山区输气管道地震风险评价方法研究
时间：2022-12-09 14:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王雯悦， 伍 颖， 尤 潇， 陈良若
(1.西南石油大学土木工程与测绘学院，四川成都610500；
2.广元市天然气有限责任公司，四川广元628017)
天然气属于易燃易爆品，尤其是地震活跃地区、山区输气管道的线路工程存在穿跨越活动断层的可能性，高压输送介质发生泄漏、火灾、爆炸的危险性更大。一方面地震作用和管道易损性增加了山区输气管道运行的失效可能性，另一方面输送介质的产品危害性和管道周边受体的易损性也会影响山区输气管道的失效后果。山区输气管道的失效可能性与失效后果构成了管道的地震风险。
目前，国内外尚无成熟的山区输气管道地震风险评价体系。因此，针对山区输气管道震害特点，对引起管道失效的影响因素进行识别、对管道安全性进行评价并针对失效因素提出切实可行的风险缓解对策，对于山区输气管道地震评估研究的发展和山区输气管道风险防控技术的提高具有十分重要的意义。
2.1 G1法
采用G1法计算指标权重。G1法即序关系分析法，是在层次分析法的基础上改进的一种权重赋值方法，减少了确定指标权重的计算量，不需要构建判断矩阵，且无一致性检查，可操作性强[1]。
指标分为基础指标和复合指标。基础指标指能够表达评价对象的某一属性且不可再分的指标；
复合指标指建立在基础指标之上，可通过各基础指标进行一定运算得到的指标，是可再分指标。确定各类各层级指标权重的步骤如下。
① 确定指标序关系
根据研究对象中各类各层级评价指标的重要性，确定各类各层级评价指标之间的排序关系。若评价指标Ji相对于评价指标Jj重要，则记为Ji>Jj。根据这一原则，结合专家给出的评定建议，从各类各层级评价指标集{J1,J2，…，Jm}中选出最重要的一个指标，记为I1；
从剩下的m-1个指标中选出最重要的一个指标，记为I2，以此类推，将最后选出的评价指标记为Im，这样确定了评价对象各类各层级指标的重要性由大到小的排序，即确定了序关系，见式(1)[2]。
I1>I2>…>Ik-1>Ik>Ik+1>…>Im
(1)
② 指标的相对重要性
专家参考表1，对评价对象的各类各层级相邻评价指标的重要程度之比rk进行赋值[2]，rk定义见式(2)。
(2)
其中：
(3)
式中rk——指标Ik的相对重要性
wk-1——指标Ik-1的权重
wk——指标Ik的权重
m——评价指标集中指标的总数量
rk-1——指标Ik-1的相对重要性
表1 赋值参考
③ 指标权重计算
通过G1法判定各类各层级相邻指标的相对重要性后进行指标权重的计算，权重计算公式[2]为：
(4)
wk-1=rkwk(k=m,m-1,…,2)
(5)
且应满足：
(6)
2.2 风险评价方法
2.2.1风险值计算
根据风险的定义，山区输气管道的地震风险由失效可能性和失效后果两部分构成，参考GB/T 27512—2011《埋地钢质管道风险评估方法》第9条规定，建立风险值计算准则：
R=SC
(7)
式中R——风险值
S——失效可能性评分
C——失效后果评分
山区输气管道地震风险的失效可能性评分S由可引起山区输气管道地震时破裂失效的各指标评分构成，失效后果评分C由管道破裂后产生泄漏造成不良影响的各指标评分构成。实际中，山区输气管道地震风险评价指标体系的各指标之间往往存在多重逻辑关系，指标的逻辑关系影响了复合指标的评分结果。因此，为探究评价指标之间的逻辑关系，引入布尔代数中的“或”门和“与”门关系进行指标间的逻辑判断和指标的评分计算。
将基础指标的评分设置为0～5分，复合指标的评分根据不同的逻辑关系采用不同的计算方式。由于指标之间存在重要性差异，因此应充分考虑指标权重对评分计算的影响。在逻辑分析中，“或”关系的指标评分，采用“加和”的方式进行运算，因此指标的权重会影响“加和”的结果；
“与”关系的指标评分，采用“求积”的方式进行运算，因此指标的权重不会影响“求积”的结果。
对于本文“或”关系的各类各层级复合指标评分应采取式(8)和式(9)计算。
