CN104866977A - 利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，属于管道风险评估的技术领域，根据管道的工程资料确定因素集，采用层次分析法确定各级因素指标权重矩阵，采用模糊综合评价法得到单因素风险评价结果，采用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值，结合泄漏影响系数计算相对风险值。本发明在肯特法中的事故因子求指数和的过程中引入层次分析法和模糊数学理论，综合评估事故因子的指标权重，从而更加真实的反应管道实际的风险情况。

Description

利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法

技术领域

本发明公开了利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，属于管道风险评估的技术领域。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展，城市建设步伐的加速，管道作为国民经济建设的基础设施也随之蓬勃发展。一个国家或地区的管道系统十分复杂，按照管道不同的用途，可分为工业管道、公用管道和长输管道，这些管道多数为埋地管道。

埋地油气管道距离长，输送压力高，工艺复杂，介质量大，而且输送的介质具有易燃、易爆危险性。油品泄漏通常是埋地输油管道的主要事故类别，通常受到工程地质、安装质量、管道防腐、管道接地、工艺、环境、人为破坏、操作失误等诸多方面原因的影响。随着管道的增多和管道服役年龄的增长，埋地输油管道失效所造成的各种事故也日益增多，在给环境带来污染的同时，也给生活在管道附近的人们带来严重的安全威胁。

管道风险评价技术从20世纪70年代起，首先在欧美一些发达国家开始了理论研究和应用实践。风险分析有多种方法，但在工业管道方面比较完整的方法还是W KentMuhlbauer提出的评分法，也被称为肯特管道风险评价法，计算流程如图1。该方法是一种相对风险评定方法，用于评价不同管道或管段的相对风险大小，为风险管理人员提供参考。肯特法易于掌握和推广，是到目前为止较为完整系统的管道风险分析方法。

在肯特法中，对于每个管段，按事故的原因和后果分为第三方破坏、腐蚀、设计和操作四大类事故因子以及一个泄漏影响系数，因此又被称为“4+1”评价模式。四类事故因子各占100分，共计400分，分值越高越安全。

但在管道的实际运营中，不同因素对管道安全的影响程度不同。统计表明中国输油管道事故原因(1970-1990年)主要是设备故障(30.3％)、腐蚀(21.3％)、违规操作(20.5％)，其次是外部干扰(8.3％)、施工管材(8.5％)、其他问题(11.1％)等，而欧美国家输油管道事故原因主要是外力损伤(西欧33％、北美34％)、腐蚀(西欧30％、北美33％)和机械损伤(西欧25％、北美18％)，其次为操作失误(西欧7％、北美2.5％)、自然灾害(西欧4％、北美4.5％)、其他问题(西欧1％、北美8％)等。

肯特法基于欧美埋地管道事故特点对四类影响因素给与相同的权重，各占25％，平均分摊了400分的评分值。在实际应用中并不能反映各因素的重要程度，尤其是不能反应我国埋地管道风险的实际情况，因而有必要对肯特法作适当的改进，确定各因素在影响管道失效中所占的恰当比例，来更真实地反映出我国管道所具有的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，在事故因子求指数和的过程中引入层次分析法和模糊数学理论以综合评价事故因子的指标权重，解决了传统肯特法对各因素赋予相同权重不能反映风险实际情况的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，

根据管道的工程资料确定因素集U，所述因素集包括：致使管道失效风险的一级因素指标U_i、决定一级因素指标的二级因素指标U_ij；

采用层次分析法确定各级因素指标权重矩阵A，A＝(a₁,a₂,…，a_i，…,a_m)，a_i∈[0,1]， $\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i=1;$

采用模糊综合评价法得到单因素风险评价结果；

采用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值，结合泄漏影响系数计算相对风险值。

进一步的，所述利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法中，采用层次分析法确定各级因素指标权重矩阵的方法为：对同一级风险因素指标进行两两比较以获取每一因素指标在该级因素指标中的相对重要性，进而获取风险因素矩阵，对风险因素矩阵进行一致性比率验证后求得该级因素指标权重矩阵。

