高原地區埋地天然氣管道風險評估方法

龐 旭，朱 平，朱雪峰

（1. 云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術研究中心，云南 昆明 650500）

高原地區埋地天然氣管道風險評估方法

龐 旭1，朱 平1，朱雪峰2,3

（1. 云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術研究中心，云南 昆明 650500）

針對高原地區埋地鋼制天然氣管道在多種非定量因素的影響下缺乏有效的風險評估手段的情況，建立了管道風險失效故障樹，確定引起管道失效的五種風險因素即腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作、設計，從而建立了風險評估指標，在此基礎上結合綜合層次分析法，計算各層指標對應的權重，采用多層次灰色理論，對高原地區埋地鋼制天然氣管道進行風險評估，將風險影響因素進行量化處理。結合實際工程應用，給出了在役中緬天然氣管道的風險量化結果，說明該風險評估方法的有效性。

高原地區埋地鋼制管道；風險辨識；故障樹；多層次灰色理論；風險量化

0 引言

埋地鋼制管道是中緬天然氣項目中長距離輸送天然氣的核心設備，其在役管道的風險可靠性是保證天然氣順利輸送的關鍵[1]，而高原地區埋地鋼制管道要穿越不同類型的土壤和河流，地形復雜且輸送的壓力一般比較高，容易造成管道腐蝕，老化，穿孔或開裂，導致天然氣泄漏[2]，造成環境污染甚至人身傷亡等嚴重后果。因此，進行高原地區埋地鋼制天然氣管道的風險評估，為全面分析管道失效事件，建立科學的事故管理機制和預防管道事故提供科學、合理的決策，都具有重要的指導意義。

高原地區埋地鋼制天然氣管道的風險評估方法[3]主要有定性評估和定量評估。定性評估是通過直觀的觀察管道失效事件及通過經驗對19347管道失效發展規律的認識，主觀的對管道存在的故障隱

1 埋地鋼制天然氣管道風險因素故障樹分析

1.1 故障樹分析原理

故障樹分析方法[6]（Fault Tree Analysis, FTA）是 1961年由 H.A.Watson（美國貝爾實驗室）提出來的，它是用邏輯框圖將所要分析的事故與每層導致其發生的原因之間相連接，而得到能簡明、直觀體現邏輯關系的邏輯樹圖形，能有效的分析大型復雜系統的風險性和可靠性。該分析方法以要分析的（管道）風險事故為起點，逐層辨識導致其發生的原因，直至基本原因[7]，能夠深入的分析事故的潛在原因，找出管道失效的薄弱環節。

故障樹分析法是辨識高原地區埋地鋼制天然氣管道風險因素的有效方法。通過故障樹的定性分析即最小割集分析和底事件結構重要度的計算[8]，可以辨識出影響高原地區埋地鋼制管道風險因素及其薄弱環節，并為多層次灰色理論的確定提供參考和依據。

1.2 故障樹的建立

根據頂事件確定原則[9]，選取“高原地區埋地鋼制管道失效”作為頂事件。對于高原地區，管道沿線大部分均為中-弱腐蝕性土壤，且管道經過高原地區的農田分布區和丘陵地區，這些地區生長有喬木，灌木和草木，其根系將纏繞、擠壓、損壞防腐層，造成管道防腐失效，管道容易腐蝕。因此確定第一個一級因素是腐蝕。埋地鋼制天然氣管道經過患進行判斷和分析的方法。定量風險評估是通過對現場實驗結學模型，再對管道的設計、管理、人員等因素進行評價的方法。狄彥等人[4]采用定性評估方法對油氣管道事故原因及分類進行了深入探究；陳利瓊等人[5]采用故障樹分析了油氣管道危害辨識，對管道的風險程度進行了評價，但這兩種風險評估方法沒有綜合運用定性分析和定量分析。

