山區(qū)輸氣管道地震風險評價方法研究

王雯悅， 伍 穎， 尤 瀟， 陳良若

(1.西南石油大學土木工程與測繪學院，四川成都610500；2.廣元市天然氣有限責任公司，四川廣元628017)

1 概述

天然氣屬于易燃易爆品，尤其是地震活躍地區(qū)、山區(qū)輸氣管道的線路工程存在穿跨越活動斷層的可能性，高壓輸送介質發(fā)生泄漏、火災、爆炸的危險性更大。一方面地震作用和管道易損性增加了山區(qū)輸氣管道運行的失效可能性，另一方面輸送介質的產(chǎn)品危害性和管道周邊受體的易損性也會影響山區(qū)輸氣管道的失效后果。山區(qū)輸氣管道的失效可能性與失效后果構成了管道的地震風險。

目前，國內(nèi)外尚無成熟的山區(qū)輸氣管道地震風險評價體系。因此，針對山區(qū)輸氣管道震害特點，對引起管道失效的影響因素進行識別、對管道安全性進行評價并針對失效因素提出切實可行的風險緩解對策，對于山區(qū)輸氣管道地震評估研究的發(fā)展和山區(qū)輸氣管道風險防控技術的提高具有十分重要的意義。

2 方法理論

2.1 G1法

采用G1法計算指標權重。G1法即序關系分析法，是在層次分析法的基礎上改進的一種權重賦值方法，減少了確定指標權重的計算量，不需要構建判斷矩陣，且無一致性檢查，可操作性強[1]。

指標分為基礎指標和復合指標。基礎指標指能夠表達評價對象的某一屬性且不可再分的指標；復合指標指建立在基礎指標之上，可通過各基礎指標進行一定運算得到的指標，是可再分指標。確定各類各層級指標權重的步驟如下。

① 確定指標序關系

根據(jù)研究對象中各類各層級評價指標的重要性，確定各類各層級評價指標之間的排序關系。若評價指標Ji相對于評價指標Jj重要，則記為Ji>Jj。根據(jù)這一原則，結合專家給出的評定建議，從各類各層級評價指標集{J1,J2，…，Jm}中選出最重要的一個指標，記為I1；從剩下的m-1個指標中選出最重要的一個指標，記為I2，以此類推，將最后選出的評價指標記為Im，這樣確定了評價對象各類各層級指標的重要性由大到小的排序，即確定了序關系，見式(1)[2]。

I1>I2>…>Ik-1>Ik>Ik+1>…>Im

(1)

② 指標的相對重要性

專家參考表1，對評價對象的各類各層級相鄰評價指標的重要程度之比rk進行賦值[2]，rk定義見式(2)。

(2)

其中：

(3)

式中rk——指標Ik的相對重要性

wk-1——指標Ik-1的權重

wk——指標Ik的權重

m——評價指標集中指標的總數(shù)量

rk-1——指標Ik-1的相對重要性

表1 賦值參考

③ 指標權重計算

通過G1法判定各類各層級相鄰指標的相對重要性后進行指標權重的計算，權重計算公式[2]為：

(4)

wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,2)

(5)

且應滿足：

(6)

2.2 風險評價方法

2.2.1風險值計算

根據(jù)風險的定義，山區(qū)輸氣管道的地震風險由失效可能性和失效后果兩部分構成，參考GB/T 27512—2011《埋地鋼質管道風險評估方法》第9條規(guī)定，建立風險值計算準則：

R=SC

(7)

式中R——風險值

S——失效可能性評分

C——失效后果評分

山區(qū)輸氣管道地震風險的失效可能性評分S由可引起山區(qū)輸氣管道地震時破裂失效的各指標評分構成，失效后果評分C由管道破裂后產(chǎn)生泄漏造成不良影響的各指標評分構成。實際中，山區(qū)輸氣管道地震風險評價指標體系的各指標之間往往存在多重邏輯關系，指標的邏輯關系影響了復合指標的評分結果。因此，為探究評價指標之間的邏輯關系，引入布爾代數(shù)中的“或”門和“與”門關系進行指標間的邏輯判斷和指標的評分計算。

將基礎指標的評分設置為0～5分，復合指標的評分根據(jù)不同的邏輯關系采用不同的計算方式。由于指標之間存在重要性差異，因此應充分考慮指標權重對評分計算的影響。在邏輯分析中，“或”關系的指標評分，采用“加和”的方式進行運算，因此指標的權重會影響“加和”的結果；“與”關系的指標評分，采用“求積”的方式進行運算，因此指標的權重不會影響“求積”的結果。

對于本文“或”關系的各類各層級復合指標評分應采取式(8)和式(9)計算。

(8)

式中Si——準則層失效可能性下設的某復合指標的評分

wk——該復合指標下一層級指標Ik的權重

Sk——該復合指標下一層級指標Ik的評分

t——該復合指標下一層級指標的總數(shù)

