高原地区埋地天然气管道风险评估方法

庞 旭，朱 平，朱雪峰

（1. 云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南省矿物管道输送工程技术研究中心，云南 昆明 650500）

高原地区埋地天然气管道风险评估方法

庞 旭1，朱 平1，朱雪峰2,3

（1. 云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650228；2. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南省矿物管道输送工程技术研究中心，云南 昆明 650500）

针对高原地区埋地钢制天然气管道在多种非定量因素的影响下缺乏有效的风险评估手段的情况，建立了管道风险失效故障树，确定引起管道失效的五种风险因素即腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作、设计，从而建立了风险评估指标，在此基础上结合综合层次分析法，计算各层指标对应的权重，采用多层次灰色理论，对高原地区埋地钢制天然气管道进行风险评估，将风险影响因素进行量化处理。结合实际工程应用，给出了在役中缅天然气管道的风险量化结果，说明该风险评估方法的有效性。

高原地区埋地钢制管道；风险辨识；故障树；多层次灰色理论；风险量化

0 引言

埋地钢制管道是中缅天然气项目中长距离输送天然气的核心设备，其在役管道的风险可靠性是保证天然气顺利输送的关键[1]，而高原地区埋地钢制管道要穿越不同类型的土壤和河流，地形复杂且输送的压力一般比较高，容易造成管道腐蚀，老化，穿孔或开裂，导致天然气泄漏[2]，造成环境污染甚至人身伤亡等严重后果。因此，进行高原地区埋地钢制天然气管道的风险评估，为全面分析管道失效事件，建立科学的事故管理机制和预防管道事故提供科学、合理的决策，都具有重要的指导意义。

高原地区埋地钢制天然气管道的风险评估方法[3]主要有定性评估和定量评估。定性评估是通过直观的观察管道失效事件及通过经验对19347管道失效发展规律的认识，主观的对管道存在的故障隐

1 埋地钢制天然气管道风险因素故障树分析

1.1 故障树分析原理

故障树分析方法[6]（Fault Tree Analysis, FTA）是 1961年由 H.A.Watson（美国贝尔实验室）提出来的，它是用逻辑框图将所要分析的事故与每层导致其发生的原因之间相连接，而得到能简明、直观体现逻辑关系的逻辑树图形，能有效的分析大型复杂系统的风险性和可靠性。该分析方法以要分析的（管道）风险事故为起点，逐层辨识导致其发生的原因，直至基本原因[7]，能够深入的分析事故的潜在原因，找出管道失效的薄弱环节。

故障树分析法是辨识高原地区埋地钢制天然气管道风险因素的有效方法。通过故障树的定性分析即最小割集分析和底事件结构重要度的计算[8]，可以辨识出影响高原地区埋地钢制管道风险因素及其薄弱环节，并为多层次灰色理论的确定提供参考和依据。

1.2 故障树的建立

根据顶事件确定原则[9]，选取“高原地区埋地钢制管道失效”作为顶事件。对于高原地区，管道沿线大部分均为中-弱腐蚀性土壤，且管道经过高原地区的农田分布区和丘陵地区，这些地区生长有乔木，灌木和草木，其根系将缠绕、挤压、损坏防腐层，造成管道防腐失效，管道容易腐蚀。因此确定第一个一级因素是腐蚀。埋地钢制天然气管道经过患进行判断和分析的方法。定量风险评估是通过对现场实验结学模型，再对管道的设计、管理、人员等因素进行评价的方法。狄彦等人[4]采用定性评估方法对油气管道事故原因及分类进行了深入探究；陈利琼等人[5]采用故障树分析了油气管道危害辨识，对管道的风险程度进行了评价，但这两种风险评估方法没有综合运用定性分析和定量分析。

