張鵬 唐銘 范潮海 秦國晉

摘要：目前國內外學者僅針對埋地并行管道安全進行了大量的探索性研究，其他類型管道鮮有涉及。為此，建立同橋并行油氣管道間風險評價指標體系，并基于DEMATEL方法分析同橋并行管道因素相互影響關系，構建各指標因素間的綜合影響權重模型。評價結果表明：結合DEMATEL方法與變權理論建立了動態(tài)權重計算模型，精確反映了各指標的相互影響關系；建立了同橋并行管道風險評價指標體系與各指標風險等級劃分標準，基于灰色關聯(lián)法建立了風險評價模型，精確反映了修正前后的并行管道的風險等級，其評價結果符合工程實際，印證了并行管道內部影響因素的重要性。所得結論可為制定更為有效的管道敷設風險防范策略提供理論指導。

關鍵詞：同橋并行管道；風險評價；內部因素；灰色關聯(lián)法；指標權重

0 引 言

在管道建設路線受限、節(jié)能防災的背景下，并行管道敷設技術的發(fā)展提升了土地的利用率，保障了我國能源安全，對實現(xiàn)我國“能源進口多地區(qū)、進口方式多元化”戰(zhàn)略具有重要意義［1］。然而，并行管道沿線地質條件和地理環(huán)境十分復雜，一旦發(fā)生事故可能引起多米諾效應，造成不可挽回的后果。

目前，國內外學者針對并行管道安全進行了大量的探索性研究。2009年，向波［2］為了做好油氣管道的布局建設，分析了并行敷設管道的安全影響因素，研究了并行敷設管道的安全間距及保護措施，為并行管道的設計建設提供了寶貴建議。2016年，E.P.SILVA等［3］為了防止地下并行管道失效后引起多米諾效應，提出了一種新的基于事故的彈坑模型，完善了彈坑模型的性能。2017年，李鎮(zhèn)裕［4］對并行天然氣管道噴射火進行數(shù)值模擬研究，模擬了在不同風速作用下，噴射火速度、溫度及熱輻射變化規(guī)律，為并行天然氣管道火災事故應急維護提供了技術支持。2018年，GUO Y.B.等［5］為了確定合適的埋地管道并行間距，建立了一種基于TNT當量的埋地平行輸氣管道泄漏爆炸模型，為埋地并行輸氣管道的建設和運營提供指導。2019年，ZHANG P.等［6］提出了同溝敷設管道風險評價系統(tǒng)，在保障同溝敷設管道及周圍環(huán)境安全方面具有重要意義。2019年，徐濤龍等［7］對比分析了不同模擬方法描述爆波在土壤中的傳播規(guī)律，用SPH-FEM耦合方法從不同層面研究了爆炸對并行管道的動力響應，評估了已有數(shù)值模擬方法的優(yōu)缺點。然而，上述研究存在兩方面的局限性：①關注點在埋地并行管道，未涉及如跨越橋梁等其他并行敷設方式。同橋敷設下天然氣管道失效發(fā)生燃燒爆炸時，熱量和沖擊波會直接作用于相鄰管道和管橋設施，對并行油氣管道以及管橋設施造成破壞，易引發(fā)二次事故。②未考慮管道內部風險因素及其相互影響關系，導致評價結果不準確，進而導致決策失誤。1971年，Gabus和Fontela提出了動態(tài)模糊決策試驗與評價方法，它是一種利用矩陣工具分析系統(tǒng)要素的方法，可以確定復雜系統(tǒng)中的多層次影響因素間關系，被廣泛運用于復雜系統(tǒng)中各因素的重要性分析［8］。

鑒于上述研究，筆者結合資料分析、現(xiàn)場調研等方式，建立同橋并行油氣管道間風險評價指標體系，并基于DEMATEL方法分析同橋并行管道因素相互影響關系，構建各指標因素間的綜合影響權重模型；考慮到管間因素權重變化受季節(jié)性變化影響，引入變權理論修正各指標的綜合權重模型，以精確反映管道間風險因素相互影響的規(guī)律，為制定更有效的風險防范策略提供理論指導。

1 基于DEMATEL方法的指標權重分析

1.1 DEMATEL方法

DEMATEL方法是美國學者Gabus和Fontela提出的運用圖論和矩陣工具的系統(tǒng)分析的方法［9-10］。通過邏輯關系與矩陣計算每個因素的中心度與原因度，將因素分為原因與結果2大類，原因度大的表示該因素對其他因素影響大，中心度大的表示因素在系統(tǒng)中的重要程度高。具體步驟如下。

