張志東高級工程師 駱吉慶 何 莎高級工程師 杜 雷 李姝璇

（1.四川科特檢測技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢 618300；4.中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100032）

0 引言

油氣管道斜拉索跨越是油氣管道跨越常用的結(jié)構(gòu)形式之一[1]，它往往是長輸管道的咽喉，具有極其重要的作用，一旦發(fā)生事故，不僅影響油氣的正常運(yùn)輸，且會造成環(huán)境污染，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響。

目前，國內(nèi)針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法的研究成果較少?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》提出了斜拉橋技術(shù)狀況評定方法及等級分類[2]，但并未涉及斜拉索跨越油氣管道。《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》給出了在用工業(yè)管道的安全狀況等級的評定條件[3]，但只針對在用工業(yè)管道及其附屬設(shè)施，并未提及斜拉索跨越管橋中所包含的斜拉索、錨固墩等重要結(jié)構(gòu)。雖然已有學(xué)者對斜拉索跨越管橋的有限元模擬和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法進(jìn)行了研究[4-6]，但缺乏專門針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法方面的研究，也未見相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與法律法規(guī)。

鑒于此，筆者將結(jié)合工程實(shí)際，借鑒《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》斜拉橋技術(shù)狀況評定思想，針對跨越油氣管道，增加“管橋系”模塊，構(gòu)建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標(biāo)體系。采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而求得斜拉索管橋的安全狀況評分，確定安全狀況評定等級，以期為管道企業(yè)安全運(yùn)行管理提供一定的技術(shù)支持與理論依據(jù)。

1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標(biāo)體系建立

本文結(jié)合油氣管道斜拉索跨越的現(xiàn)場工程實(shí)際，借鑒《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》斜拉橋技術(shù)狀況評定思想[2]，構(gòu)建安全狀況評定指標(biāo)體系，包含3個一級指標(biāo)和13個二級指標(biāo)，如下圖。

圖 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標(biāo)體系Fig. Index system of safety evaluation for cable-stayed pipeline bridge

底層指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[2]，分值論域?yàn)閇0, 100]，安全狀況越良好指標(biāo)的分值越高。

斜拉索跨越管橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和管橋系的安全狀況評分按下式計(jì)算：

式中：

SP—上部結(jié)構(gòu)安全狀況總評分；

BPi—上部結(jié)構(gòu)中單個部件i的安全狀況評分；

SB—下部結(jié)構(gòu)安全狀況總評分；

BBi—下部結(jié)構(gòu)中單個部件i的安全狀況評分；

SD—管橋系安全狀況總評分；

BDi—管橋系中單個部件i的安全狀況評分；

ωi—部件i在斜拉索跨越管橋系統(tǒng)中的組合權(quán)重。

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分按下列公式計(jì)算：

式中：

S—斜拉索跨越管橋的安全狀況評分。

2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

傳統(tǒng)的賦權(quán)方法大致可分為兩大類：主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)方法的優(yōu)點(diǎn)是專家可以根據(jù)實(shí)際問題，較為合理地確定各指標(biāo)之間的排序，但主觀隨意性大?？陀^賦權(quán)法的原始數(shù)據(jù)來源于評價(jià)矩陣的實(shí)際數(shù)據(jù)，客觀性較強(qiáng)，但沒有考慮到?jīng)Q策者的偏好且易受數(shù)據(jù)波動的干擾[7]。為此，人們提出了綜合主、客觀賦權(quán)法的綜合集成賦權(quán)法[8-10]。本文在網(wǎng)絡(luò)層次分析法[11]（Analytic Network Process，ANP）和熵權(quán)法[12-13]基礎(chǔ)上，采用幾何平均賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)組合賦權(quán)，使得最終確定的組合權(quán)重能更好地反映斜拉索跨越管橋的實(shí)際工程情況。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

考慮到各指標(biāo)間存在相互影響，引入ANP計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[14-15]，ANP是一種主觀賦權(quán)法。假定ANP結(jié)構(gòu)控制層中有元素D1，D2，…，DN，網(wǎng)絡(luò)層次中有N個元素集C1，C2，…，CN，Cp中有元素εp1，εp2，…，εpg（p=1，2，…，N），Cq中有元素εql（q=1，2，…，N），元素集Cp中元素按其對εql的影響大小進(jìn)行兩兩比較，得到比較矩陣Wpq：

若Cp中元素對Cq中元素沒有影響，則Wpq=0，最終獲得超矩陣W。為使超矩陣W能夠收斂，決策者需要進(jìn)一步比較信息使之隨機(jī)化。以DN為準(zhǔn)則，對元素集Cp（p=1，2，…，N）的重要性進(jìn)行比較。與Cp無關(guān)的元素集的排序向量分量為0，以此得到加權(quán)矩陣A[16]。

超矩陣W的加權(quán)超矩陣對加權(quán)超矩陣取λ→∞（λ表示決策者影響程度累加次數(shù)），得到的矩陣逐漸收斂至一固定值，即為ANP計(jì)算得到的權(quán)重，記為αi。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)熵權(quán)，從而得到較為客觀的指標(biāo)權(quán)重[17]。假設(shè)有m個評價(jià)對象，有n個底層指標(biāo)，xij表示第j個評價(jià)對象的第i個指標(biāo)的得分，構(gòu)建初始矩陣Xij=(xij)nm。