針對上述方法的優缺點，本文首先通過故障樹分析方法，建立一套比較完整的高原地區埋地鋼制天然氣管道失效故障樹模型，從而建立風險評估指標；然后計算其故障樹的最小割集、結構重要度為綜合層次分析法確定各層指標對應的權重提供相應的依據；最后采用多層次灰色理論，對高原地區埋地鋼制天然氣管道進行風險評估，將風險影響因素進行量化處理，且結合實際工程應用，給出了在役天然氣管道的風險量化結果。的人口地區等級及經濟差異較大，3、4級地區人口分布對管道的第三方破壞具有較大的影響，人類活動頻繁，增加管道風險的水平[10]，從而選擇第三方破壞為第二個一級因素。高原地區地形較為復雜，有各種中高山脈、溶蝕殘山及盆地地脈，地形起伏變化較大，當有突發性暴雨時，容易造成洪水的沖刷、侵蝕與坍塌、滑坡、崩塌和高陡邊坡等自然災害，對管道的風險運行帶來極大的威脅，因此選擇自然災害為故障樹的第三個一級因素。管道的設計如果沒有達到相應的要求，如自身焊接存在缺陷，引起應力集中，在使用過程中造成管道破壞[11]，因此管道的設計也是一個重要的一級因素。由于在管道的使用過程中，人員操作錯誤、施工方誤操作等都會影響管道的風險運行，綜上所述，選擇腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作、設計作為故障樹的五個一級因素，從而建立如圖1所示的故障樹：其中，T為高原地區埋地鋼制管道天然氣管道失效；A1為腐蝕；A2為第三方破壞；A3為自然災害；A4為誤操作； A5為設計； B1為外力腐蝕； B2為內力腐蝕； B3為應力腐蝕； B4為管道周邊環境； B5為管道管理水平； B6為災害類別； B7為防治措施； B8為施工誤操作； B9為運營誤操作； B10為維護誤操作；B11為管道選材；B12為管道設計；C1為外腐蝕因素；C2為外防腐措施； C3為內腐蝕因素； C4為內防腐措施； C5為管道外部因素； C6為管道本身條件缺陷；C7為管道線路標志不明；C8為水毀發生；C9為泥石流； C10為管溝回填缺陷； C11為內涂層缺陷；C12為通訊設備缺陷； C13為管道選材； D1為土壤腐蝕； D2為雜散電流； D3為陰極保護失效； D4為防腐絕緣層老化； D5為管道上方活動水平； D6為管道埋地深度； D7為管道離地面的距離。

1.3 故障樹定性分析

在故障樹中，割集[12]就是引起頂事件發生的基本事件的集合，其最小割集是割集中的特殊集合，指當某個割集中任意除去一個基本事件就不再是割集了，也就是導致頂事件發生的最小集合的基本事件的組合。最小割集在一定程度上代表系統的風險程度，因此對故障樹進行定性分析也就是找出系統的全部最小割集，采用下行法[13]求解故障樹的最小割集，然后再通過布爾代數運算法則進行化簡，其底事件的結構重要度系數求解公式為：

式中jk為第 j個最小割集，nj為底事件i位于kj的底事件數，iIφ（）為第i個底事件的結構重要度系數，ixkj∈為第i個底事件屬于第j個最小割集。

由結構重要度計算結果可知：管道腐蝕、第三方破壞和自然災害的結構重要度所占比例大，即這三個方面對管道失效影響較大，但誤操作和設計等因素也不可忽視，另外管道的腐蝕、巡線，管道周圍無警示標志[14]，管道的制造等對管道風險起到很大的控制作用，在選擇評價準則時，應考慮所占的權重。

圖1 高原地區埋地鋼制天然氣管道失效故障樹示意圖Fig.1 Fault diagram of failure of buried steel gas pipeline in plateau

2 多層次灰色評價理論

灰色系統理論是由中國著名學者鄧聚龍教授提出并創立的[15]，是一種研究“小樣本”、“貧信息”等不確定性問題的新方法。利用該方法對一個具有多層次影響因素的高原地區埋地鋼制管道進行風險評估時，首先通過分析高原地區埋地鋼制管道失效故障樹，確定引起埋地鋼制管道失效的主要原因，建立多層灰色評價法的評價體系，然后理清層次，從低層到高層逐一評價，最后得出一單值綜合評價結果。將風險評估系統分為三個層次，則各個層次代表的含義如以下表示：A為綜合評價值；iB為一級指標； Bij為二級標記。