1.2 基于變權理論的動態(tài)權重分析

固定權重對不同環(huán)境的風險進行評估時，評價結果無法反映真實風險情況［11-12］。為此，本文基于變權理論對管道風險的指標權重進行動態(tài)評估，以得到更加精確的評價結果。

1.2.1 因素變權

在實際情況下，指標權重會隨環(huán)境的變化隨時變動，為了適應變化，引入變權模型。變權向量ωi2是一個客觀存在的狀態(tài)，一般滿足以下3個條件：① 歸一性，即∑ni=1ωi2=1；② 連續(xù)性，即ωi2（i=1，2，…，n）關于每個變量連續(xù)；③ 單調性，即ωi2（i=1，2，…，n）關于指標均衡函數(shù)S（X）中的變量X單調。

1.2.2 變權計算

2 同橋并行油氣管道風險評價方法

為真實反映并行管道的風險情況，應對內部影響因素進行分析，以有效掌握并行管道當前安全狀態(tài)，預測未來安全態(tài)勢。為此，本文引入灰色關聯(lián)法建立風險評價模型，并對每個因素建立不同的風險等級標準，為動態(tài)權重中因素狀態(tài)值的確定提供指導。

2.1 評價指標體系的建立

管道運行的安全狀態(tài)受多種因素的影響。由于各影響因素之間復雜的關聯(lián)性導致指標難以選取，所以選取過程中應當遵循合理、適用及可操作等原則，立足于法律法規(guī)、安全技術標準、參考文獻及安全管理等相關資料［13］，并結合現(xiàn)場實際情況進行調研，將具有危險性的因素作為風險評價指標，從運行條件、內環(huán)境及外環(huán)境3方面構建同橋并行管道間風險評價指標體系，如圖1所示。

油管道與天然氣管道間距越大，天然氣管道失效發(fā)生噴射火對油管道的熱影響越小，油管道越安全。輸送方式根據(jù)介質種類而定，分為等溫輸送與加熱輸送，其帶走熱量的能力也不同。不同的管道徑厚比與運行壓力，其抵御爆炸沖擊波的能力也不同：允許范圍內運行壓力越大，抵御沖擊能力越強；徑厚比越小，管道越不容易失效［14］。管道介質流速具有快速流動時帶走熱量的特性。架空高度越高，噴射氣流與空氣摻混密切，噴射火燃燒越旺。大氣穩(wěn)定度越高，失效后果對油管造成的影響越大；相反，大氣穩(wěn)定度低，爆炸可能性低，噴射火焰射流穩(wěn)定度低，油管則更加安全。緊急截斷時間越長，油管接收天然氣管道產(chǎn)生噴射火的熱影響時間越長，導致其失效可能性增加。

2.2 各指標風險等級確定

結合文獻［13］、GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》和英國焊接學會（TWI）對風險等級的劃分標準，將風險等級劃分為Ⅰ級（低風險）、Ⅱ級（較低風險）、Ⅲ級（中風險）、Ⅳ級（中高風險）和Ⅴ級（高風險）。根據(jù)某管線實際工況，參考前人對部分因素做出的敏感性分析，與專家反復商討，對各等級臨界值進行調整，如表1所示。

2.3 基于灰色關聯(lián)法的風險評價模型

關聯(lián)分析法是由鄧聚龍教授提出的一種處理不確定關聯(lián)性因素的有效方法，通過比較參考數(shù)列與比較數(shù)列的關聯(lián)程度，得到因素在發(fā)展過程中相對變化趨勢。關聯(lián)程度大，相對變化基本一致，反之亦然?；疑P聯(lián)分析法步驟如下。

（1）確定參考數(shù)列與比較數(shù)列。評價管道風險等級，首先要確定影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列，也就是將評價標準作為比較數(shù)列xi（k），k=1，2，…，m；將各風險因素實測值作為參考數(shù)列x0（k），k=1，2，…，n［15］。設m為并行管道風險評價因素失效等級分類。n為并行管道風險評價因素個數(shù)。

通過圖2可知，A1、A4、A5、A7、A8為原因因素，影響程度由強到弱依次為A1>A5>A7>A8>A4，其中管道并行間距（A1）、管道輸送方式（A5）能強烈影響其他因素。根據(jù)文獻［16］研究，當油管道與天然氣管道并行間距小于4 m時，熱影響下油管的失效可能性極大。不同的輸送方式對應不同的介質，其帶走熱輻射熱量的能力也不同，安裝套管、管身涂抹防火層均能降低管壁溫度和熱應力，可有效減緩管道失效，減少對其他指標的影響程度。A2、A3、A6為結果因素，被影響程度由強到弱依次為A2>A3>A6，緊急截斷時間（A2）、管道內介質流速（A3）易被其他因素影響。管道發(fā)生事故后，由于不能及時了解事故發(fā)生地點，或沒有在有效時間內截斷閥室，導致油管失效可能性增加。通過安裝安全預警裝置，完善地圖與信息系統(tǒng)，準確定位管道，能有效縮短緊急截斷時間，防止風險進一步擴大。

