鄭亞男，鄭西來**，高增文，張玉香

（中國海洋大學1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室；2.環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；3.青島大學化學化工與環(huán)境學院，山東 青島 266071）

海底管線是海洋石油平臺的重要組成部分。按照相關的法律和法規(guī)，在海底管道可能對海洋環(huán)境和海洋工程造成影響的情況下，必須對其進行拆除和回收。隨著海上石油平臺的退役，海底管道的處置對海洋環(huán)境及海洋開發(fā)利用的影響越來越大，已經成為倍受關注的海洋環(huán)境問題，所以廢棄石油平臺海底管道拆除安全性分級與模糊評價具有科學意義和應用價值。

早在二十世紀中后期，美國和歐洲相關國家就開始海上石油平臺及海底管道拆除工作［1］。中國對海上平臺及其海底管線的拆除起步較晚，目前僅對少量小型淺海石油平臺及其管道進行了拆除。一些學者從拆除方法和實施方案等方面對海底管道拆除進行了研究。Ekins對海洋工程結構的拆除工藝與方法進行分析［2］；張?zhí)ズ椭茔撼蟹治隽撕５坠芫€拆除、回收的方法［3］；趙波等人對海底管道的不同棄置方案進行了全面分析［4］。但是，目前缺少對廢棄海底管道拆除和回收安全性的評價研究。

海底管道分布區(qū)域廣、相互牽連，且管道中會殘留石油污染物［3］。在廢棄平臺拆除的過程中，海底管道的拆除涉及不同的工種、人員以及不同作業(yè)之間的配合、協(xié)調，每個環(huán)節(jié)的安全都十分重要。每個階段的工藝機械設備作業(yè)環(huán)境、工人技術水平及安全意識等因素都會影響到作業(yè)和環(huán)境的安全性，事先做好安全等級評價和可靠性分析等工作尤為重要。

由于海上工程涉及到大量的復雜現象和多種風險因素的相互作用，因此可以采用模糊數學的方法對其安全性進行定量評價。本文以埕島油田某海上退役油區(qū)為研究區(qū)，在現場調查和專家打分的基礎上，對海底管道拆除和回收的安全性進行系統(tǒng)分級，并采用層次分析法來確定各指標的權系數，以降低權重確定中主觀因素的影響；同時，采用加權平均的方法對模糊綜合評價結果進行分析，從而提高評判結果的有效性和準確性。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

埕島油田地處黃河三角洲東北部渤海海域，平均水深1.5～20m，屬渤海灣南部的極淺海海域。該海區(qū)原為黃河入?？?，自1855年以來，黃河口在這一帶曾多次轉移改道，經歷了海侵與海退和黃河三角洲進積與蝕退的交替反復過程，灘海淺地層三維結構十分紊亂，地形復雜，是世界上海洋工程環(huán)境最復雜的區(qū)域之一［5］。本文的研究區(qū)位于埕島油田退役油區(qū)，具體位置見圖1。

該海域冬季主要受寒潮、冷空氣（未達寒潮標準者）影響，冬季極端最低氣溫達到－18℃，平整冰設計厚度45cm；春、秋季節(jié)主要為氣旋或氣旋引導冷空氣影響，其海洋天氣現象主要為降水、大風、大浪和風暴潮；夏季主要為氣旋或臺風影響，海洋天氣現象主要為雷暴、降水、大風、大浪，尤其是臺風影響時的大風、大浪和風暴潮。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical position of the study area in the Chengdao oil field

研究區(qū)水文特征主要體現為：潮差很小，極易受風暴增、減水影響。當強天氣系統(tǒng)影響時，風暴增、減水效應可將天文潮規(guī)律打亂，致使潮汐出現高、低潮時大幅度延時或顛倒。另外，由于該海區(qū)位于半封閉的渤海南部，受渤?？陂T諸島的屏蔽作用，外海大浪不易侵入，海區(qū)表層流速最大達到1.53m/s，底層流速最大1.3m/s。

1.2 工程概況

到2005年底，埕島油田已建成平臺95座，海底輸油管道77條，海底輸氣管道1條，海底注水管道43條，海底電纜95條。由于分期開發(fā)及井口分散，使得海底管道、電纜星羅棋布，布置十分復雜，特別是中心平臺及樞紐衛(wèi)星平臺周邊區(qū)域，有的平臺周圍海底管道、電纜達到20條之多［6］。

