结合可拓模型的环焊缝风险评价研究

杨大慎，姜红涛，徐晴晴，关丰旭

（1.中国石化销售公司华南分公司，广东广州 510620；2.中国石油大学（北京），北京 102249；3.沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142）

近年来随着石油化工产业蓬勃发展，长输油气管道的安全事故也时有发生，其中环焊缝开裂为事故发生主要原因。据有关调查数据显示，自2011年以来有8起管道环焊缝开裂事故发生，事故管道均是采用新工艺的管道，其中6起事故是由于焊缝缺陷导致的，另外2起事故是管体外部存在较大外力导致的焊缝开裂[1]。在事故分析中发现导致环焊缝开裂的因素不尽相同。因此，在环焊缝风险评价过程中，风险评价指标体系的建立和指标权重分配起到了关键作用。

本文根据当下国内管道的基本情况构建了环焊缝风险评价指标体系，将可拓分析方法应用于环焊缝风险评价模型当中，利用实际管道数据进行了验证，确定了环焊缝风险评价指标的风险权重和风险等级，反映了对应环焊缝的风险状况，为后续工作提供了技术支持。

1 构建环焊缝风险评价指标体系

1.1 风险因素识别

针对以往环焊缝开裂事故进行调查研究发现，影响环焊缝质量的因素主要包括4个方面：环焊缝缺陷、管体材料性能、管体外部载荷和施工质量管理[2]。其中，环焊缝缺陷和管体材料性能因素属于焊缝自身缺陷，可通过提高技术手段来避免此类缺陷；管体外部载荷和施工质量管理因素，属于设计管理缺陷，此类缺陷需要施工方给出合理设计方法及有效的管理方案来保证管体的实际施工安全性[3]。

1.2 指标体系构建

参考GB 32167—2015《油气管道完整性管理规范》等相关规范，结合施工现场报告和后期环焊缝质量检测报告，将环焊缝缺陷、管体材料性能、管体外部载荷和施工质量管理4类主要影响因素重新进行细化，综合利用管道安全分析方法，最终构建了以环焊缝缺陷、管体材料性能、管体外部载荷和施工质量管理为1级指标，环焊缝底片质量和开挖验证情况等为2级指标的环焊缝风险评价指标体系[4]，如图1所示。

2 构建物元多级可拓评价模型

图1 环焊缝风险评价指标体系示意图

可拓理论与安全评价的结合是目前较为流行的评价方法，其中可拓理论中的物元理论与可拓集合理论相结合形成动态评价模型，针对安全评价过程中的变量进行区域化，将复杂的安全评价模型划分成相互关联的评价单元[5]。以可拓理论为基础将具体的参变量进行量化，对油气管道环焊缝安全相关的影响因素进行分析，进一步建立环焊缝风险评价的物元可拓模型，确定评价模型的值域、经典域和节域[6]。结合环焊缝风险评价指标体系，确定安全评价指标的权重系数，建立多级评价指标关联函数，运用建立的可拓模型对油气管道环焊缝进行风险评价。

2.1 计算各指标权重

通过对环焊缝风险评价指标进行具体分析，利用层次分析模型构建环焊缝风险评价指标判断矩阵，依据A.L.Saaty1-9标度法对次级指标进行加权判断其相对重要性，将同级指标两两之间相互比较以一级指标为例建立判断矩阵A[7]。

其中，Saaty1-9标度法指标相对重要度定义如表1所示。

表1 Saaty1-9标度法含义

计算结果可靠性需要对结果进行一致性检验，采用求根法计算最大特征根λ[8]。若结果通过一致性检验，则判断矩阵的特征向量w其对应评价指标的权重值。使用横向连乘求根法得到判断矩阵，进行归一化处理求出判断矩阵的特征向量[10]。计算判断矩阵最大特征值λ，求出最大值计算一致性指标，计算一致性比率，若得到一致性比率小于0.1，则证明判断矩阵通过一致性检验[11-14]。依次对各风险评价指标集进行计算，得到各元素组指标的权重集合：

环焊缝缺陷 C1：{0.528，0.128，0.216，0.128}；

钢材性能 C2：{0.333，0.3333，0.333}；

管道外部载荷 C3：{0.337，0.095，0.049，0.519}；

施工质量管理 C4：{0.108，0.451，0.244，0.197}。

2.2 风险评价关联度等级计算

通过可拓评价模型的经典域和值域计算环焊缝风险评价指标与定义的风险评价等级的最大贴近度。建立二级评价指标关于一级指标的关联度函数[15-17]，见公式（1）。

Kij为二级指标对应其一级指标的关联度；nik为二级指标打分分值；aji，bji为二级指标所在等级评分上下限。得到各元素组关联度指标集合，以环焊缝缺陷C1为例：

环焊缝缺陷C1：

2.3 环焊缝风险评价可拓计算

逐级向上计算环焊缝风险评价关联度，权重向量w与关联度K相乘，得到加权后的环焊缝风险等级关联度矩阵 K（S），计算过程如公式（2）[18-19]。最后对环焊缝风险评价总体指标进行计算。

式中K（S）为环焊缝风险等级关联度；win为一级指标权重；km（cin）为对应指标关联度。

根据一级指标关联度及权重系数可计算出环焊

缝风险评价关联度矩阵，如公式（3）。

计算得到可拓风险评价结果：KMAX（S）=0.2114=K1（S）。确定被评价环焊缝的风险等级为Ⅰ级，属于风险等级最低，风险可忽略。采取此方法对长输油气管道环焊缝进行整体性评价，对评价结果不合格的环焊缝进行维修整改，提高管道整体可靠性[20]。

3 结论

（1）利用环焊缝风险评价指标体系建立了环焊缝风险评价模型，包括4个一级指标和14个二级指标。

（2）使用层次分析标度法，对每个环焊缝风险评价指标进行权重量化，使用可拓模型对待评价环焊缝进行可拓关联计算，得出环焊缝评价结果为低风险等级，环焊缝风险可忽略。

（3）本方法适用于长输油气管道中的环焊缝风险评价且准确可靠，为环焊缝风险分级提供了新思路。