基于模糊数学的海底管道风险评价方法研究

2 01 1正 第 5期 管 道 技 术 P i pe l i n e Te c h n i q u e 5 设 各 a nd Eq u i p me n t 2 01 1 No 5 基于模糊数学的海底管道风险评价方法研究 丁鹏 张敏 1 中国石油规划总院 北京1 0 0 0 8 3 2 中国石油安全环保技术研究院 北京1 0 0 0 8 3 摘要 海底 管道风险评价技术是一门新型的管理技术 文中在 简要介 绍管道风险评价技术现状 的 基础上 通过对海底管道风险评价中存在 的客观 困难及现行风险评价方法局限性的分析 阐述 了进行 海底管道模糊综合评价的必要性 文中探讨 了风险模糊综合评价的程序 和方法 并在此基础上 通过 实例验证 了海底管道风险模糊综合评价的实用性 将模糊数学理论引入到海底 管道的风险评价 为海 底管道的安全管理提供 了可借鉴的科 学依据 关键词 海底管道 风险分析 模糊综合评价 中图分类号 T E 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 0 5 0 0 0 6 0 3 App l i c a t i o n o f Fu z z y M a t h e m a t i c s t o Ri s k As s e s s m e n t o f S u bma r i ne Pi p e l i ne DI NG Pe n g ZHANG Mi n 1 P e t r o C h i n a P l a n n i n g a n d E n g i n n e r i n g I n s ti t u t e B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a 2 C N P C R e s e a r c h I n s t i t u te o f S a f e t y E n v i r o n me n t T e c h n o l o g y B i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a Ab s t r a c t R i s k a s s e s s me n t o f s u b ma r i n e p i p e l i n e i s a n e w s t y l e ma n a g e m e n t t e c h n i q u e A c c o r d i n g t o t h e o b j e c t i v e d i ff i c u l t i e s a n d t h e l i mi t a t i o n o f t h e e x i s t e d a s s e s s me n t me t h o d o f s u b ma ri n e p i p e l i n e ri s k s t h e n e c e s s i t y o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e a S S e S S me n t o f s u b ma r i n e p i p e l i n e i s e x p l a i n e d F u z z y ma t h e ma t i c s f o r t h e r i s k aSs e s s me n t o f s u b ma r i n e p i p e l i n e i s i n t r o d u c e d a n d t h e p r o c e d u r e an d me t h o d o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e aS s e s s me n t i s a l s o d i s c u s s e d i n thi s p a p e r B a s e d o n t h i s a s t u d y o f t h e f u z z y c o m p r e h e n s i v e