充的角度實現城市油氣管道風險預警前期的警兆判定。IAHP方法將傳統層次分析法(analytic hierarchy process ,AHP)與區間數學結合，用區間數替代點值構成判斷矩陣，并進行一致性檢驗；然后求解權重向量，通過區間數矩陣和向量計算得到區間數綜合權重；最后對其排序[8]。利用該方法構建城市油氣管道風險監測預警指標體系，可較好解決決策因素和專家判斷不確定性，克服AHP的局限性。

災變鏈式理論由肖盛燮[9]提出，該理論認為災害事故形成具有鏈式規律，是個逐漸演化的過程。其鏈式形態與災害類型構成直接對應關系，便于研究事故鏈式規律，把握災害演化關鍵點。災變演化過程是物質和能量信息聚集與轉化的過程，不同階段災害形成的破壞力對人類威脅程度不同[10]。運用災變鏈式理論構建城市油氣管道重大事故災變鏈式模型，可直觀反映城市油氣管道潛在風險演化過程，找出相應的致災環、激發環、損害環及斷鏈環，為事故早期預警提供參考。

如圖1所示為IAHP與災變鏈式方法相結合的城市油氣管道風險預警分析流程。城市油氣管道風險預警指標的辨識，依據城市油氣管道事故統計調研以及與野外長輸油氣管道風險對比分析開展；針對城市油氣管道風險預警的研究，基于風險預警指標辨識結果，借助IAHP方法實現城市油氣管道風險預警指標的重要度排序，找出關鍵風險監測點；同時，運用災變鏈式理論從時間的角度分析城市油氣管道風險預警指標的風險演化規律，充分利用災害鏈直觀反映城市油氣管道重大事故破壞效應的特征，識別風險斷鏈點。2種方法的相互結合有效實現城市油氣管道風險預警指標的橫向比較和縱向比較，為確定風險預警關鍵警兆提供可靠依據。

圖1　研究方法分析流程Fig.1　Analysis flow of research method

2　城市油氣管道風險預警指標

圍繞油氣管道的風險研究多集中于野外長輸油氣管道，城市油氣管道風險點與野外長輸埋地油氣管道相比存在很多不同。基于兩者風險對比(表1)，參考文獻[11]-[13]對城市油氣管道典型事故案例的定性分析，結合城市油氣管道自身特點，確定4類城市油氣管道風險預警指標：腐蝕，設備材料，誤操作，第三方操作。

表1　城市油氣管道與野外長輸油氣管道風險點對比Table 1　Comparative analysis for risk points of urban oil and gas pipeline and long oil and gas pipelines

1)腐蝕：主要指管道腐蝕穿孔或應力腐蝕開裂，包括介質腐蝕性、應力腐蝕、土壤腐蝕、與市政管道交叉建設以及防腐層質量等影響因素。

2)設備材料：主要指管道材料的強度降低，包括管材質量、焊接質量、疲勞因素等影響因素。

3)誤操作：主要指設計、施工、運營、維護4方面的不正確操作。

4)第三方破壞：主要指由于非管道員工的行為而造成的管道意外破壞，包括線路狀況不明、工程施工不當、管線最小埋深、附近活動水平以及蓄意破壞等影響因素。

3　城市油氣管道風險預警IAHP模型

3.1　風險預警指標體系

依據城市油氣管道風險預警指標辨識，從降低事故發生可能性和事故后果嚴重性的角度，建立相應的風險預警指標體系(圖2)，具體包括腐蝕因素、設備材料、誤操作、第三方破壞4個一級指標和一級指標包含的17個二級指標。

圖2　城市油氣管道風險預警指標體系Fig.2　Risk monitoring and early warning index system of urban oil and gas pipeline

3.2　預警指標權重分析

根據城市油氣管道風險預警層次結構，采用傳統的1-9標度法[14]確定兩兩因素比較區間數。如表2為準則層中每個屬性對總預警目標的重要性兩兩比較結果，表3為相應風險預警指標對準則層中腐蝕因素屬性的重要性兩兩比較結果。

表2　準則層區間判斷矩陣及權重排序Table 2　First-level index interval judgmentmatrix and weight order

根據式(1)求得準則層區間判斷矩陣一致性比率CR=0.060 9<0.1，滿足一致性要求。

(1)

式中：CR(Consistency Index)為一致性比率；RI(Random Index)為隨機一致性指標。

根據公式(2)得出區間特征值中間系數k=0.905 3，m=1.086。

(2)

將準則層區間判斷矩陣歸一化特征向量及中間系數代入公式(3)