针对上述方法的优缺点，本文首先通过故障树分析方法，建立一套比较完整的高原地区埋地钢制天然气管道失效故障树模型，从而建立风险评估指标；然后计算其故障树的最小割集、结构重要度为综合层次分析法确定各层指标对应的权重提供相应的依据；最后采用多层次灰色理论，对高原地区埋地钢制天然气管道进行风险评估，将风险影响因素进行量化处理，且结合实际工程应用，给出了在役天然气管道的风险量化结果。的人口地区等级及经济差异较大，3、4级地区人口分布对管道的第三方破坏具有较大的影响，人类活动频繁，增加管道风险的水平[10]，从而选择第三方破坏为第二个一级因素。高原地区地形较为复杂，有各种中高山脉、溶蚀残山及盆地地脉，地形起伏变化较大，当有突发性暴雨时，容易造成洪水的冲刷、侵蚀与坍塌、滑坡、崩塌和高陡边坡等自然灾害，对管道的风险运行带来极大的威胁，因此选择自然灾害为故障树的第三个一级因素。管道的设计如果没有达到相应的要求，如自身焊接存在缺陷，引起应力集中，在使用过程中造成管道破坏[11]，因此管道的设计也是一个重要的一级因素。由于在管道的使用过程中，人员操作错误、施工方误操作等都会影响管道的风险运行，综上所述，选择腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作、设计作为故障树的五个一级因素，从而建立如图1所示的故障树：其中，T为高原地区埋地钢制管道天然气管道失效；A1为腐蚀；A2为第三方破坏；A3为自然灾害；A4为误操作； A5为设计； B1为外力腐蚀； B2为内力腐蚀； B3为应力腐蚀； B4为管道周边环境； B5为管道管理水平； B6为灾害类别； B7为防治措施； B8为施工误操作； B9为运营误操作； B10为维护误操作；B11为管道选材；B12为管道设计；C1为外腐蚀因素；C2为外防腐措施； C3为内腐蚀因素； C4为内防腐措施； C5为管道外部因素； C6为管道本身条件缺陷；C7为管道线路标志不明；C8为水毁发生；C9为泥石流； C10为管沟回填缺陷； C11为内涂层缺陷；C12为通讯设备缺陷； C13为管道选材； D1为土壤腐蚀； D2为杂散电流； D3为阴极保护失效； D4为防腐绝缘层老化； D5为管道上方活动水平； D6为管道埋地深度； D7为管道离地面的距离。

1.3 故障树定性分析

在故障树中，割集[12]就是引起顶事件发生的基本事件的集合，其最小割集是割集中的特殊集合，指当某个割集中任意除去一个基本事件就不再是割集了，也就是导致顶事件发生的最小集合的基本事件的组合。最小割集在一定程度上代表系统的风险程度，因此对故障树进行定性分析也就是找出系统的全部最小割集，采用下行法[13]求解故障树的最小割集，然后再通过布尔代数运算法则进行化简，其底事件的结构重要度系数求解公式为：

式中jk为第 j个最小割集，nj为底事件i位于kj的底事件数，iIφ（）为第i个底事件的结构重要度系数，ixkj∈为第i个底事件属于第j个最小割集。

由结构重要度计算结果可知：管道腐蚀、第三方破坏和自然灾害的结构重要度所占比例大，即这三个方面对管道失效影响较大，但误操作和设计等因素也不可忽视，另外管道的腐蚀、巡线，管道周围无警示标志[14]，管道的制造等对管道风险起到很大的控制作用，在选择评价准则时，应考虑所占的权重。

图1 高原地区埋地钢制天然气管道失效故障树示意图Fig.1 Fault diagram of failure of buried steel gas pipeline in plateau

2 多层次灰色评价理论

灰色系统理论是由中国著名学者邓聚龙教授提出并创立的[15]，是一种研究“小样本”、“贫信息”等不确定性问题的新方法。利用该方法对一个具有多层次影响因素的高原地区埋地钢制管道进行风险评估时，首先通过分析高原地区埋地钢制管道失效故障树，确定引起埋地钢制管道失效的主要原因，建立多层灰色评价法的评价体系，然后理清层次，从低层到高层逐一评价，最后得出一单值综合评价结果。将风险评估系统分为三个层次，则各个层次代表的含义如以下表示：A为综合评价值；iB为一级指标； Bij为二级标记。