研究區(qū)內有海底管道約1 800m，管道埋深為全程管頂埋深1.5m，回填為自然回淤回填。海底輸油管道采用雙壁管保溫結構，內管Φ325×14API X56級無縫鋼管，外管Φ426×14API X56級無縫鋼管。內外管之間為泡沫黃夾克保溫材料，并且每隔一定距離設置錨固件將其連接成1個整體，使內外管共同受力；外管采用環(huán)氧富鋅底漆結合厚漿環(huán)氧煤瀝青面漆（纏玻璃布2層）進行防腐，內管外壁采用環(huán)氧富鋅底漆，內壁采用柔性環(huán)氧陶瓷涂料進行防腐；陰極保護采用FFAL-Z-14鐲狀鋁陽極進行。

由于埕島油田特殊的地理位置、氣象和水文條件、復雜的管網布置，以及海上工程較高的設備及技術要求，給海底管道拆除工程的作業(yè)安全和環(huán)境安全帶來較大隱患及風險。

2 安全性指標體系的建立

2.1 評價等級集合的建立

為了評定海底管道拆除工程系統(tǒng)的安全狀況，根據多層次模糊評價原理，首先需要確定評判的等級（標準）集合V，即j個評價等級的集合，V＝｛v1，v2，…，vj｝，其中1個等級vj對應1個模糊子集。一般情況下，評價等級數j取3～7中的整數［7］。本文利用語義學標度將海底管道拆除的安全性分為5個評價等級，分別為：很不安全、較不安全、臨界安全、較安全、很安全，即：

V＝［很不安全、較不安全、臨界安全、較安全、很安全］。

為了最終的定量評定，需要對主觀的語義學評價標度進行量化。按照模糊評價法的基本原則，由于各指標權重的影響，最終評價結果的取值應屬于某一區(qū)間范圍［8］。因此，本文采用各評價等級的邊界值作為最終評價定級取值的分界點，將其劃分為5個取值區(qū)間［9］，評價的定量標準及分級見表1。

表1 安全性分級及其定量標準Table 1 Safety grade and quantitative criterion

2.2 多層次評價指標模型的構建

建立評價對象的因素集合U，即m個評價指標的集合，U＝｛u1，u2，…，um｝。評價指標的選取要滿足評價對象的完備性、獨立性、可行性、通用性4個基本原則。

在大量現場調查和專家咨詢的基礎上，作者針對不同階段的施工特點，將海底管道拆除施工過程分為4個階段：前期準備、清洗作業(yè)、拆除作業(yè)、運輸及監(jiān)測［10］，并根據各階段的技術要求，將該過程進一步細分為11個步驟。在此基礎上，根據現場調查和專家咨詢，將各個步驟的安全性影響因素劃分為第一級因子和第二級因子（見表2）。

通過對選取的評價因子進行綜合、歸納，可以利用層次分析法原理建立了二級模糊評價的指標體系（見表3）。

表2 海底管道拆除步驟與安全性影響因子劃分Table 2 Removal steps and safety impact factors division

3 模糊綜合評價步驟

3.1 評價因子權向量的確定

各指標權重的分配是模糊評價模型的關鍵環(huán)節(jié)。目前有關權重確定的方法很多，大體可分為主觀賦權法和客觀賦權法。其中，主觀賦權法是根據主觀上對各評價指標的重視程度確定權重的一種方法，如德爾菲法、二項系數法、層次分析法等，主觀賦權法基本反映了決策者的主觀意向，但受主觀因素影響較大；客觀賦權法主要包括主成分分析法、熵權法、方差加權法等，客觀賦權法運用數學原理和模型對原始數據進行定量分析，但忽略了決策者對各個不同指標的重視程度，也無法全面體現各指標的本質差異和實際情Z況［11］。

表3 海底管道拆除安全性評價指標體系Table 3 Safety evaluation index system of offshore pipelines removal