(3)

表3　腐蝕因素指標區間判斷矩陣及權重排序Table 3　Corrosion factors second-level interval judgment matrixand weight order

3.3　綜合區間權重排序

表4給出基于最終排序的城市油氣管道風險預警指標權重表，則預警準則層風險因子重要度依次為腐蝕因素、第三方破壞、設備材料，誤操作。預警指標層城市油氣管道關鍵風險因子為“與市政管道交叉建設”、“工程施工不當”、“介質腐蝕”、“土壤腐蝕”、“管線最小埋深”以及“焊接質量”，占據總權重的61%。其中，單個風險因子“與市政管道交叉建設”占據風險最高權重，約為12.9%。說明油氣管道與市政管網交叉為城市油氣管道重要風險特征，尤其是進入老齡化時期的運行管道，更易受雜散電流腐蝕以及施工維護產生次生危害等風險因素的影響。面對我國城市油氣管道與市政管網的矛盾沖突現狀，為提高油氣管道安全運行，減小人員傷亡與財產損失，加強該風險點的監測預警勢在必行。

表4　城市油氣管道各風險預警指標權重總排序Table 4　Weights ranking of risk indexes for urban oil and gas pipelines

4　城市油氣管道重大事故災變鏈式模型

依據城市油氣管道風險預警辨識結果，建立城市油氣管道重大事故災變鏈式模型(見圖3)。該模型遵循災害鏈類型支干流域鏈式演化規律[9]，即災害鏈的量級態勢隨時間積累逐漸增大，具備由小到大、由弱到強的演化趨勢；災害鏈的數量則隨著分支的聚集而逐漸減少，但破壞能量隨鏈的聚集而急劇增加，帶來一定的破壞效應。城市油氣管道重大事故災變鏈式模型中，致災環主要指腐蝕、焊縫缺陷、管線埋地過淺等可引發事故的潛在風險因素；激發環主要指時間積累、人為破壞等外界干擾因素；損害環主要指事故發生后造成的直接或間接后果損失；斷鏈環則是指針對城市油氣管道事故的防護措施及預警響應措施等。

圖3　城市油氣管道重大事故災變鏈式模型Fig.3　Chain-styled model of major accidents for urban oil and gas pipeline

風險監測的首要關鍵點是及時發現災變前兆[15]。按照災害事故早、中、晚期，將城市油氣管道災害鏈分為孕育階段、潛存階段、誘發階段。處于孕育階段的風險誘因，破壞力極度微弱，能量等信息也處于初始聚集和耦合階段[16]，致力于孕源斷鏈減災，將最大限度地遏制腐蝕、裂紋等潛在風險的蔓延和擴展。處于誘發階段的泄漏災害，作為城市油氣管道失效并可能演變為重大事故的關鍵轉折點，及時地監測點火源風險以及合理開展泄漏應急管理行動對控制城市油氣管道事故擴大，降低事故后果與損失起到關鍵作用。故而關注油氣管道的腐蝕速率與管壁厚度，排查管體與焊縫的裂紋情況，明確管線的最小埋地深度與地面活動水平等早期潛在風險以及點火源等泄漏事故初期風險因素，并及時作出風險預警響應，可有效實現城市油氣管道重大事故斷鏈減災。

5　結論

1)運用IAHP方法克服判斷矩陣構造時的決策不確定性，對城市油氣管道風險預警指標重要度進行橫向比較，定量排序得出：與野外長輸油氣管道相比，城市油氣管道更易受腐蝕及第三方破壞風險因素影響；預警指標層關鍵風險因子相對應的“油氣管道與市政管道距離”、“城市工程施工作業”、“雜質含量”、“土壤電阻率”、“管線最小埋深”以及“焊縫缺陷”等風險點需作為城市油氣管道重點監測對象。

2)依據災變鏈式理論，基于風險預警指標定量辨識結果，構建城市油氣管道重大事故災變鏈式模型，縱向分析城市油氣管道重大事故風險演化過程，強調城市油氣管道風險預警致力于孕源斷鏈減災，可有效預防腐蝕、裂紋等潛在風險因素惡化；在泄漏事故已發生情況下，強調第一時間應急響應與及時監測事故風險源的重要性。

3)在城市油氣管道風險預警研究中，本文重點對風險預警指標類型辨識、風險監測點重要度排序以及監測預警最佳時期等內容進行了分析，為城市油氣管道風險預警響應提供了一定的理論依據。今后還需圍繞城市油氣管道風險預警警級評定等內容開展進一步研究，以提高城市油氣管道風險預警工作的完整性。

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