具体步骤：

（1）由已构造的高原地区埋地钢制管道失效故障树，确定五个二级指标 Bij的评分等级与评分标准。

（2）用综合层次分析法[11]确定五个一级指标iB和十二个二级指标 Bij的权重，则 Bi和 Bij的权重向量分别为：

（3）组织专家按制定的评分标准进行评分[17]并建立评价样本矩阵D，设专家的序号为 k ( k=1,2,…,p)，设第k个专家对评价指标Bij的评分为dijk，则评价样本矩阵

（4）确定评价灰类，即要确定评价灰类的等级、灰类的灰数以及白话权函数等[18]，将设评价灰类号为 e(e=1,2,…,g )即有g灰类等级，若用“优”、“良”、“中”、“差”四级来表示风险性，则评价灰类g取为取4。为了描述上述灰类，评价灰类的白化函数[19]为 fe(dijk)，其函数表达式如下：

表1 埋地钢制天然气管道失效故障树基本事件表Table 1 Buried steel natural gas pipeline failure tree basic event table

第一类“优”：

第二类“良”：

第三类“中”：

第四类“差”：

（5）确定灰色评价系数，对二级指标 Bij属于第e个评价灰类的灰色评价系数为则属于各个评价灰类的总灰色评价系数为：

（6）计算灰色评价权向量及权矩阵[20]。二级指标 Bij属于第e个灰类的灰色评价权为则 Bij对于各评价灰类的灰色评价权向量 rij=对于隶属于 B i的各类 B ij指标所对应的灰类灰色评价权向量建立 R ij综合评价矩阵：

（7）建立指标Bi的综合评价矩阵：

由R进一步得出受评项目 Bi的综合评价结果向量：B = W R。

（8）计算综合评价值。由于综合评价结果B是一个向量，在实际工程应用中应该单值化。将各个灰类等级按“灰水平”赋值[13-14]，得到各评价灰类等值化向量，进而得受评项目的综合评价值 A = BCT。

3 高原地区埋地钢制管道风险评估流程图

基于上文分析，提出了一种基于故障树与多层次灰色理论的高原地区天然气管道风险评估方法，首先对现场采集数据进行整理；然后根据故障树顶事件选取原则确定五个一级因素，分别是腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作、设计，根据这五个一级因素开始一层一层逐步寻找导致管道失效的初始事件、直接原因和间接原因，从而建立风险评价指标体系；再利用多层次灰色评价理论对风险评价理论体系进行评估计算；最后根据计算得到的结构进行风险评估，以达到管道风险评价的目的。该方法的流程图如图2所示。

图2 高原地区埋地钢制管道风险评估流程图Fig.2 Flow chart of risk assessment of buried steel pipe in plateau area

（1）现场资料收集。对现场的设计、施工、运行、实验数据进行收集整理，根据评价标准，选择相应的数据。

（2）用故障树对风险因素进行识别和分析。选取“高原地区埋地钢制天然气管道失效”作为顶事件，根据高原地区的实际情况选取故障树的中间事件和底事件，然后计算最小割集和计算底事件的结构重要度，其结构重要度值大的因素对顶事件影响大。

（3）建立评价指标。根据故障树的结构重要度建立评估指标，包括5个一级因素分别是腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作、设计，12个二级因素。

（4）运用多层次灰色评价理论进行风险评估。根据综合层次分析法，分析确定各指标权重，然后确定评价灰类，并根据评价过程中样本矩阵求得灰色评价权向量，计算管道风险的评价值。

（5）确定风险评价结果等级。根据计算得到的评价值，判断管道风险等级。

4 实例证明

4.1 建立评价指标

高原地区埋地钢制管道风险评估指标包括5个方面，12个附属的二级评价元素评价内容如表2所示。

表2 高原地区埋地钢制管道风险评估指标Table 2 Buried steel pipelines in the plateau risk assessment index

以中缅天然气昆明西支线输气管道段为例，分析基于故障树与多层次灰色理论的高原地区天然气管道风险评估方法的应用过程。该管道建于2013年4月，全长37.5km,管道规格D323.9，管径为DN300，输气规模为 2 14.85× 1 04m3d ，设计压力为6.3 MPa,管道内径为300 mm，管道沿线中有一个阀室，一个阴极保护站，500个标识桩，施工便道有 15Km,穿越铁路、公路、河流、水塘分为是2次、11次、16次、9次。

