李秀美　陳國明　朱紅衛(wèi)　方娜　燕冰川

(1.中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心　山東青島 266580；2.中國石油管道分公司管道完整性管理中心　河北廊坊 065000)

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老齡油氣管道安全壽命綜合評(píng)估方法研究

李秀美1陳國明1朱紅衛(wèi)1方娜1燕冰川2

(1.中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心山東青島 266580；2.中國石油管道分公司管道完整性管理中心河北廊坊 065000)

為合理評(píng)價(jià)老齡油氣管道的安全運(yùn)行狀態(tài)，降低老齡管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，基于安全系統(tǒng)理論提出一種安全壽命綜合評(píng)估方法。首先，通過事故樹分析辨識(shí)老齡油氣管道系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素，從管道內(nèi)檢測、管道外檢測、壓力試驗(yàn)、修復(fù)和承壓狀況5個(gè)方面建立管道安全壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；然后，采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并基于模糊集理論和灰色理論預(yù)測管道安全壽命；最后，以國內(nèi)某一管道為例證明該方法工程應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，該方法能夠較為全面評(píng)估老齡油氣管道的安全壽命，評(píng)估結(jié)果符合工程實(shí)際情況，具有較高應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)閲鴥?nèi)老齡油氣管道的安全壽命評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)決策提供技術(shù)支持。

老齡油氣管道安全壽命事故樹分析層次分析模糊集理論灰色理論

0　引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，管道輸送發(fā)揮著越來越重要的作用。國內(nèi)目前運(yùn)營的油氣管道大多建于20世紀(jì)60、70年代，由于管材老化、內(nèi)外腐蝕、焊接缺陷等因素引起的爆管、漏油事故頻繁發(fā)生，已進(jìn)入“老齡期”，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行。老齡管道由于服役時(shí)間較長，承載能力下降，如何評(píng)價(jià)老齡管道的安全壽命，了解其安全狀態(tài)成為亟需解決的問題。

近年來，國內(nèi)外在油氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面已開展較多研究[1-5]。MUHLBAUER W K[6]基于美國工業(yè)管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出肯特模型，其中的一些指標(biāo)并不符合我國老齡管道的實(shí)際情況，而且該模型只能計(jì)算管道的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值，難以直接用于老齡管道的安全壽命評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[7]建立了考慮崩塌、滑坡、泥石流三種典型地質(zhì)災(zāi)害的管道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)油氣管道在特殊工況下的安全狀態(tài)，但是沒有系統(tǒng)研究老齡輸油管道安全指標(biāo)體系的一般性。管道安全壽命體現(xiàn)管道固有安全工作能力和自身物理承載狀態(tài)，是一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)。國內(nèi)學(xué)者基于可靠性理論、斷裂力學(xué)、有限元分析預(yù)測了含有腐蝕缺陷、裂紋缺陷和凹痕缺陷的管道的剩余安全壽命，但都是針對(duì)單個(gè)管道缺陷，并沒有研究整體缺陷情況對(duì)管道系統(tǒng)安全壽命的影響。

鑒于國內(nèi)還沒有老齡管道安全壽命系統(tǒng)評(píng)估模型，筆者基于事故樹分析、層次分析、模糊集、灰色預(yù)測等安全系統(tǒng)理論，提出一種針對(duì)老齡管道安全壽命的綜合評(píng)價(jià)方法。該方法通過建立一套包含管道安全壽命影響因素的指標(biāo)體系并進(jìn)行專家打分評(píng)價(jià)管道運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測管道剩余壽命，便于工程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于保障老齡管道的安全運(yùn)行，制定管道延壽策略有著重要意義。

1　老齡油氣管道安全壽命綜合評(píng)估流程

老齡管道在運(yùn)行過程中，其安全性能受到多種因素影響，如何找出這些因素并確定其對(duì)管道安全壽命的影響程度是老齡管道安全壽命預(yù)測的關(guān)鍵。通過老齡管道失效事故樹分析找出危險(xiǎn)因素，采用層次分析法確定危險(xiǎn)因素權(quán)重，建立一套老齡管道安全壽命指標(biāo)體系。以專家打分為技術(shù)手段對(duì)管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，引入模糊集理論將評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成可靠性指標(biāo)，基于灰色理論預(yù)測老齡管道的安全壽命。老齡管道安全壽命綜合評(píng)估流程如圖1所示。