a s s e s s me n t o f s u b ma ri n e p i p e l i n e i s c o n d u c t e d an d t h e p r a c t i c a b i l i t y o f t h e me t h o d i s v a l i d a t e d I t C an p r o v i d e a s c i e n t i fic b a s i s for t h e ma n age me n t o f s u b ma r i n e p i p e l i n e Ke y wo r d s s u b ma r i n e p i p e l i n e ri s k a n aly s i s f u z z y c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t 1 管道风险评价技术的发展 2 0 世纪7 0年代 美国首先将经济学和其他工业 领域中的风险评价技术应用于油气管道 此后风险评 价一直是国外输油气公司研究的重要内容之一 2 0 世纪 8 0年代末到 9 0年代初 各种独立的风险管理 R M 理论研究 和试验逐步得到 了系统化 形成 了较 系统的 R M 理 论和 方法 1 9 8 5年 美 国 B a t t e l l e C o 1 u m b u s 研究院发表的 风险调查指南 首次在管道风 险分析方面运用了评分体系法 1 9 9 2年 海 湾出版公 司出版的 管道风险管理手册 P i p e l i n e R i s k Ma n a g e me n t Ma n u a 1 集成 了欧美地区油气管道风险评价技术 的研究成果 书中详细论述了管道风险评估模型和各 种评估方法 目前 国外的管道风险评估 方法 已经 由定性 半定量法逐步过渡到 了定量分析法 随着全世界对管道风 险技术工作 研究 的不断深 入 一些有助于提高管道风险评价结果精确度 的相关 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 0 6 技术也正在逐步介入这一研究领域 像蒙特卡洛模 拟法 数据库原理 模糊分析技术 决策专家 系统 寿 命预测技术等都在 完善管道风 险评 价技术方面发挥 了良好的技术支持作用 从 1 9 9 5年起 国内一些管道工程技术专家也开始 注意到国外关于管道风险技术 的发展 并逐步介绍到 国内 2 此后 风险分析在管道安全性评价 中的应用 研究才开始得到部分 油 田企业 的重视 由于起步较 晚 至今 国内应用 的油气管道风险评价基本上仍处于 半定量分析阶段 没有制定 出针对 国内油气管道实 际 情况的风险评价技术标准 2 海底管道风险模糊综合评价的必要性 自 从 2 0 世纪 5 0 年代在浅水中第一次安装近海管 道以来 在海底环境 中对管道进行管理和维护成 为技 术难题 由于海底管道特殊的施工工艺 复杂多变 的 工作环境及承受着不 同于常规管道 的各 种载荷与损 伤模式 所以在海底管道的设计 施工 运 行和维护期 间不可避免地存在许 多诱发管道事故 的模糊 因素 另 第5期 丁鹏等 基于模糊数学的海底管道风险评价方法研究 外 风险影响因素对管道的影响是相互关联的 且其 间的关联关系随时 间 地点 等条件 的不 同而不 同 具 有很大的模糊性 这些模糊性的客观存在 使得各类 风险影 响因素不能被精确 的数量化 因此 用常规 的 方法不能精确描述客观实际 目前 管道 的风险技 术都是基于决策科学和 贝叶 斯统计理论的决策分析方法 其特点是不必建立精确 的数学模型和计算方法 不必采用复杂的强度理论和 昂贵的现代分析手段 而是在有经验 的现场操作人员 和专家意见的基础上进 行打分评判 其评价 的精确性 取决 于专 家经验 的全 面性 划分影响因素的细致性 层次性以及权值分配 的合理性 但 是 它们基本 上都 没有考虑到模糊性 的影响 因此评价结果的准确性就 受到影响 对于失效可能性 和失效后果的描述大量 采用人 为评分方式 不 同专家的经验不尽相同 在个 别问题上还会相 互抵触 因此 承认模糊性 引入模 糊数学思想和方法 将会使风险技术更能反映海底管 道现 场状况 