關(guān)豐旭 徐晴晴 楊大慎 董紹華 王美聰

1沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院

2中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院

3中石化銷售公司華南分公司

管道環(huán)焊縫是管道最薄弱的環(huán)節(jié)，環(huán)焊縫的質(zhì)量往往決定了管道整體的質(zhì)量。管體以及焊接材料、焊接技術(shù)、管道周圍地質(zhì)情況等，都對環(huán)焊縫的質(zhì)量有著一定的影響[1]。近年來，國內(nèi)外管道環(huán)焊縫開裂事故頻發(fā)，無論是早年完成施工的管道，還是近些年有高技術(shù)背景支持的新管道，都有環(huán)焊縫開裂事故的發(fā)生。國內(nèi)舊管道的焊接工藝和當(dāng)時(shí)的管理制度并不完備，存在著一定數(shù)量的不可靠焊口，事故時(shí)有發(fā)生。采用新工藝的高強(qiáng)鋼焊接管道，在焊接水平上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前的舊管道。但據(jù)調(diào)查顯示，自2011 年以來仍發(fā)生8 起管道環(huán)焊縫開裂事故，事故管道均是采用新工藝的管道，其中6起事故是由于焊縫缺陷而導(dǎo)致的，另外2 起事故是管體外部存在較大外力導(dǎo)致的焊縫開裂[2]。

焊縫作為管道最為重要的特征之一，是管道最易發(fā)生事故的連接不飽和處，也是應(yīng)變集中發(fā)生的薄弱位置。通過矯頑力的計(jì)算和彈塑性模量計(jì)算，以及漏磁無損內(nèi)檢測分析可有效排查焊縫異常情況，但仍有部分異常焊縫無法進(jìn)行辨別確認(rèn)[3]。

如果將所有的存疑焊口都進(jìn)行開挖驗(yàn)證，不但浪費(fèi)大量人力、物力，也會導(dǎo)致管道無法運(yùn)行，消耗大量資源。因此，對環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與分級管控非常重要。本文建立環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，采用多級可拓評價(jià)方法對管道進(jìn)行環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和分級，對不同等級的焊縫采取不同的處理措施。針對其中風(fēng)險(xiǎn)因素較高的或者風(fēng)險(xiǎn)不可接受的焊縫進(jìn)行開挖驗(yàn)證和修復(fù)，以確保環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)因素在可接受范圍內(nèi)，管道能維持正常運(yùn)行[4]。

1 多級可拓評價(jià)模型建立

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系

圖1 管道環(huán)焊縫安全評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Safety evaluation index system of pipeline girth weld

通過對近年來環(huán)焊縫開裂事故統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，主要原因來自于焊縫缺陷、鋼材性能、管體負(fù)荷以及管理和技術(shù)因素四方面（圖1）。其中焊接缺陷包括未熔合、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣、裂紋等，根據(jù)GB 32167—2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》，將焊縫缺陷主要分為平面型缺陷和體積型缺陷兩類：平面型缺陷包括裂紋、咬邊、未熔合、未焊透等；體積型缺陷包括氣、孔夾焊縫內(nèi)凹等[5]。存在焊接缺陷的焊縫在管體外部負(fù)荷的作用下，在缺陷處開始發(fā)生開裂并逐漸擴(kuò)大導(dǎo)致事故發(fā)生[6]。鋼材性能方面可通過GB/T19624—2004、API1104—2013 等標(biāo)準(zhǔn)，對管線鋼材性能進(jìn)行評價(jià)。管體負(fù)荷方面針對管體敷設(shè)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，以及施工過程的操作質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。技術(shù)因素方面，可對施工管理方文件進(jìn)行審查，對其管體敷設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，對其管理制度進(jìn)行審核，從而對整體管理進(jìn)行綜合打分[7]。

1.2 可拓評價(jià)理論

1.2.1 確定經(jīng)典域物元

管道焊縫安全評價(jià)經(jīng)典域物元表達(dá)式為

式中：Mj為環(huán)焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)等級，j=1，2，3，4；C為環(huán)焊縫失效的一級指標(biāo)；Nj表示環(huán)焊縫失效在第j等級的分值范圍，ajn、bjn為分值上下限。

表1 環(huán)焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級Tab.1 Failure risk evaluation level of girth weld

環(huán)焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級見表1。

1.2.2 確定節(jié)域、待評價(jià)物元

確定管道焊縫安全評價(jià)節(jié)域R

N取值范圍為各個(gè)指標(biāo)的全部范圍。

由式（2）及表1 得到環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)節(jié)域（以C4為例）。

確定待評價(jià)物元

式中：Ni為一級指標(biāo)對環(huán)焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)的對應(yīng)分值。