基于中心度的大小確定各指標的相對重要程度為A4>A1>A6>A2>A7>A3>A5>A8。從圖2可以看出，A4和A1的中心度值偏大于其他指標，由此可得出管道并行間距（A1）、大氣條件（A4）是影響同橋并行管道間風險等級的關鍵因素，應重點加以防范。為防止惡劣天氣導致地質災害，影響管道安全，應監(jiān)控邊坡重點部位，加固邊坡，采用堅固的防護網(wǎng)減少落石威脅。由于管道并行間距已確定，無法加大并行間距，故應加強管間的防護措施，如增加擋板、隔離板等；此外可增加遠程監(jiān)控設備，采用人工與智能控制雙重巡檢管線，有效保障管道的安全運行。

3.2 同橋并行管道風險評價方法對比

基于現(xiàn)場走訪調研與相關專家經(jīng)驗，利用各指標風險等級劃分標準對未考慮環(huán)境因素影響的原始評價對象D1和考慮環(huán)境因素影響的修正評價對象D2進行打分，并對其進行歸一化處理［17］，以對比修正前后管道風險水平變化規(guī)律。歸一化結果如表2所示。研究區(qū)域地處山區(qū)，山區(qū)環(huán)境分析如下：夏季受自然災害侵擾嚴重，在并行間距不變的情況下，管道失效可能性越大，相同間距下的風險等級也越高；管道所在地一旦發(fā)生山崩等地質災害，救援難度也將直線上升；氣溫較高時出現(xiàn)火源可能性較大，流速不變則管道失效可能性增加；夏季大氣穩(wěn)定度較低，噴射射流穩(wěn)定性與爆炸可能性均降低，其風險等級降低；夏季管道外部溫度較高，加熱輸送方式較等溫輸送更容易使管道失效；在夏季山體落石多發(fā)和輸氣管道更易失效的環(huán)境下，相同運行壓力與徑厚比抵御外部沖擊壓力能力降低，風險等級升高；降雨會大大降低噴射火焰對油管的影響，抵消了高處噴射火燃燒旺盛形成的熱沖擊。利用式（8）計算得出評價對象D1、D2在各風險等級下各指標的關聯(lián)系數(shù)，如表3所示。利用式（5）確定原始評價對象D1的綜合影響權重，并通過修正狀態(tài)值帶入式（6）和式（7）得到修正評價對象D2 的均衡函數(shù)值以及動態(tài)權重，結果見表4。

結合表3和表4的計算結果，利用式（10）可得到原始評價對象D1和修正評價對象D2關于風險等級的灰色關聯(lián)度；并由式（11）確定2種狀態(tài)下并行管道的風險等級，如表5所示。修正前并行管道間風險等級均處于Ⅱ級，D1點灰色關聯(lián)度最高的為Ⅱ級風險0.825，其次為Ⅲ級風險0.665，高于Ⅰ級風險0.620，說明管道間實際風險為Ⅱ級與Ⅲ級之間；D2點灰色關聯(lián)度最高的為Ⅲ級風險0.908，其次為Ⅳ級風險0.795，略高于Ⅱ級風險0.725，表明修正后管道間實際風險為中等風險。

上述結果表明，考慮環(huán)境影響后，評價結果更加符合實際情況，動態(tài)分析指標權重的方法解釋了風險隨環(huán)境變化的特征，為更加客觀有效地評價管道風險夯實了基礎，對山區(qū)并行管道風險評價工作提供了指導方法。

4 結 論

（1）結合DEMATEL方法與變權理論建立了動態(tài)權重計算模型，精確反映了各指標的相互影響關系，提高了風險評價結果精度。該方法為同橋并行管道的風險評估提供了新的思路。

（2）全面分析并建立了同橋并行管道風險評價指標體系與各指標風險等級劃分標準，基于灰色關聯(lián)法建立了風險評價模型，精確反映了修正前、后的并行管道的風險等級，其評價結果符合工程實際，印證了并行管道內部影響因素的重要性。

（3）山區(qū)并行管道不同的敷設方式對應不同的風險因素，本文僅以同橋并行管道為例進行了評價。在未來研究中，對埋地、隧道的并行管道間風險進行針對性評價同樣值得關注。

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