这样的评价和决策结果会更详细 更精 确 3 海底管道风险模糊综合评价程序及步骤 根据所研究海底管道 的状况 进行海底 管道 多种 风险因素的归纳分析 对某个管段的模糊综合评价 依据 图 1所示程序进行 资料收集和筛选 l 风险因素识别与分析 l 风险的模糊综合评估 l l I 确 定 评 价 风 险 因 素 集 l 建 立 备 择 集 l l t t 建 立 因 素 权 重 矩 阵I I 建 立 模 糊 关 系 矩 p l l I风险 模糊综 合评价集 I l 海 底 管 道 风 险 管 理 I 图 1 海底管线模糊风 险综 合评 估计算流程 3 1 资料收集 全面调查和详细收集海底管道设计 施工 运行 操作 介质 泄漏 腐蚀 损伤等相关资料 找出可能引 发海底管道失效 的各种潜在危 险 管道数据 的收集 必须全面 必须全面考虑对海底管道安全造成威胁 的 所有因素 并且应确保其真实性和可靠性 3 2 风 险因素识别与分析 利用收集到的有关资料 系统 全 面 定性地分析 影响海底管道风险的各种因素 筛选 出主要 的风险 因 素 建立因素体系 风险因素识别与分析是一种基于 数据资料 运行经验 直观认识的科学方法 目前 的方 法主要有德尔菲法 D e l p h i 专家调查法 层次分析法 A H P法 因果论证法等 3 3 海底管道模糊综合评判方法 海底管道风 险模糊 综合评价就是依据模 糊数学 理论 对研究区域内多种风险因素进行的综合评价 通过对多种风险因素识别和危害分析 得到风险模糊 指数 从而确定应控制 的风险重点 制定控制风 险的 应急措施 提 出减少风险的措施或方案等 具体评价 过程如下 3 3 1 建立评估模型 设评价风险因素集 U 表示由n 个风险因素所组成的集合 评价集 V 表示 由 m个风险评 价等级所组成的集合 风险因素权重集w 表示对 中n 个风险因素之间的不同权重构 成 上一个模糊子集 到 的模糊关系矩阵为 A A a i 1 2 n 1 2 m 表示从第 个风 险因素着眼作出的第 种风险因素的可能程度 因此 得到模糊综合评判矩阵 A r r z r m 2 n r f 口 f 3 式中r 为模糊评判指标 表示 n 个风险因素综合对 个风险级的隶属度 3 3 2 评估的步骤 1 确定评价风险因素集 根据资料统计与风险识别结果确定 2 确定风险评价级别 风险评价级别应从实际出发 可采用模糊语言来 描述 也可将风 险程 度按一 定 的趋 势在某 一 区间 内 如 0 1 0 0 按等步长离散 由各离散值组成评判集 8 P i p e l i n e Te c h n i q ue a n d Eq ui pme n t Se p 2 01 1 3 确定风险因素权重阵 W 视实际情况可用专 家调查法 统计 分析法 因子 分析法 层次分析法等来确定 通常 各权数 i 1 2 应满足归一性和非负性条件 n Wi 1 10 4 4 建立模糊关系矩阵 A 根据对各风险因素的历史资料的分析结果 确定 n 个风险因素在 m个风险评价等级上的隶属度 即构 成模糊关系矩 阵 确定隶属度的方式有多种形式 如 模糊统计法 专家评分法 二元对 比排 序法 指数法 代数式法 分段函数法 推理法等 5 计算模糊综合评判集 利用公式 R W A可得到 见 6 评判指标的处理 得到评判指标 r 后 可通过 以下方法确定评判对 象的具体结果 最大隶属度法见式 5 V l ma r 5 即选评判指标最大的对应的评价集中 值 加权平均法中 将 r 作为权数 对各个备择元素 v i 进行加权平均的值作为 l 的值 即 m m V 2 r j v j r 6 l I J l 3 4 海底管道风险管理 海底管道风险管理是根据海底管道风险综合评 估的结果 作 出风险决策 的分析 判断过程 它包 括 确定应控制 的风 险重点 制定控制风险 的应急措施 提 出减少风险的措施或方案等内容 4 实际算例 以胜利油田埕岛油区某海底输油管道为例 具体 说明海底管道模糊综合评判方法 海底管道建于 1 9 9 4年 管道规格为 2 7 3 8 m m 材质为2 0 号钢 直 线距离为3 6 3 0 m 有恒电位仪对海底管道全程进行阴 极保护 管道每 m长 自重为 2 1 5 7 k N 计管道 内原油 质量 操作压力为4 