2 權(quán)重系數(shù)確定

環(huán)焊縫失效風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)依據(jù)API579 等規(guī)范，考慮環(huán)焊縫各方面因素對其各個(gè)參數(shù)進(jìn)行評分。在評分過程中依據(jù)相關(guān)規(guī)定以及評價(jià)規(guī)范，對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。以往的評分手段在評分過程時(shí)給予不同參數(shù)不同的最大分值，采用累計(jì)評分法對環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評價(jià)[8]。采用累計(jì)評分法時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)參數(shù)的權(quán)重判斷多為百分?jǐn)?shù)式判斷，即某一因素相對于評價(jià)主體的影響占據(jù)多大權(quán)重，各部分權(quán)重百分比相加為1，影響因素之間往往不會存在相互比較；且主觀判斷性較強(qiáng)，在不同專家打分判斷權(quán)重時(shí)易出現(xiàn)側(cè)重點(diǎn)不同，而導(dǎo)致在評判風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重時(shí)出現(xiàn)較大差異[9]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)分析法

經(jīng)典的層次分析法將各個(gè)影響因素分為不同組別，按照隸屬關(guān)系逐級分層，再利用影響因素之間相互比較得到判斷矩陣，從而計(jì)算各個(gè)影響因素的權(quán)重。層次分析法適用于層次內(nèi)部元素相對獨(dú)立的問題，對于元素之間存在相互作用的層次結(jié)構(gòu)，通過層次分析法計(jì)算得到的權(quán)重值并不能滿足實(shí)驗(yàn)計(jì)算要求[10]。為此在層次分析法的基礎(chǔ)上增加了超級矩陣的網(wǎng)絡(luò)分析法計(jì)算權(quán)重，以滿足層次間、元素間存在復(fù)雜關(guān)系的問題。網(wǎng)絡(luò)分析法在進(jìn)行權(quán)重計(jì)算時(shí)考慮到元素之間的相互作用、相互影響，同時(shí)也考慮到隸屬于不同組別的影響因素之間的關(guān)系，有效地避免了經(jīng)典層次分析法的局限性，得到的權(quán)重計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際[11]。

2.2 建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)

使用Super Decisions 軟件計(jì)算網(wǎng)絡(luò)分析法超矩陣權(quán)重。建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)圖，將各個(gè)影響因素進(jìn)行兩兩對比，將得到的判斷陣與加權(quán)超級矩陣進(jìn)行多次的穩(wěn)定性處理，歸一化處理后得到最終極限矩陣[12]。

根據(jù)圖1，在Super Decisions 中建立網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 環(huán)焊縫網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)Fig.2 Analysis of network structure of girth weld

充分考慮元素之間的作用關(guān)系，例如C12 底片復(fù)核結(jié)果項(xiàng)受C11 內(nèi)檢測識別缺陷質(zhì)量影響，同時(shí)復(fù)合結(jié)果也受到焊接方法C21、焊縫是否存在反修口C35、內(nèi)檢測識別底片是否存在黑口C41 情況的影響，從而建立相互關(guān)聯(lián)表格（表2）。

表2 影響因素關(guān)系Tab.2 Correlation of influence factor

其中二級指標(biāo)元素存在組內(nèi)關(guān)聯(lián)，同時(shí)也存在著組間關(guān)聯(lián)。考慮元素組內(nèi)關(guān)聯(lián)和組間關(guān)聯(lián)，計(jì)算一級指標(biāo)、二級指標(biāo)的權(quán)重值。選擇Super Decisions 軟件中的問卷調(diào)查，使用Saaty1-9 標(biāo)度法，標(biāo)度含義如表3 所示[13]。

表3 Saaty1-9 標(biāo)度法含義Tab.3 Implaction of Saaty1-9 scaling

一級指標(biāo)相互比較問卷調(diào)查得到的權(quán)重值為一級指標(biāo)權(quán)重值[14]。一級權(quán)重值加權(quán)于二級指標(biāo)的權(quán)重值，得到相互影響的二級指標(biāo)權(quán)重值。一級指標(biāo)其中一個(gè)重要性調(diào)查問卷比較如圖3 所示。

圖3 一級指標(biāo)重要性比較問卷Fig.3 Significance comparison questionnaire of the first grade index

對問卷結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。CR=0.053 61，計(jì)算結(jié)果小于0.1，通過一致性檢驗(yàn)，認(rèn)為判斷矩陣具有可靠性[15]。