海底管道拆除的安全性評價涉及大量的復雜因素，各因素既有本質區(qū)別，又相互關聯。層次分析法是在對復雜問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程客觀量化［12］。該方法能夠滿足海底管道拆除的安全性評價的目的和要求。因此，本研究采用層次分析法（AHP）來確定評價指標間的相對重要性次序，從而確定權系數。采用1～9的整數及其倒數的標度方法構造判斷矩陣S＝（uij）p×p，并計算出判斷矩陣的特征向量A與最大特征根λmax，并且在合成之前進行歸一化。

為進行判斷矩陣的一致性檢驗，需計算一致性指標CI，計算公式如下：

對這些CI值平均即得到平均隨機一致性指標RI。CI與RI的比值即為隨機一致性比率CR：

當CR＜0.10時，認為層次分析排序的結果有滿意的一致性，即權系數的分配是合理的，從而確定評價因素的權向量；否則，要調整判斷矩陣中各元素取值，重新分配權值。

式中：ai為第i個評價指標的權重。

3.2 模糊關系矩陣的建立

通過對海底管道拆除工程從每個評價因素ui上進行量化，即確定從單因素來看其對評價等級模糊子集的隸屬度（R｜ui），進而得到模糊關系矩陣：

式中：rij為第i個評價指標隸屬于vj等級的隸屬度。

3.3 評價結果向量的計算

利用合適的算子將評價因素的權向量與各被評事物的模糊關系矩陣進行合成，得到各被評事物的模糊綜合評價結果向量B，即：

式中：bj為A與R的第j列運算得到，表示被評指標從整體上看對vj等級模糊子集的隸屬程度。

3.4 安全性等級的確定

通常，采用最大隸屬度原則對模糊綜合評價結果向量進行分析，從而確定隸屬等級。但在某些情況下，最大隸屬度原則會造成信息損失，進而導致不合理的評價結果（即模型失效）。因此，本文采用加權平均的方法來確定海底管道拆除的安全性隸屬等級B′：

式中：bj為被評指標對評價等級vj的隸屬程度；j為評價等級數。

最后，將所得的B′轉換成相應的安全評價分值，即：

4 安全性模糊綜合評價的應用

4.1 研究區(qū)域數據采集

由于海底石油管道拆除具有很強的專業(yè)性，本文系統(tǒng)收集研究區(qū)海底輸油管道的設計圖紙、檢測及維修資料等，并對具有豐富海底管道拆除經驗的專業(yè)技術人員進行問卷調查，采用專家打分的方式收集反饋信息，作為安全評價體系的原始數據。

4.2 一級指標權重的計算

4.2.1 結構判斷矩陣的構造 采用層次分析法對四個一級指標（原始資料完備性u1，自然環(huán)境u2，技術方案與設備選擇u3，管道的情況u4）進行權重計算。根據10位具有中級以上職稱的專家（管道工程2人、海洋環(huán)境1人、海洋動力1人、海上工程施工2人、海上工程設計2人、安全管理2人）對各指標重要性的評價與排序，采用Saaty提出的1～9的整數及其倒數的標度方法（見表4）對各評價指標的相對重要程度進行定量化［13］。

表4 相對比較標度Table 4 Relative comparing altitude

通過對各指標的重要性進行成對比較，按照表4所示的賦值標準，構造出4×4的判斷矩陣S＝（uij）p×p。

4.2.2 權向量的確定

按方根法求特征向量

各M的4次方根為：

由于∑β≠1，應將β歸一化，得向量：

一致性檢驗

（1）求最大特征值λmax

（2）一致性指標計算

（3）一致性比例計算

由表5可以得到矩陣平均隨機一致性指標RI＝0.89。

表5 平均隨機一致性指標Table 5 Mean random consistency index

4.3 二級指標權重的計算

采用層次分析的方法，構造各個二級指標的判斷矩陣，并求出各個二級指標權重。通過一致性檢驗后，可以得出4個一級指標中各個二級指標的權系數。

那么，原始資料情況的3個二級指標的權向量為：A1＝（0.540，0.163，0.297）；自然環(huán)境的4個二級指標的權向量為：A2＝（0.46，0.274，0.124，0.142）；技術方案與設備選擇的4個二級指標的權向量為：A3＝（0.398，0.214，0.265，0.123）；管道狀況的4個二級指標的權向量為：A4＝（0.328，0.081，0.113，0.478）。

