基于多层次模糊综合评价的废弃管道处置技术

刘 坤，周 维，王 青，樊春峰

1.河北华北石油工程建设有限公司，河北任丘 062550

2.中石油山东输油有限公司，山东日照 276800

3.河北华北石油通信有限公司，河北任丘 062550

4.河北雄安华油清洁能源有限公司，河北任丘 062550

截至2017 年，我国油气管道总里程达到了12.5 万km，其中部分管道服役时间已超过40 年，因管道自身条件恶化、经济效益过低、上游产量不足、国家法律与法规限制等原因，对管道会采取处置措施[1]。管道处置是管道完整性管理的最后一个环节，而管道处置规则是一切工作的基础。目前，国内外对废弃管道的处置方式和方法研究较多，如残留物的清理、穿跨越地面沉降处理、管道附件拆除、导流效应处理等[2-3]，但对于判断管道废弃的标准以及废弃管道处置规则尚无统一认识。

SY/T 6891.1—2012《油气管道风险评价方法第1 部分：半定量评价方法》中应用了肯特打分法对管道风险进行评价，但并未给出处置规则；解乃钢[4]从危险性和经济性两个方面对埋地管道的废弃处置进行了评价，但该方法仅适用于燃气配管，且主要针对腐蚀引起的管道废弃；孙伶等[5]应用层次分析法对管道处置的过程进行评价，但建立的指标体系未考虑适用性等因素，输出结果尚属于定性分析，且未给出应用实例；贺娅娅等[6]针对老龄管道的废弃处置问题，通过对管道历史失效频率的收集整理，通过计算无量纲化的风险系数实现管道处置标准的归一化，但该方法的前提是要有良好的管理水平，管道运维方面的基础数据较完善，限于目前国内的管理水平应用起来还有一定难度。本文应用多层次模糊综合评价方法，通过建立管道处置评价指标体系，对各级指标进行权重赋值，随后分层次进行模糊综合评价，得到总的评价结果，以期建立合理、系统、科学的处置标准，为管道管理者提供老龄管道的处置依据。

1 多层次模糊综合评价模型

将层次分析法和模糊综合评价法进行有机结合，不仅保证了模型的系统性和合理性，而且可以充分利用专家和决策人员的经验及判断能力，为非线性、模糊性、多变量的管道处置问题提供解决方案。

1.1 建立管道处置的评价指标体系

应用层次分析法建立适合管道处置的三层评价指标体系（如图1 所示），以管道处置评价为目标层（A），适用性（B1）、完整性（B2）、风险性（B3）、经济性（B4）、合规性（B5） 为准则层，剩余强度（C1）、剩余寿命（C2） 等16 个为指标层。

图1 管道处置的三层评价指标体系

1.2 构建判断矩阵

组织一定数量的工艺、管道、腐蚀、设备方面的专家，按照1 ～9 标度（标度及其含义见文献[7]的表2-1） 及其倒数法构建两两判断矩阵M，判断矩阵应为正反一致矩阵，矩阵元素满足Mij＞0、Mij=1/Mji、Mii=1、Mij·Mjk=Mik。

1.3 一致性检验及层次排序

当评价指标较多时，专家在判断的过程中容易出现不协调、相互矛盾的现象，因此要对判断矩阵进行一致性检验（阶数＞2 的矩阵）。由矩阵的相关理论可知，当矩阵不能满足一致性时，其最大特征根也会发生变化，在此利用最大特征根计算偏离一致性指标CI，由于不同阶数矩阵判断的一致误差不同，因此还需要进行随机一致性比率CR的计算，CR=CI/RI，CI= （λmax-n ） /（n-1）。式中：n 为判断矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标，取值情况如文献[7]表2-2 所示。当CR＜0.1 时，矩阵通过一致性检验；否则，需要重新调整矩阵。λmax为最大特征值，利用特征根法进行求解，由Aω=λω 计算，λmax对应的特征向量ω 即为各指标相对于上一层的权重向量，将ωa记为准则层对目标层的权重向量，将ωbi（i=1,2，…，5） 记为指标层对准则层的权重向量。

依照所建立的评价指标体系，从下而上逐层计算，即可计算出指标层相对于目标层的权重，从而进行层次总排序。

1.4 确定评语集

根据管道处置最终的结果建立相应的评语集V，V= {v1，v2，…，vm}。式中：vi表示第 i 个评价结果，m 为评语集个数，一般为3～5 个。本文的评价模型所定义的评语集V= {好，较好，中，较差，差}。