圖1　老齡油氣管道安全壽命綜合評(píng)估流程圖

2　老齡油氣管道安全壽命指標(biāo)體系

(1) 危險(xiǎn)因素識(shí)別和因素篩選

選用事故樹分析確定危險(xiǎn)因素并通過專家篩選得到對(duì)管道安全壽命直接相關(guān)的因素，例如:管道缺陷、管道的修復(fù)情況。針對(duì)一般工況下的油氣管道，自然地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道安全的影響并不顯著。第三方破壞、誤操作等因素偶然性較大，一次發(fā)生可能導(dǎo)致管道物理壽命終結(jié)，并不能客觀反映管道物理承載狀態(tài)，工程中可以減小或者不考慮這些因素對(duì)管道的固有安全壽命的影響。危險(xiǎn)因素識(shí)別和專家因素篩選穿插進(jìn)行，并及時(shí)更新。

(2) 調(diào)查問卷設(shè)計(jì)和專家調(diào)查

調(diào)查問卷是為了獲得各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，設(shè)計(jì)應(yīng)該簡單明了。調(diào)查問卷中應(yīng)該詳細(xì)說明調(diào)查目的和使用方法，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)做出說明。調(diào)查問卷指標(biāo)重要度采用十分制原則，滿分十分代表該指標(biāo)對(duì)上一級(jí)指標(biāo)非常重要，零分代表該指標(biāo)對(duì)上一級(jí)指標(biāo)沒有影響。將設(shè)計(jì)好的調(diào)查問卷發(fā)送給現(xiàn)場管道工、安全技術(shù)員、管道管理專家、評(píng)估專家等對(duì)管道狀態(tài)及其影響因素有定性和定量了解的工作人員(建議3位以上)調(diào)查指標(biāo)重要程度。

(3) 確定因素權(quán)重和取值描述

層析分析法能夠彈性地增加或減少評(píng)估因素，并且通過專家評(píng)估的方式確定因素的權(quán)重[8]。根據(jù)調(diào)查反饋情況，取各個(gè)問卷中指標(biāo)的平均值作為該指標(biāo)的最終分值。為了得到指標(biāo)的兩兩比較矩陣，需要將問卷中的結(jié)果按照表1進(jìn)行處理。經(jīng)過處理之后，根據(jù)層次分析法的“九標(biāo)度”法得到指標(biāo)成對(duì)比較矩陣，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)之后求解矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為指標(biāo)的權(quán)重向量[6]。當(dāng)一致性比率CR=CI/RI<0.1時(shí)，認(rèn)為成對(duì)比較矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。式中，CI=(λ-n)/(n-1)為一致性指標(biāo)，λ為矩陣的最大特征值，n為元素個(gè)數(shù)，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值參見表2。

表1　指標(biāo)相對(duì)重要程度分值描述

表2　隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

確定指標(biāo)體系總分為500分，根據(jù)指標(biāo)的權(quán)重可以得到老齡管道安全壽命評(píng)估指標(biāo)體系各項(xiàng)指標(biāo)分值，給出指標(biāo)的取值規(guī)則，從而完整構(gòu)建老齡管道安全壽命評(píng)估指標(biāo)體系。采用該指標(biāo)體系評(píng)價(jià)管道時(shí)，最終得分代表管道失效的可能性，且分?jǐn)?shù)越高代表管道越容易失效。值得一提的是，可以參照《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[6]給出取值描述并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3　老齡油氣管道安全壽命預(yù)測

(1)

利用CHENSJ等[9]提出的左右模糊排序法將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化成為可能性值FPS，該方法定義的最大和最小模糊集為：

(2)

(3)

則模糊數(shù)的左右模糊可能性值分別為：

(4)

(5)

FPST(w)=[FPSR(w)+1-FPSL(w)]/2

(6)

(7)

由模糊數(shù)W求得的FFR，即為管道發(fā)生事故的概率，管道的可靠性可近似用1-FFR表示。假設(shè)已經(jīng)確定每公里管道事故頻率(即故障率λ)不可接受值，根據(jù)故障率和可靠度的關(guān)系式[10]R(t)=e-λt可以得到管道單位時(shí)間的可靠性為R(t)=e-λt=e-λ=1-FFR，反演可以求得隸屬函數(shù)的核，從而求得管道安全運(yùn)行的閾值分?jǐn)?shù)F0。

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)管道進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，得到一系列時(shí)間-評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，管道安全性能隨著時(shí)間增加而變差，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)出這種單一變化規(guī)律，灰色預(yù)測GM模型[11]在處理這種問題上有著獨(dú)特的優(yōu)勢。基于建立的灰色預(yù)測模型，根據(jù)管道安全運(yùn)行的閾值分?jǐn)?shù)F0采用差值計(jì)算的方法預(yù)測管道安全壽命。假設(shè)得到一系列等時(shí)間間距(可以取1年)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)X(0)=[X(0)(1),X(0)(2),X(0)(3),…,X(0)(n)]，按照下面的步驟建立灰色預(yù)測模型：