4.4 一級指標綜合評價向量的確定

本文采用多維量表法確定模糊關系矩陣R。評價指標與各評價等級的相關程度rij的取值范圍為0～1之間，根據李美求等［9］對廢棄樁基平臺拆除安全性評價等級相關程度的劃分標準，可以將海底管道拆除的評價等級相關程度劃分為完全相關（1.00）、較相關（1，0.75］、一般相關（0.75，0.50］、較不相關（0.50，0.25］、零相關（0.0）。以“技術方案與設備選擇”一級指標為例，評價結果向量的計算過程如下：

首先，運用德爾菲法對10位專家的評價進行匯總、反饋和歸納，檢驗專家意見的集中程度和協(xié)調程度，從而得出各指標對應的安全等級。根據以上相關程度劃分標準，確定“技術方案與設備選擇”指標的模糊矩陣R3（見表6）。

表6 二級評價指標與評價等級相關程度分析結果Table 6 Correlation degree between evaluation grade and second index

由此，可得技術方案與設備選擇一級指標的評價結果向量B3：

同理，可以得出“原始資料完備性”指標的評價結果向量B1＝（0.058 15，0.108 15，0.281 15，0.812 15，0.877 00）；“自然環(huán)境”指標的評價結果向量B2＝（0.104 50，0.250 70，0.381 10，0.613 90，0.648 30）；“管道狀況”指標的評價向量B4＝（0.870 10，0.768 80，0.250 35，0.130 15，0.074 50）。

由B1，B2，B3，B4組成一級指標的綜合評價模糊矩陣R0，即：

最后，綜合評價結果向量B0：

4.5 項目安全評價等級的劃分

根據加權平均原則，將“原始資料完備性”指標的評價結果向量B1代入式（6），確定評價等級B′1：

可以計算得到原始資料完備程度一級指標的安全評價分值為0.819。

同理，可以計算出“自然環(huán)境”指標的安全評價分值為0.745，“技術方案與設備選擇”指標安全評價分值為0.453，“管道狀況”指標的安全評價分值為0.387。

最后可以得到，該海底石油管道拆除施工的整體安全性等級為：

由式（7）可得，海底石油管道拆除工程的整體安全評價分值為0.530。由表1中的安全分級定量標準可知，海底石油管道拆除工程的整體安全等級為臨界安全。

在各一級指標的評價等級中，原始資料完備程度的評價等級最高，屬于很安全，說明研究區(qū)海底石油管道拆除施工所需要的相關設計圖紙、檢測報告等原始資料很完整、充分，這對拆除作業(yè)的安全施工非常有利；自然環(huán)境的安全等級為較安全，說明某海底石油管道拆除施工過程中自然環(huán)境狀況良好，較為適于海上作業(yè)。而管道狀況指標的安全評價等級最低，表明海底管道的管道的長度較長、管道材質和管徑等情況給切割吊裝等作業(yè)增加了危險系數，對拆除工程的作業(yè)安全產生的影響最大，對其應予以重點關注。

這一評價結果與研究區(qū)海底管道拆除工程的實際情況比較吻合，說明海底管道拆除安全性的模糊綜合評價可以減少常規(guī)評價過程中的主觀性，評價結果能很好地體現海底管道的實際情況，對海底管道拆除的安全實施具有重要的應用價值。

5 結論

本文根據具體海底石油管道拆除案例構建了海底石油管道拆除工程安全性的多層次評價指標體系和模糊評價模型。通過對具體工程案例進行安全性模糊評價，得到結論如下：

（1）根據大量現場調查和專家咨詢，將海底管道拆除過程的4個主要階段進一步細分為11個步驟，得出每個拆除步驟的安全性影響因子，從而首次建立了海底管道拆除安全評價的指標體系。

（2）各級安全性指標的模糊評價結果表明，海底管道拆除的技術方案與設備選擇和管道狀況對拆除安全產生的影響最大，安全級數分別為0.453和0.387，具有較高的危險隱患，需要加強安全管理。

（3）通過海底管道拆除安全性的綜合評價和分析，得出該海底石油管道拆除工程的整體系統(tǒng)安全級數為臨界安全，需要對安全級數低的高危環(huán)節(jié)加強安全監(jiān)測和重點防范。

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