1.5 构建模糊评价矩阵

组织一定数量的具有现场经验的资深专家，把影响管道处置的因素到评语集V 的模糊映射构建成模糊评价矩阵Ri：

式中：rijk=dijk/d，dijk为单一指标因素被做出评语集中第k 种评估的专家人数，d 为参加评估的专家总人数。

1.6 求综合评价向量

根据FUZZY 理论，应用模糊矩阵进行合成运算，由下层到上层先分别计算准则层的综合评价向量Bi，然后计算目标层的综合评价向量B：

根据最大隶属度原则，由B 向量可以得知管道的评价等级，但仍为定性结果，因此利用加权计算法，乘以表1 中对应的加权值O =（0.9，0.7，0.5，0.3，0.1）T，得到管道的综合得分A =B·OT，对照标准分值得到相应的处置方式。

表1 管道评价等级加权值和标准值

2 实例计算

某油田集输管道1985 年投运，管道规格为D159 mm ×5 mm，长3.3 km，设计输量20 万t/a，实际输量5 万t/a，负荷率25%，输送介质为含水油，未设置阴极保护装置，在管道运营过程中曾出现过多次内腐蚀穿孔泄漏，上游区块产量不足导致负荷率较低，且沿途穿越多处村庄等人员密集场所及河流、湿地等生态敏感区域。对管道前期的设计、施工、验收、定期检验、维修记录等资料进行了收集和整理，完善了原始资料。

结合图1，组织了d 位管道行业的从业人员及相应领域的专家对指标体系构建两两判断矩阵，借助众多相关因素的两两比较，转化为对决策有用的信息。其中，准则层对目标层的判断矩阵A-B 见表2。

表2 A-B 判断矩阵

对于判断矩阵A-B 来说，λmax= 5.126，CI=0.032，RI=1.12，CR=0.028 ＜ 0.1，因此矩阵通过一致性检验，此时的权重向量ωa=（0.093，0.221，0.277，0.301，0.108）。同理，指标层对准则层的判断矩阵也通过一致性检验，权重向量ωb1=（0.633，0.367），ωb2=（0.384，0.221 ，0.193，0.106，0.096），ωb3= （ 0.263，0.564 ，0.118，0.055），ωb4= （0.322，0.183 ，0.495），ωb5=（0.750，0.250）。由各层级的权重向量计算出指标层相对于目标层的权重，从而进行层次总排序，如表3 所示。

表3 指标层相对目标层的总排序

由表3 可知，影响管道评价结果的主要因素是运行风险、运行经济性、资源开采量、腐蚀缺陷和法律法规符合性。管道的运行风险可以构成人员伤亡和财产损失，导致运行维护成本升高，并造成不良的社会影响，因此应作为第一优先级，优于运行经济性，是处置决策的关键因素；经济性仍是衡量管道处置的重要指标；上游的资源开采量同样非常重要，当上游资源处于枯竭状态或存在其他优于管输的运输方式时，可以进行报废处理；腐蚀是危害管道安全的重要因素，输送高腐蚀性介质的油气管道寿命会大幅缩短，最终达到相应的处置标准；随着国家安全及环保法规日益严苛，管道投产时可以预期的法律要求已不适用，导致被动性的管道处置越来越多。

邀请10 位具有现场经验的资深专家按照评语集进行打分（分数按照比例进行归一化处理），确定该管道中各个子因素的模糊评价矩阵，见表4。

表4 模糊评价矩阵

应用模糊矩阵进行合成运算，由下层到上层先分别计算准则层的综合评价向量Bi，然后计算目标层的综合评价向量B：

根据最大隶属度原则，该管道隶属于“较差”等级，利用加权计算法，乘以对应的加权值O= （0.9，0.7，0.5，0.3，0.1）T，得到管道的综合得分A=B·OT=0.402 9，对应标准分值，其处置等级为“中”。经验证，该模型与现场状态基本一致，但该分值已经接近“较差”等级，今后应密切关注管道的运行状态、上游的资源开采量和法律法规的符合性等因素，定期重新对指标权重进行调整，重新构建模糊评价矩阵，对管道进行重新评估，形成PDCA 循环。当该管道等级下降时，应及时采取相应措施，全面考虑废弃成本、操作流程及废弃技术等方面的内容，做好管道的退役工作。

3 结束语

（1） 通过构建三层管道等级评价指标体系，将层次分析法和模糊综合评价法进行有机结合，得到影响管道评价结果的主要因素是运行风险、运行经济性、资源开采量、腐蚀缺陷和法律法规符合性。

（2） 通过实例计算，把管道处置这类问题进行了定量评价，并根据数值给出最终的处理方式和实施意见，具有一定的工程意义。

（3） 构建判断矩阵和模糊评价矩阵时比较依赖专家判断，今后可尝试与其他客观综合评价方法相结合，如灰色关联、数据包络、人工神经网络等，继续提高模型的精度。