(1)對(duì)X(0)做一次累加處理生成X(1)。

(8)

(2)按照式(9)求相鄰均值序列Z(1)(k)。

Z(1)(k)=[X(1)(k)+X(1)(k-1)]/2，

(k=1,2,3,…,n)

(9)

(3)求解數(shù)據(jù)矩陣B和YN。

(10)

(4)求解GM(1,1)預(yù)測模型的系數(shù)估值。

(11)

(5)確定預(yù)測模型。

灰色模型為：

(12)

估計(jì)數(shù)據(jù)序列為：

(13)

(6)驗(yàn)證模型精度。

4　實(shí)例應(yīng)用分析

選取國內(nèi)某條管線的一段管道作為評(píng)價(jià)對(duì)象，應(yīng)用筆者提出的方法預(yù)測其安全壽命。該管道已經(jīng)連續(xù)服役40多年，進(jìn)入老齡期。管道為螺旋焊縫鋼管，管節(jié)之間采用環(huán)焊縫焊接連接，最大工作壓力為3.8MPa，材質(zhì)為16Mn，采用石油瀝青防腐。

4.1建立安全壽命指標(biāo)體系

建立老齡管道失效事故樹，如圖2所示，主要考慮腐蝕穿孔、疲勞開裂、應(yīng)力腐蝕開裂三種失效模式。

分析建立的事故樹得到一階最小割集、二階最小割集、三階最小割集的數(shù)量為零，說明沒有“少數(shù)事件發(fā)生管道就失效”這種危險(xiǎn)組合，即管道失效并不是少數(shù)指標(biāo)決定的，是由一套指標(biāo)體系決定的，這也驗(yàn)證了事故樹的合理性，說明從事故樹中提取的因素作為指標(biāo)也具有合理性。篩選事故樹分析中得到的危險(xiǎn)因素并將其分類整理，得到內(nèi)檢測、外檢測、壓力試驗(yàn)、管道承壓狀況和修復(fù)情況5個(gè)一級(jí)指標(biāo)。前3個(gè)一級(jí)指標(biāo)從完整性管理的角度出發(fā)集中體現(xiàn)管道的固有安全狀態(tài)，后2個(gè)一級(jí)指標(biāo)體現(xiàn)出管道外部載荷、承壓特性以及修復(fù)情況，5個(gè)一級(jí)指標(biāo)涵蓋了影響管道安全壽命的各項(xiàng)因素。設(shè)計(jì)調(diào)查問卷發(fā)送給多位現(xiàn)場管道工程專家調(diào)查指標(biāo)的重要性，結(jié)果如圖3所示。

圖2　老齡管道失效事故樹

圖3　某老齡管道指標(biāo)重要度調(diào)查結(jié)果

將結(jié)果按照表1處理得到5個(gè)一級(jí)指標(biāo)的成對(duì)比較矩陣為：

矩陣的最大特征值為5.088 6，對(duì)應(yīng)的特征向量為[0.930 1，0.104 6，0.097 1，0.249 4，0.228 9]，一致性指標(biāo)CI=(9.304 4-9)/(9-1)=0.038 05，一致性比率CR=CI/RI=0.038 05/1.45=0.026<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。將特征向量歸一化并乘以指標(biāo)體系總分(500分)，得到5個(gè)一級(jí)指標(biāo)的分值分別為[290，35，30，75，70]。同理可得：

“管道內(nèi)檢測”對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分值為[90，66，55，9，5，5，30，15，15]；“管道外檢測”對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分值為[13，2，3，1，13，3]；“管道壓力試驗(yàn)”對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分值為[20，8，2]；“修復(fù)”對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分值為[32，13，13，2，2，9，2，2]；“承壓狀況”對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分值為[14，14，4，5，33]。

由于體系中指標(biāo)數(shù)量較多，這里只給出“承壓狀況”部分二級(jí)指標(biāo)的取值規(guī)則，如表3所示。

表3　“承壓狀況”部分二級(jí)指標(biāo)取值規(guī)則

4.2安全壽命預(yù)測

管道專家利用建立的老齡管道指標(biāo)體系對(duì)該管道系統(tǒng)最近幾年運(yùn)行狀況進(jìn)行打分，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4　某管道歷年安全壽命評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)