(8)
式中Si——准则层失效可能性下设的某复合指标的评分
wk——该复合指标下一层级指标Ik的权重
Sk——该复合指标下一层级指标Ik的评分
t——该复合指标下一层级指标的总数
(9)
式中Cj——准则层失效后果下设的某复合指标的评分
wl——该复合指标下一层级指标Il的权重
Cl——该复合指标下一层级指标Il的评分
n——该复合指标下一层级指标的数量
对于本文“与”关系的各类各层级复合指标评分应采取式(10)和式(11)计算。
(10)
(11)
2.2.2风险等级划分
参考GB/T 27512—2011《埋地钢质管道风险评估方法》第10.2条规定，将风险等级划分为4级，不同风险等级对应的风险值区间见表2。表中，RMin为管段的风险最小值，RMax为风险最大值。RMin、RMax取值根据基础指标的评分范围以及指标逻辑关系确定。
表2 管道风险等级划分标准
通过实地考察、调研山区输气管道运行数据和沿线地区地震报告，建立了以失效可能性和失效后果为评价准则的三级山区输气管道地震风险评价体系，见表3。
山区输气管道地震风险失效可能性选取了地震危险性和管道易损性作为一级指标。在地震危险性方面，考虑地震发生时地震本身的灾害以及地震引发的地质灾害的影响；
在管道易损性方面，考虑管道设计与施工、管道缺陷和误操作的影响。
山区输气管道地震风险失效后果选取了产品危害性和受体易损性作为一级指标。在产品危害性方面，考虑天然气的爆炸与燃烧危险性以及H2S毒性；
在受体易损性方面，考虑人口密度、高价值地区、环境敏感性等受体的情况[3]。
运用布尔代数对评价指标之间的逻辑关系进行分析。以地震危险性与管道易损性为例，这两方面均可单独对管道的失效可能性造成影响，因此判断两者之间为逻辑“或”关系。同理，可分析得到本文的各类各层级指标之间的逻辑关系。通过分析，除产品危害性和受体易损性之间为逻辑“与”关系外，其余各类各层级指标之间均为逻辑“或”关系。
在指标权重方面，由于指标权重影响逻辑“或”关系的复合指标评分，不影响逻辑“与”关系的复合指标评分，因此，需计算逻辑“或”关系指标的权重。本文根据专家统一后的意见，采用公式(2)～(5)计算各类各层级的指标权重，计算结果见表3，径厚比指管道外直径与壁厚之比。
表3 山区输气管道地震风险评价指标及权重
续表3
在指标评分方面，基础指标采用专项评估报告、竣工数据和专家意见结合的方式对基础指标进行评分，基础指标评分范围为0～5分。各类各层级的复合指标评分通过指标逻辑关系的分析和计算得到的指标权重，结合式(8)～(11)得到。
在风险等级划分方面，由于基础指标评分范围为0～5分，因此，可以计算得到山区输气管道地震风险评价的风险最大值为125分，风险最小值为0分。根据表2，可得山区输气管道风险等级划分标准，见表4。
表4 山区输气管道风险等级划分标准
以四川西南山区某输气管道为例进行山区输气管道地震风险评价。根据前期调研，该输气管道长约344.8 m，沿线工程地质条件评价为I级。邀请专家根据表5对该管段商议并统一意见后评分，评分结果见表6。
表5 山区输气管道地震风险评价评分依据
续表5
表6 四川西南山区某输气管道专家评分
根据表3、6以及公式(8)～(11)可以计算出各类各层级的复合指标分值以及管道的风险值，风险值为9.48，属于低风险等级。根据实际运行维护数据，该输气管道目前没有因地震造成的管道失效记录，评价结果与实际情况基本一致，说明建立的山区输气管道地震风险评价模型具有可靠性。
① 提出了采用布尔代数对指标之间的关系进行逻辑分析，并应用逻辑“或”关系和“与”关系的各类各层级复合指标评分计算方法，适用于建立的具有多重逻辑关系的山区输气管道地震风险评价模型。
② 分析了山区输气管道地震的失效可能性、失效后果，从地震危险性、管道易损性、产品危害性和受体易损性4方面建立了山区输气管道地震风险评价模型。将该模型应用于西南山区某输气管道实际评价中，效果良好，说明该模型具有可靠性。
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