5 M P a 设计年限3 0 年 4 1 海底管道风险因素识别与分析 通过海底管道沿程实地调查和资料分析 可 以得 到可能 引起海底 管道失效的因素 包括 防腐层 质量 钢管质量 海事活动 操作条件 腐蚀 速率 地震 管理 水平等 这些因素都具有模糊性 应结合积累的数据 资料 依据数理 统计 专家调查法 等逐一进行 风险分 析 4 2 计算海底管道模糊综合评判矩阵 4 2 1 确定海底管道风险因素集 根据风险识别结果 确定该海底管道评价风险的 因素集为 U 防腐层质量 钢管质量 海事活动 操 作条件 腐蚀速率 地震 管理水平 4 2 2 建立备择集 评判集 备择集是评价者对评 价对象可能作 出的各种 总 的评价结果所组成 的集合 一般以程度语言或评定取 值区间作为评价 目标 根据风 险可接受情 况 将其划 分为五级 V I级 级 级 级 V级 其 中 I级表示发生失效 的可能性很小 I I 级表示失效风险 较小 m级表示失效风险一般 即有一定失效风险 但 可以接受 1 v级表示失效风险较大 v级表示发生失 效 的可能性很大 4 2 3 确定风险因素权重集 根据管道风险因素的分析结果 利用 专家调查法 确定海底 管道风险 因素权 重集 引起 失效 的各 因素 的权重为 W 0 1 7 0 1 0 0 1 8 0 1 5 0 2 0 0 1 1 0 0 9 4 2 4 建立模糊关 系矩阵 A 通过专家调查法 确定海底管道 7个风险 因素在 5个风险级别上的隶属度 即模糊关 系矩阵 4 2 5 计算模糊综合评判集 根据公式 R W A计算 R 0 0 7 0 0 4 1 1 0 3 8 0 0 1 1 8 0 0 8 0 用模糊语言表达失效可能性为 失效可能性 0 0 7 0 I级 0 4 1 1 1 I 级 0 3 8 0 级 0 1 1 8 1 V级 0 0 8 0 V级 根据最大隶属度原则 即 ma x C 0 4 1 1 所以失效可能性为 级 即该海底管道失效风险 较小 5 结束语 基于模糊数学理论 的海底管道风 险评价方 法减 少了常规评价过程 中的主观性 评价结果能更好体现 海底管道的实际情况 对提高海上油气储运的经济效 益和确保海底管道的安全运行 具有一定 的工程实用 价值 海底管道 风险 的模糊综合 评价在 国内 尚处 于探 讨阶段 需要在应用 中结合 问题深化研究 应进 一步 研究模糊关系矩阵及因素权重的确定问题 同时对海 底管道事故损失后果的评价需要深入 下转第 1 3页 第 5期 刘争芬 大牛地气田2 9 站 一塔榆二阀室管网工况调 节 1 3 表 2 各集气站气量增加表 增加气量 3 0 增 加气量 5 0 增加气量 1 0 0 站名 1 0 4 m3 d 1 1 0 4 m3 d 1 1 0 4 m 3 d t 图 2 模拟 的压力与输气量关 系曲线 3 降低管线输送温度 鉴于热力学性质在 预测 调节管线运行方 面的重 要性 J 通过调节温度来调节管网工况的措施不容忽 1 视 由式 1 可推导得 出 可见 流量 与 V2 1 1 绝对温度的0 5次方程反比 输气温度越低 输气能力 越大 保持各集气站 压力不变 利用 T G N E T软件分 别模拟 一 3 O 一 1 5 0 1 5 3 0 下各站流量 的变化 图3 在实际生产运行中 采取降低温度提 高输气能力还需要进行详细的经济论证 嚣 L l 站 一 l 1 图 3温度对输气量的影响 4 增大管段直径 由式 1 可知 增大管径可增大输气量 保持管 网压力 温度不变 分别 增大 2 9 站 一I 1 站 1 1 站 一 l 2 站 1 2 站 一塔榆二 阀室 1 2 站 一2 7 站管段直径 利用 T G N E T模拟各站外输流量 的变化 表 3 从表 3可看 出 l 1 站 一1 2 站管段规格改为 2 1 9 x 6 x 4 5 4 后输气能力增加幅度最大 约增加 2 0 6 表 3 改变 管线规格 对输气能力的影响 5 结束语 综上分析模拟 通过提高集气站压力 降低各集 气站输气温度以及改变各管段的管线规格 均能不同 程度地增加2 9 站 一 塔榆二阀室管网的输气量 但是 管网的优化调节是个复杂的问题 需要综合考虑生产 运行及经济效益等多方面因素 因此在调整管网 运行时 要根据具体情