預(yù)測管道安全壽命需要確定管道不可接受失效頻率值，并進(jìn)一步反演得到閾值分?jǐn)?shù)，閾值分?jǐn)?shù)作為灰色預(yù)測模型的極限值，根據(jù)灰色預(yù)測模型確定達(dá)到該極限值的時(shí)間間隔，即確定管道的安全壽命。不可接受失效頻率取值過高會(huì)造成不可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果，取值過低會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果過于保守。根據(jù)查閱該管線的設(shè)計(jì)資料和管道所處的安全等級(jí)確定該管段不可接受失效頻率為8×10-3/(km·a)，反演計(jì)算得到管道安全壽命閾值分?jǐn)?shù)為258，預(yù)測的安全壽命期限為2015年。鑒于該管道剛剛納入報(bào)廢日程的事實(shí)，預(yù)測結(jié)果和管道真實(shí)報(bào)廢期限具有較高一致性，證明采用本文的系統(tǒng)方法預(yù)測老齡管道的安全壽命是工程可行的。

5　結(jié)語

在國內(nèi)管道老齡化問題日益突出的背景下，提出一套適用于老齡管道的安全壽命綜合評(píng)估方法，為老齡管道的延壽工程管理提供技術(shù)支撐?；谑鹿蕵浞治觥游龇治鼋艿纼?nèi)外檢測、壓力試驗(yàn)、修復(fù)和承壓狀況的指標(biāo)體系，引入模糊理論和灰色理論并以專家打分為技術(shù)手段預(yù)測老齡管道安全壽命。以國內(nèi)某一老齡管段為對(duì)象，利用本文提出的方法預(yù)測其安全壽命期限為2015年，這與該管段已納入報(bào)廢日程事實(shí)相符，證明該方法預(yù)測管道安全壽命的工程可行性。

[1]范縣位,張勇,田宏.輸油管道的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及其評(píng)價(jià)方法的研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010,36(3):54-55.

[2]黃奎,李薇,付正輝,等.基于Kent法修正后的庫鄯線輸油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2014,40(12):54-57.

[3]梁軍會(huì),王鵬,郭永華,等.特殊地質(zhì)條件下埋地油氣管道安全評(píng)估研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012，38(3):4-6.

[4]鄭偉,佟淑嬌,宋存義.天然氣管道工程風(fēng)險(xiǎn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010,36(3):17-18.

[5]項(xiàng)小強(qiáng),馮文興,李保吉,等.定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)在管道城市穿越段的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(11):25-26.

[6]MUHLBAUER W K.管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)[M] 楊嘉瑜，張德存，李欽華，等,譯.北京：中國石化出版社，2005.

[7]鐘威,高劍鋒.油氣管道典型地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2015,34(9):934-938.

[8]黃敏,左治興,易斌.基于改進(jìn)層次分析法的石化生產(chǎn)裝置安全評(píng)價(jià)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2008,34(4):40-42.

[9]CHEN S J,HWANG C L. Fuzzy multiple attribute decision making : methods and applications[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1992.

[10]張景林，崔國璋.安全系統(tǒng)工程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2002.

[11]楊晴晴,唐衛(wèi)平,屈鵬.灰色預(yù)測在平朔煤炭工業(yè)公司安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2006,32(9):54-55.

陳國明，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌夤こ碳把b備、油氣安全工程。

A Comprehensive Safety Life Evaluation Method of Aging Oil and Gas Pipeline

LI Xiumei1CHEN Guoming1ZHU Hongwei1FANG Na1YAN Bingchuan2

(1.CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleumQingdao,Shandong266580)

In order to make reasonable prediction of safety operation condition of aging oil and gas pipeline and reduce their operational risks, a comprehensive safety life evaluation method is provided based on safety system theory. First, risk factors are identified using fault tree analysis and an index system is constructed considering internal inspection, external inspection, pressure testing, repair and pressure state. Then the factor weights are determined by means of analytic hierarchy process and the pipeline safety life is predicted based on fuzzy set theory and grey theory by means of scoring. Finally, this paper takes an example to illustrate the feasibility of the engineering applications of the method. The result shows that the method can comprehensively evaluate the safety life of the old oil and gas pipelines. The result accords with the actual situation of engineering with high application value, which can provide technical support for the safety life assessment and risk decision of domestic aging oil and gas pipeline.

aging oil and gas pipelinesafety lifefault tree analysisanalytic hierarchy processfuzzy set theorygrey theory

李秀美，男，1989年生，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟪袎航Y(jié)構(gòu)完整性管理與評(píng)價(jià)。

2015-11-20)