（1）計(jì)算第j個評價(jià)對象的第i個指標(biāo)分值的比重Pij：

（2）確定各指標(biāo)熵值Ei：

式中：

（3）信息熵確定后，計(jì)算第i個指標(biāo)的熵權(quán)值βi：

2.3 組合權(quán)重

結(jié)合ANP和熵權(quán)法，采用幾何平均賦權(quán)法計(jì)算組合權(quán)重[18]，公式如下：

其中，θ為偏好系數(shù)，取值范圍為[0,1]。當(dāng)專家經(jīng)驗(yàn)不足時，客觀權(quán)重就較為重要，θ偏小，反之則偏大。由于θ的取值不同，計(jì)算結(jié)果也會有所差異[19]，應(yīng)用中要充分考慮實(shí)際情況，靈活取值，本文中θ取0.5。

3 安全狀況評定等級劃分

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分S總體上反應(yīng)了管橋的安全狀況，借鑒文獻(xiàn)[2]中的橋梁總體技術(shù)狀況評定等級劃分原則，將斜拉索跨越管橋的安全狀況等級分為4級，管橋安全狀況等級的劃分及意義，見表1。

表1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.1 Safety evaluation grade of cable-stayed pipeline bridge

有下列情況之一時，斜拉索跨越管橋安全狀況應(yīng)評為4級：

（1）斜拉索鋼絲出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、斷絲。

（2）索塔、橋墩、橋臺或墩臺基礎(chǔ)不穩(wěn)定，出現(xiàn)嚴(yán)重滑動、下沉、位移或傾斜等現(xiàn)象。

（3）管道由于第三方破壞或腐蝕等因素，導(dǎo)致剩余壁厚承壓能力不足，無法達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

斜拉索跨越管橋安全狀況評定時，當(dāng)主要部件評分為3級或4級（主要部件安全狀況等級評定參照表1）且影響跨越管橋安全時，可按照斜拉索跨越管橋主要部件最差的缺損狀況評定。

4 實(shí)例分析

以西南地區(qū)某天然氣長輸管道的其中一段斜拉索跨越管橋?yàn)槔?，進(jìn)行安全狀況評定。結(jié)合前期已開展的現(xiàn)場踏勘、資料審查、上部結(jié)構(gòu)檢測、下部結(jié)構(gòu)檢測和管橋系檢測等工作，邀請5位專家針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行打分，并取平均值，見表2。

4.1 確定組合權(quán)重

由于加權(quán)超矩陣計(jì)算十分復(fù)雜，此處采用超級決策軟件Super Decisions（SD）計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重αi，詳見文獻(xiàn)[16]；根據(jù)式（6）～（8）計(jì)算客觀權(quán)重βi；由式（9）確定組合權(quán)重ωi，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果，見表2。

4.2 安全狀況等級評定

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）～（4）和表1可得各指標(biāo)及斜拉索跨越管橋的總體安全狀況等級，評定結(jié)果，見表3。

表2 指標(biāo)評分及權(quán)重Tab.2 Evaluation value and weight of each index

表3 各指標(biāo)及斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.3 Safety evaluation grade of each index and cable-stayed pipeline bridge

實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，該斜拉索跨越管橋并未出現(xiàn)第3節(jié)列舉的情況，結(jié)合安全狀況評定等級劃分的相關(guān)要求，案例評定結(jié)果為：斜拉索跨越管橋安全狀況等級為3級。

4.3 評定結(jié)果分析

一級指標(biāo)中，管橋系指標(biāo)占40.16%，應(yīng)作為斜拉索跨越管橋安全保護(hù)工作的重點(diǎn)，這與斜拉索跨越管橋運(yùn)行管理的實(shí)際情況相吻合?！板^固墩”評分為61.6，單項(xiàng)指標(biāo)評定結(jié)果為3級，安全狀況較差，且“錨固墩”在整個評價(jià)體系中的組合權(quán)值為“0.1197”，重要程度僅次于“管道”（權(quán)值為0.3164）和“斜拉索系統(tǒng)”（權(quán)值為0.1479），故管道管理方應(yīng)盡快對錨固墩進(jìn)行治理。該斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級為3級，表明管橋的使用功能已受到了嚴(yán)重影響，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，其原因主要包括：斜拉索護(hù)套防護(hù)層破損、索塔和支座出現(xiàn)了一定程度的銹蝕、錨固墩混凝土碳化較為嚴(yán)重、護(hù)坡工程由于河水沖刷和風(fēng)蝕損毀嚴(yán)重。管道管理方應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場檢測及安全狀況評定結(jié)果，制定全面的修治方案，以保障斜拉索跨越管橋的安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）針對油氣長輸管道中斜拉索跨越管橋的實(shí)際情況，增加“管橋系”模塊，首次將斜拉橋技術(shù)狀況評定思想引入斜拉索跨越管橋的安全狀況評定，構(gòu)建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標(biāo)體系，具有一定的科學(xué)性。

（2）將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法有機(jī)結(jié)合，采用“網(wǎng)絡(luò)層次分析法+熵權(quán)法”的組合賦權(quán)方法，發(fā)揮各自優(yōu)勢的同時也在一定程度上避免了主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)所引起的權(quán)值偏差，使指標(biāo)權(quán)重的確定更加合理。

（3）安全狀況評定等級反應(yīng)出斜拉索跨越管橋當(dāng)前的安全程度，有助于管理方制定合理的安全修治方案，為企業(yè)的管道安全管理提供一定的技術(shù)支持與理論依據(jù)。

（4）筆者所建立的斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標(biāo)體系中只涉及到一級和二級指標(biāo)，三級甚至更底層指標(biāo)的制定還需深入研究。