(9)

式中Cj——準則層失效后果下設的某復合指標的評分

wl——該復合指標下一層級指標Il的權重

Cl——該復合指標下一層級指標Il的評分

n——該復合指標下一層級指標的數(shù)量

對于本文“與”關系的各類各層級復合指標評分應采取式(10)和式(11)計算。

(10)

(11)

2.2.2風險等級劃分

參考GB/T 27512—2011《埋地鋼質管道風險評估方法》第10.2條規(guī)定，將風險等級劃分為4級，不同風險等級對應的風險值區(qū)間見表2。表中，RMin為管段的風險最小值，RMax為風險最大值。RMin、RMax取值根據(jù)基礎指標的評分范圍以及指標邏輯關系確定。

表2 管道風險等級劃分標準

3 地震風險評價體系

通過實地考察、調研山區(qū)輸氣管道運行數(shù)據(jù)和沿線地區(qū)地震報告，建立了以失效可能性和失效后果為評價準則的三級山區(qū)輸氣管道地震風險評價體系，見表3。

山區(qū)輸氣管道地震風險失效可能性選取了地震危險性和管道易損性作為一級指標。在地震危險性方面，考慮地震發(fā)生時地震本身的災害以及地震引發(fā)的地質災害的影響；在管道易損性方面，考慮管道設計與施工、管道缺陷和誤操作的影響。

山區(qū)輸氣管道地震風險失效后果選取了產(chǎn)品危害性和受體易損性作為一級指標。在產(chǎn)品危害性方面，考慮天然氣的爆炸與燃燒危險性以及H2S毒性；在受體易損性方面，考慮人口密度、高價值地區(qū)、環(huán)境敏感性等受體的情況[3]。

運用布爾代數(shù)對評價指標之間的邏輯關系進行分析。以地震危險性與管道易損性為例，這兩方面均可單獨對管道的失效可能性造成影響，因此判斷兩者之間為邏輯“或”關系。同理，可分析得到本文的各類各層級指標之間的邏輯關系。通過分析，除產(chǎn)品危害性和受體易損性之間為邏輯“與”關系外，其余各類各層級指標之間均為邏輯“或”關系。

在指標權重方面，由于指標權重影響邏輯“或”關系的復合指標評分，不影響邏輯“與”關系的復合指標評分，因此，需計算邏輯“或”關系指標的權重。本文根據(jù)專家統(tǒng)一后的意見，采用公式(2)～(5)計算各類各層級的指標權重，計算結果見表3，徑厚比指管道外直徑與壁厚之比。

表3 山區(qū)輸氣管道地震風險評價指標及權重

續(xù)表3

在指標評分方面，基礎指標采用專項評估報告、竣工數(shù)據(jù)和專家意見結合的方式對基礎指標進行評分，基礎指標評分范圍為0～5分。各類各層級的復合指標評分通過指標邏輯關系的分析和計算得到的指標權重，結合式(8)～(11)得到。

在風險等級劃分方面，由于基礎指標評分范圍為0～5分，因此，可以計算得到山區(qū)輸氣管道地震風險評價的風險最大值為125分，風險最小值為0分。根據(jù)表2，可得山區(qū)輸氣管道風險等級劃分標準，見表4。

表4 山區(qū)輸氣管道風險等級劃分標準

4 西南山區(qū)某輸氣管道案例分析

以四川西南山區(qū)某輸氣管道為例進行山區(qū)輸氣管道地震風險評價。根據(jù)前期調研，該輸氣管道長約344.8 m，沿線工程地質條件評價為I級。邀請專家根據(jù)表5對該管段商議并統(tǒng)一意見后評分，評分結果見表6。

表5 山區(qū)輸氣管道地震風險評價評分依據(jù)

續(xù)表5

表6 四川西南山區(qū)某輸氣管道專家評分

根據(jù)表3、6以及公式(8)～(11)可以計算出各類各層級的復合指標分值以及管道的風險值，風險值為9.48，屬于低風險等級。根據(jù)實際運行維護數(shù)據(jù)，該輸氣管道目前沒有因地震造成的管道失效記錄，評價結果與實際情況基本一致，說明建立的山區(qū)輸氣管道地震風險評價模型具有可靠性。

5 結論

① 提出了采用布爾代數(shù)對指標之間的關系進行邏輯分析，并應用邏輯“或”關系和“與”關系的各類各層級復合指標評分計算方法，適用于建立的具有多重邏輯關系的山區(qū)輸氣管道地震風險評價模型。

② 分析了山區(qū)輸氣管道地震的失效可能性、失效后果，從地震危險性、管道易損性、產(chǎn)品危害性和受體易損性4方面建立了山區(qū)輸氣管道地震風險評價模型。將該模型應用于西南山區(qū)某輸氣管道實際評價中，效果良好，說明該模型具有可靠性。