进一步的，所述利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法中，采用模糊综合评价法得到单因素风险评价结果的方法为：由专家调查结果获取单因素导致管道失效的风险概率矩阵R，对因素指标权重矩阵、风险概率矩阵进行乘法运算B＝A·R＝(b₁,b₂,…,b_m)，以运算结果隶属度最大者max{b_k}，(k＝1，2，…，m)对应的风险等级作为单因素风险评价结果B。

进一步的，所述利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法中，采用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值H的表达式为：

$H=\frac{1}{2}[\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i(D_{i\left(\max \right)}-b_i)+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i(D_{i\left(\min \right)}-b_i)],$ 其中，

k为风险等级数目，b_i为各风险等级对应的单因素风险评价结果，D_i(max)、D_i(min)分别为风险等级i取值的最大值、最小值。

进一步的，所述利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法中，结合泄漏影响系数计算相对风险值的方法为：以相对状态特征值与泄漏影响系数的比值为相对风险值，所述泄漏影响系数为介质危害性分值与扩散系数的比值，所述介质危害性分值为燃烧性分值N_f、反应性分值N_r、有毒性分值N_h、长期性危害分值之和，所述扩散系数为泄漏扩散分值与人口密度分值的比值。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：在肯特法中的事故因子求指数和的过程中引入层次分析法和模糊数学理论，综合评估事故因子的指标权重，从而更加真实的反应管道实际的风险情况。

附图说明

图1为利用传统肯特法评估管道风险的框图。

图2为本发明涉及的肯特法评估管道风险框图。

图3为层次因素结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明涉及的埋地管风险评估方法如图2所示，包括确定因素集、确定权重矩阵、综合评价三部分。将改进后的肯特评估方法应用于金陵石化公司至南京禄口机场的航空煤油输油管线的某一段5公里埋地管线。该选定的管线从南京栖霞区的丁家庄保障房附近起始，路经聚宝山公园至徐庄软件园终止，约5公里。该油气管线中间有穿越铁路、高速公路涵洞、居民区、公园以及河流。其中徐庄软件园段附近有加油站和港华燃气加气站。

(一)确定因素集

根据该段管道的工程资料选定了致使管道失效风险的四个一级因素，分别为第三方破坏因素U1、腐蚀因素U2、设计因素U3以及误操作因素U4。针对埋地管道失效的因素层次结构如图3所示，每个一级因素又由数个二级因素决定，每个二级因素又由数个三级因素决定如，第三方破坏因素U1由二级因素最小深埋U11、地面活动状况U12、自然灾害U13、公众教育U14、巡线及维护U15、地面标识U16决定，地面活动状况U12由三级因素车辆活动U121、农业活动U122、建筑活动U123、动物活动U124决定。

(二)确定指标权重

2.1一级指标权重的确定

根据层次分析方法的步骤将一级因素进行两两比较权重，即第三方破坏、腐蚀、设计和误操作这四个因素分别进行两两比较以获取每一个因素的相对重要性，得到表1所示一级指标的判断矩阵(即为权利要求中所述的风险因素矩阵)，经过一致性比率的验证后获取了一级因素的权重矩阵。

表1一级指标的判断矩阵

	U1第三方破坏	U2腐蚀	U3设计	U4误操作
					U1第三方破坏	1	1/3	4	5
U2腐蚀	3	1	5	7
					U3设计	1/4	1/5	1	2
U4误操作	1/5	1/7	1/2	1

*随机一致性比率C.R.＝0.0401<0.1，满足一致性要求。

因此，一级指标权重为：A_U＝[0.2811,0.56,0.0984,0.0605]

2.2二级指标权重的确定

与一级指标权重确定方法类似，基于专家对相关因素的两两比较，获得判断矩阵，再计算相应的权重，获得所有二级指标的权重。二级因素的权重比，如表2～表5所示。

表2“第三方破坏”的下一级因素指标的判断矩阵

*随机一致性比率C.R.＝0.0377<0.1，满足一致性要求。

表3“腐蚀因素”的下一级因素指标的判断矩阵

腐蚀因素	内腐蚀	外腐蚀	Wi
				内腐蚀	1	5	0.8333
外腐蚀	1/5	1	0.1667

*随机一致性比率C.R.＝0<0.1，满足一致性要求。

表4“设计因素”的下一级因素指标的判断矩阵

*随机一致性比率C.R.＝0.0584<0.1，满足一致性要求。

表5“误操作因素”的下一级因素指标的判断矩阵

*随机一致性比率C.R.＝0.0222<0.1，满足一致性要求。

综上，各二级指标权重如下：

A_U1＝[0.3988,0.2569,0.1587,0.0715,0.0797,0.0345]