4.2 按多层次灰色法评价步骤进行评价

（1）制定二级指标 Bij的评分等级和评分标准。对评分等级和评分标准应根据相应的规范并结合高原地区的实际情况，科学、合理的将评价指标分为优、良、中、差4个等级，分别赋值为4、3、2、1，指标等级介于相邻等级之间的，则赋值为3．5、2．5、1．5、0．5，从而有8个评分标准，实行5分制。

（2）确定评价指标的权重。为了使评价结果更为客观，采用 AHP法[21-22]计算各层次评价指标权重。AHP是把影响管道失效的各因素条理化的划分为相关联的有序层次。根据故障树的结果重要度进行两两比较,并将比较结果进行量化,给出量化值，最终确定全部元素的权重。因此，五个一级因素和十二个二级因素的权重矩阵如下所示：

（3）建立评价样本矩阵。组织5位行业资深人士,其中3位为大学教授,另外2位为特检院现场工作的专业指导人员。按照评分标准进行评分,求得样本矩阵。

（4）确定评价灰类和灰色评价系数，设定四个评价灰类，即序号为 e =1、 2、 3、 4，白化函数 fe( dijk)设定对于指标 B11属于第e个评价灰类的灰色评价系数为 X11e，则：

（5）一级指标综合评价，对1B作综合评价，其结果为1B，则有：

（6）计算综合评价值。由各评价灰类等值化向量 C = ( "优 "， “良”，“中”，“差”) = （4， 3， 2， 1），得到高原地区埋地钢制天然气管道风险评估的综合评价值为：

计算结果位于区间（3,4），即结果介于良优之间，故该项目最终评价等级为“良”，说明该天燃气管道整体风险性良好，其评价结果和实际相符。

5 结论

结合高原地区特有因素，分析管道失效机理和风险原理，建立了高原地区埋地钢制天然气管道失效故障树，该故障数共选取了61个导致管道失效的基本事件，通过对故障树的最小割集的求解和结构重要度的计算，定性确定了引起管道失效的薄弱环节即腐蚀、第三方破坏、自然灾害。

将综合层次分析法和灰色评估理论有机的结合，从而将评价因素进行量化处理，解决了多层次、多因素、多变量和非定量化的评估问题。通过在实际中的应用体现了该方法有简便、实用、直接和科学的优点，对不确定因素的量化分析提供了一种方法。

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Risk Assessment Method of Buried Natural Gas Pipeline in Plateau Area

PANG Xu1, ZHU Ping1, ZHU Xue-feng2,3
(1. Special Equipment Safety Inspection Research Institute of Yunnan, Kunming, 650228, China;2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology Kunming, 650500, China;3. Engineering Technology Research Center for Mineral Pipeline Transportation of Yunnan Kunming, 650500, China)

In view of the lack of effective risk assessment methods under the influence of various non-quantitative factors in the buried natural gas pipeline in the plateau region, the pipeline risk failure fault tree is established to determine the five risk factors that cause the pipeline failure, Three-dimensional damage, natural disaster, misuse, design, and thus the establishment of the risk assessment indicators, on the basis of this combined with the integrated analytic hierarchy process to calculate the weight of the corresponding indicators, the use of multi-level gray theory,buried highland natural gas Pipeline risk assessment, the risk factors to quantify the treatment. Combined with the practical engineering application, the risk quantification results of the natural gas pipeline in China are given, and the effectiveness of the risk assessment method is explained.d.

Highland area buried steel pipe; Risk identification; Fault tree; Multi-level gray theory; Risk quantification

F224

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.004

本文著录格式：庞旭，朱平，朱雪峰. 高原地区埋地天然气管道风险评估方法[J]. 软件，2017，38（12）：18-24

“云南省科技惠民计划项目”(2014RA003)

庞旭(1964-)，男，高级工程师，现主要从事压力容器和管道检验研究工作；朱平(1981-)，男，高级工程师，2009年硕士毕业于昆明理工大学化工机械专业，现主要从事压力容器和管道检验研究工作。朱雪峰(1993-)，女，硕士研究生，现主要从事油气管道检测研究和排水管道故障诊断。