楊大慎，姜紅濤，徐晴晴，關(guān)豐旭

（1.中國石化銷售公司華南分公司，廣東廣州 510620；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142）

近年來隨著石油化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，長輸油氣管道的安全事故也時(shí)有發(fā)生，其中環(huán)焊縫開裂為事故發(fā)生主要原因。據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，自2011年以來有8起管道環(huán)焊縫開裂事故發(fā)生，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[1]。在事故分析中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致環(huán)焊縫開裂的因素不盡相同。因此，在環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和指標(biāo)權(quán)重分配起到了關(guān)鍵作用。

本文根據(jù)當(dāng)下國內(nèi)管道的基本情況構(gòu)建了環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將可拓分析方法應(yīng)用于環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型當(dāng)中，利用實(shí)際管道數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，反映了對(duì)應(yīng)環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)狀況，為后續(xù)工作提供了技術(shù)支持。

1 構(gòu)建環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

針對(duì)以往環(huán)焊縫開裂事故進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，影響環(huán)焊縫質(zhì)量的因素主要包括4個(gè)方面：環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理[2]。其中，環(huán)焊縫缺陷和管體材料性能因素屬于焊縫自身缺陷，可通過提高技術(shù)手段來避免此類缺陷；管體外部載荷和施工質(zhì)量管理因素，屬于設(shè)計(jì)管理缺陷，此類缺陷需要施工方給出合理設(shè)計(jì)方法及有效的管理方案來保證管體的實(shí)際施工安全性[3]。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

參考GB 32167—2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，結(jié)合施工現(xiàn)場報(bào)告和后期環(huán)焊縫質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，將環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理4類主要影響因素重新進(jìn)行細(xì)化，綜合利用管道安全分析方法，最終構(gòu)建了以環(huán)焊縫缺陷、管體材料性能、管體外部載荷和施工質(zhì)量管理為1級(jí)指標(biāo)，環(huán)焊縫底片質(zhì)量和開挖驗(yàn)證情況等為2級(jí)指標(biāo)的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]，如圖1所示。

2 構(gòu)建物元多級(jí)可拓評(píng)價(jià)模型

圖1 環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系示意圖

可拓理論與安全評(píng)價(jià)的結(jié)合是目前較為流行的評(píng)價(jià)方法，其中可拓理論中的物元理論與可拓集合理論相結(jié)合形成動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，針對(duì)安全評(píng)價(jià)過程中的變量進(jìn)行區(qū)域化，將復(fù)雜的安全評(píng)價(jià)模型劃分成相互關(guān)聯(lián)的評(píng)價(jià)單元[5]。以可拓理論為基礎(chǔ)將具體的參變量進(jìn)行量化，對(duì)油氣管道環(huán)焊縫安全相關(guān)的影響因素進(jìn)行分析，進(jìn)一步建立環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的物元可拓模型，確定評(píng)價(jià)模型的值域、經(jīng)典域和節(jié)域[6]。結(jié)合環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)，運(yùn)用建立的可拓模型對(duì)油氣管道環(huán)焊縫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.1 計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

通過對(duì)環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行具體分析，利用層次分析模型構(gòu)建環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣，依據(jù)A.L.Saaty1-9標(biāo)度法對(duì)次級(jí)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)判斷其相對(duì)重要性，將同級(jí)指標(biāo)兩兩之間相互比較以一級(jí)指標(biāo)為例建立判斷矩陣A[7]。

其中，Saaty1-9標(biāo)度法指標(biāo)相對(duì)重要度定義如表1所示。

表1 Saaty1-9標(biāo)度法含義

計(jì)算結(jié)果可靠性需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，采用求根法計(jì)算最大特征根λ[8]。若結(jié)果通過一致性檢驗(yàn)，則判斷矩陣的特征向量w其對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。使用橫向連乘求根法得到判斷矩陣，進(jìn)行歸一化處理求出判斷矩陣的特征向量[10]。計(jì)算判斷矩陣最大特征值λ，求出最大值計(jì)算一致性指標(biāo)，計(jì)算一致性比率，若得到一致性比率小于0.1，則證明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)[11-14]。依次對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行計(jì)算，得到各元素組指標(biāo)的權(quán)重集合：

環(huán)焊縫缺陷 C1：{0.528，0.128，0.216，0.128}；

鋼材性能 C2：{0.333，0.3333，0.333}；

管道外部載荷 C3：{0.337，0.095，0.049，0.519}；

施工質(zhì)量管理 C4：{0.108，0.451，0.244，0.197}。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度等級(jí)計(jì)算

通過可拓評(píng)價(jià)模型的經(jīng)典域和值域計(jì)算環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與定義的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)的最大貼近度。建立二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于一級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)[15-17]，見公式（1）。

Kij為二級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)其一級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；nik為二級(jí)指標(biāo)打分分值；aji，bji為二級(jí)指標(biāo)所在等級(jí)評(píng)分上下限。得到各元素組關(guān)聯(lián)度指標(biāo)集合，以環(huán)焊縫缺陷C1為例：

環(huán)焊縫缺陷C1：

2.3 環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可拓計(jì)算

逐級(jí)向上計(jì)算環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度，權(quán)重向量w與關(guān)聯(lián)度K相乘，得到加權(quán)后的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度矩陣 K（S），計(jì)算過程如公式（2）[18-19]。最后對(duì)環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總體指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

式中K（S）為環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度；win為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重；km（cin）為對(duì)應(yīng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及權(quán)重系數(shù)可計(jì)算出環(huán)焊

縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度矩陣，如公式（3）。

計(jì)算得到可拓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果：KMAX（S）=0.2114=K1（S）。確定被評(píng)價(jià)環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，屬于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最低，風(fēng)險(xiǎn)可忽略。采取此方法對(duì)長輸油氣管道環(huán)焊縫進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果不合格的環(huán)焊縫進(jìn)行維修整改，提高管道整體可靠性[20]。

3 結(jié)論

（1）利用環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立了環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，包括4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和14個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

（2）使用層次分析標(biāo)度法，對(duì)每個(gè)環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重量化，使用可拓模型對(duì)待評(píng)價(jià)環(huán)焊縫進(jìn)行可拓關(guān)聯(lián)計(jì)算，得出環(huán)焊縫評(píng)價(jià)結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)可忽略。

（3）本方法適用于長輸油氣管道中的環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)且準(zhǔn)確可靠，為環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)提供了新思路。