具體步驟：

（1）由已構造的高原地區埋地鋼制管道失效故障樹，確定五個二級指標 Bij的評分等級與評分標準。

（2）用綜合層次分析法[11]確定五個一級指標iB和十二個二級指標 Bij的權重，則 Bi和 Bij的權重向量分別為：

（3）組織專家按制定的評分標準進行評分[17]并建立評價樣本矩陣D，設專家的序號為 k ( k=1,2,…,p)，設第k個專家對評價指標Bij的評分為dijk，則評價樣本矩陣

（4）確定評價灰類，即要確定評價灰類的等級、灰類的灰數以及白話權函數等[18]，將設評價灰類號為 e(e=1,2,…,g )即有g灰類等級，若用“優”、“良”、“中”、“差”四級來表示風險性，則評價灰類g取為取4。為了描述上述灰類，評價灰類的白化函數[19]為 fe(dijk)，其函數表達式如下：

表1 埋地鋼制天然氣管道失效故障樹基本事件表Table 1 Buried steel natural gas pipeline failure tree basic event table

第一類“優”：

第二類“良”：

第三類“中”：

第四類“差”：

（5）確定灰色評價系數，對二級指標 Bij屬于第e個評價灰類的灰色評價系數為則屬于各個評價灰類的總灰色評價系數為：

（6）計算灰色評價權向量及權矩陣[20]。二級指標 Bij屬于第e個灰類的灰色評價權為則 Bij對于各評價灰類的灰色評價權向量 rij=對于隸屬于 B i的各類 B ij指標所對應的灰類灰色評價權向量建立 R ij綜合評價矩陣：

（7）建立指標Bi的綜合評價矩陣：

由R進一步得出受評項目 Bi的綜合評價結果向量：B = W R。

（8）計算綜合評價值。由于綜合評價結果B是一個向量，在實際工程應用中應該單值化。將各個灰類等級按“灰水平”賦值[13-14]，得到各評價灰類等值化向量，進而得受評項目的綜合評價值 A = BCT。

3 高原地區埋地鋼制管道風險評估流程圖

基于上文分析，提出了一種基于故障樹與多層次灰色理論的高原地區天然氣管道風險評估方法，首先對現場采集數據進行整理；然后根據故障樹頂事件選取原則確定五個一級因素，分別是腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作、設計，根據這五個一級因素開始一層一層逐步尋找導致管道失效的初始事件、直接原因和間接原因，從而建立風險評價指標體系；再利用多層次灰色評價理論對風險評價理論體系進行評估計算；最后根據計算得到的結構進行風險評估，以達到管道風險評價的目的。該方法的流程圖如圖2所示。

圖2 高原地區埋地鋼制管道風險評估流程圖Fig.2 Flow chart of risk assessment of buried steel pipe in plateau area

（1）現場資料收集。對現場的設計、施工、運行、實驗數據進行收集整理，根據評價標準，選擇相應的數據。

（2）用故障樹對風險因素進行識別和分析。選取“高原地區埋地鋼制天然氣管道失效”作為頂事件，根據高原地區的實際情況選取故障樹的中間事件和底事件，然后計算最小割集和計算底事件的結構重要度，其結構重要度值大的因素對頂事件影響大。

（3）建立評價指標。根據故障樹的結構重要度建立評估指標，包括5個一級因素分別是腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作、設計，12個二級因素。

（4）運用多層次灰色評價理論進行風險評估。根據綜合層次分析法，分析確定各指標權重，然后確定評價灰類，并根據評價過程中樣本矩陣求得灰色評價權向量，計算管道風險的評價值。

（5）確定風險評價結果等級。根據計算得到的評價值，判斷管道風險等級。

4 實例證明

4.1 建立評價指標

高原地區埋地鋼制管道風險評估指標包括5個方面，12個附屬的二級評價元素評價內容如表2所示。

表2 高原地區埋地鋼制管道風險評估指標Table 2 Buried steel pipelines in the plateau risk assessment index

以中緬天然氣昆明西支線輸氣管道段為例，分析基于故障樹與多層次灰色理論的高原地區天然氣管道風險評估方法的應用過程。該管道建于2013年4月，全長37.5km,管道規格D323.9，管徑為DN300，輸氣規模為 2 14.85× 1 04m3d ，設計壓力為6.3 MPa,管道內徑為300 mm，管道沿線中有一個閥室，一個陰極保護站，500個標識樁，施工便道有 15Km,穿越鐵路、公路、河流、水塘分為是2次、11次、16次、9次。