圖4 一致性檢驗(yàn)Fig.4 Consistency check

在一級指標(biāo)一致性計(jì)算通過后，利用其組間權(quán)重矩陣對超矩陣進(jìn)行加權(quán)，從而得到加權(quán)超矩陣。同樣地對二級指標(biāo)進(jìn)行重要性問卷調(diào)查，部分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 二級指標(biāo)重要性比較問卷Fig.5 Significance comparison questionnaire of the second grade index

圖6 極限矩陣Fig.6 Limit matrix

對所有指標(biāo)進(jìn)行重要性比較，計(jì)算得到最終各級指標(biāo)相對權(quán)重，最終極限矩陣如圖6 所示。由此得到環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)二級指標(biāo)的權(quán)重集合：{0.156 46，0.128 85，0.080 88，0.007 59，0.048 63，0.019 36，0.021 02，0.030 67，0.148 31，0.134 21，0.049 83，0.088 61，0.085 59}

3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)度計(jì)算從低級指標(biāo)逐級向高級指標(biāo)遞進(jìn)式計(jì)算評價(jià)，需考慮逐級指標(biāo)對于最終風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果的權(quán)重值[16]。評價(jià)指標(biāo)分級層次越多，權(quán)重值計(jì)算次數(shù)也越多，在權(quán)重值計(jì)算過程中，即使采用主觀因素影響較小的Saaty1-9 標(biāo)度調(diào)查問卷法進(jìn)行權(quán)重值計(jì)算，也無法避免個(gè)人對風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)主觀判斷帶來的偏差。本文關(guān)聯(lián)度計(jì)算過程中采用的權(quán)重值，是經(jīng)過一級指標(biāo)權(quán)重矩陣加權(quán)得到的穩(wěn)定極限矩陣，且極限相對排序向量收斂且唯一[17]。相對于傳統(tǒng)分級Saaty1-9 標(biāo)度法而言，本文采用的計(jì)算方法將一級指標(biāo)權(quán)重值直接加權(quán)于二級指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算，得到的權(quán)重值通過一致性檢驗(yàn)，判定計(jì)算結(jié)果具有良好的可靠性[18]。

3.1 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)

使用可拓理論關(guān)聯(lián)度計(jì)算低級指標(biāo)關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的關(guān)聯(lián)度關(guān)聯(lián)函數(shù)式為

3.2 計(jì)算環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度

計(jì)算環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)二級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，以C11為例計(jì)算關(guān)聯(lián)度，由（4）式得

利用上述計(jì)算得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，得到關(guān)聯(lián)度矩陣中數(shù)值大于0 項(xiàng)，大于0 數(shù)值所對應(yīng)的評價(jià)等級即為該影響因素對應(yīng)的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級[19]。繪制環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及關(guān)聯(lián)度表格，如表4 所示。指標(biāo)分值部分由管道技術(shù)研究專家綜合打分得到，權(quán)重指標(biāo)部分由前文Super Decisions 軟件計(jì)算得到的加權(quán)極限矩陣得到[20]。

表4 環(huán)焊縫安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Tab.4 Safety evaluation weight index of girth weld

根據(jù)表4 中各安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重和對應(yīng)關(guān)聯(lián)度，計(jì)算出環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級，如式（5）所示。

3.3 評價(jià)結(jié)果及分析

計(jì)算得出環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣為（-0.187 7，0.321 0，-0.395 4，-0.656 4），其中Ⅱ級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度大于0，Kj(S)=0.321 0=K2(S)，確定該環(huán)焊縫位置風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級為Ⅱ級，屬于風(fēng)險(xiǎn)水平有條件接受，需綜合考慮該焊縫整改成本與整改效果，對環(huán)焊縫進(jìn)行整改。可利用此方法對管道整體環(huán)焊縫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，對于評價(jià)結(jié)果為風(fēng)險(xiǎn)較高或高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)焊縫，需開展精細(xì)化完整性評價(jià)。以此確定被評價(jià)焊縫缺陷的承壓能力，完善環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合油氣運(yùn)輸管道工藝，針對管道環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建了以焊縫缺陷、鋼材性能、管體負(fù)荷，以及管理技術(shù)因素為一級評價(jià)指標(biāo)，以內(nèi)檢測缺陷識別、底片復(fù)合結(jié)果等因素為二級評價(jià)指標(biāo)的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。

（2）構(gòu)建了基于物元可拓模型的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，考慮各影響因素相互不獨(dú)立，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析法確定各個(gè)影響因素關(guān)于環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重值。

（3）對現(xiàn)有管道環(huán)焊縫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析，得出被測環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級為Ⅱ級，結(jié)果與專家評判法現(xiàn)場評價(jià)確認(rèn)結(jié)果相符，認(rèn)為此評價(jià)模型可靠。

（4）本方法可應(yīng)用于油氣管道環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和分級管理，為環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)分級推出了新的思路。