4.2 按多層次灰色法評價步驟進行評價

（1）制定二級指標 Bij的評分等級和評分標準。對評分等級和評分標準應根據相應的規范并結合高原地區的實際情況，科學、合理的將評價指標分為優、良、中、差4個等級，分別賦值為4、3、2、1，指標等級介于相鄰等級之間的，則賦值為3．5、2．5、1．5、0．5，從而有8個評分標準，實行5分制。

（2）確定評價指標的權重。為了使評價結果更為客觀，采用 AHP法[21-22]計算各層次評價指標權重。AHP是把影響管道失效的各因素條理化的劃分為相關聯的有序層次。根據故障樹的結果重要度進行兩兩比較,并將比較結果進行量化,給出量化值，最終確定全部元素的權重。因此，五個一級因素和十二個二級因素的權重矩陣如下所示：

（3）建立評價樣本矩陣。組織5位行業資深人士,其中3位為大學教授,另外2位為特檢院現場工作的專業指導人員。按照評分標準進行評分,求得樣本矩陣。

（4）確定評價灰類和灰色評價系數，設定四個評價灰類，即序號為 e =1、 2、 3、 4，白化函數 fe( dijk)設定對于指標 B11屬于第e個評價灰類的灰色評價系數為 X11e，則：

（5）一級指標綜合評價，對1B作綜合評價，其結果為1B，則有：

（6）計算綜合評價值。由各評價灰類等值化向量 C = ( "優 "， “良”，“中”，“差”) = （4， 3， 2， 1），得到高原地區埋地鋼制天然氣管道風險評估的綜合評價值為：

計算結果位于區間（3,4），即結果介于良優之間，故該項目最終評價等級為“良”，說明該天燃氣管道整體風險性良好，其評價結果和實際相符。

5 結論

結合高原地區特有因素，分析管道失效機理和風險原理，建立了高原地區埋地鋼制天然氣管道失效故障樹，該故障數共選取了61個導致管道失效的基本事件，通過對故障樹的最小割集的求解和結構重要度的計算，定性確定了引起管道失效的薄弱環節即腐蝕、第三方破壞、自然災害。

將綜合層次分析法和灰色評估理論有機的結合，從而將評價因素進行量化處理，解決了多層次、多因素、多變量和非定量化的評估問題。通過在實際中的應用體現了該方法有簡便、實用、直接和科學的優點，對不確定因素的量化分析提供了一種方法。

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Risk Assessment Method of Buried Natural Gas Pipeline in Plateau Area

PANG Xu1, ZHU Ping1, ZHU Xue-feng2,3
(1. Special Equipment Safety Inspection Research Institute of Yunnan, Kunming, 650228, China;2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology Kunming, 650500, China;3. Engineering Technology Research Center for Mineral Pipeline Transportation of Yunnan Kunming, 650500, China)

In view of the lack of effective risk assessment methods under the influence of various non-quantitative factors in the buried natural gas pipeline in the plateau region, the pipeline risk failure fault tree is established to determine the five risk factors that cause the pipeline failure, Three-dimensional damage, natural disaster, misuse, design, and thus the establishment of the risk assessment indicators, on the basis of this combined with the integrated analytic hierarchy process to calculate the weight of the corresponding indicators, the use of multi-level gray theory,buried highland natural gas Pipeline risk assessment, the risk factors to quantify the treatment. Combined with the practical engineering application, the risk quantification results of the natural gas pipeline in China are given, and the effectiveness of the risk assessment method is explained.d.

Highland area buried steel pipe; Risk identification; Fault tree; Multi-level gray theory; Risk quantification

F224

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.004

本文著錄格式：龐旭，朱平，朱雪峰. 高原地區埋地天然氣管道風險評估方法[J]. 軟件，2017，38（12）：18-24

“云南省科技惠民計劃項目”(2014RA003)

龐旭(1964-)，男，高級工程師，現主要從事壓力容器和管道檢驗研究工作；朱平(1981-)，男，高級工程師，2009年碩士畢業于昆明理工大學化工機械專業，現主要從事壓力容器和管道檢驗研究工作。朱雪峰(1993-)，女，碩士研究生，現主要從事油氣管道檢測研究和排水管道故障診斷。