A_U2＝[0.8333,0.1667]

A_U3＝[0.3295,0.1292,0.1292,0.3697,0.0425]

A_U4＝[0.153,0.2395,0.5215,0.086]

2.3三级指标权重的确定

与一级、二级指标权重确定方法类似，基于专家对相关因素的两两比较，获得判断矩阵，再计算相应的权重，获得所有三级指标的权重。部分三级因素的权重比见表6～表9所示。

表6“地面活动状况”的下一级因素指标的判断矩阵

地面活动状况	车辆活动	农业活动	建筑活动	动物活动	Wi
						车辆活动	1	2	1/4	3	0.1973
农业活动	1/2	1	1/5	2	0.1192
						建筑活动	4	5	1	7	0.6134
动物活动	1/3	1/2	1/7	1	0.07

*随机一致性比率C.R.＝0.017<0.1，满足一致性要求。

表7“外腐蚀”的下一级因素指标的判断矩阵

*随机一致性比率C.R.＝0.019<0.1，满足一致性要求。

表8“疲劳因素”的下一级因素指标的判断矩阵

疲劳因素	应力变化	交变循环	Wi
				应力变化	1	1	0.5
交变循环	1	1	0.5

*随机一致性比率C.R.＝0<0.1，满足一致性要求。

表9“施工误操作”的下一级因素指标的判断矩阵

*随机一致性比率C.R.＝0.0081<0.1，满足一致性要求。

综上，三级指标权重如下：

A_U12＝[0.1973,0.1192,0.6134,0.07]

A_U13＝[0.2341,0.1075,0.6058,0.0526]

A_U14＝[0.25,0.25,0.5]

A_U21＝[0.1666,0.068,0.4852,0.2802]

A_U22＝[0.3406,0.1366,0.2029,0.0503,0.0818,0.1289,0.0589]

A_U33＝[0.5,0.5]

A_U35＝[0.5,0.5]

A_U41＝[0.5396,0.297,0.1634]

A_U42＝[0.4135,0.1531,0.0879,0.0879,0.2576]

A_U43＝[0.1247,0.0743,0.0743,0.3397,0.387]

A_U44＝[0.8,0.2]

(三)模糊综合评价

采用专家调查法给出每个因素相对于不同评语等级的隶属度，即请专家对每个风险因素的风险性以“很高、高、中等、低、很低”进行评价。各风险等级取值如表10所示。

表10管道风险等级表

风险等级	很高	高	中等	低	很低
						风险值	321～400	241～320	161～240	81～160	＜80

3.1对二级指标进行模糊综合评价

选取部分专家打分评价情况进行举例说明。

(1)地面活动

地面活动状况由车辆活动、农业活动、建筑活动和动物活动等四个因素组成。所以，针对这四个因素的发生的概率，分别进行专家打分，如表11～表14所示。

表11车辆活动发生概率的专家打分

表12农业活动发生概率的专家打分

表13建筑活动发生概率的专家打分

表14动物活动发生概率的专家打分

经过计算相应的隶属度，最后得到地面活动状况的二级单因素风险评判结果为：

$\begin{array}{c}{B}_{U12}=A_{U12}\&CenterDot;R_{U12}=\left[\begin{array}{cccc}0.1973& 0.1192& 0.6134& 0.07\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0& 0.5& 0.5\\ 0& 0& 0& 0.25& 0.75\\ 0& 0.25& 0.75& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0.25& 0.75\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.1533& 0.4600& 0.1460& 0.2405\end{array}\right]\end{array}$

根据最大隶属度原理，可以看到，B_U12中0.46是最大值，对应的评价语言是“中等”，也就是说，对于本案例中的管线，“地面活动状况”这一评价指标的评语是“中等”。

(2)内腐蚀

内腐蚀发生风险是由油气成分、环境温度、应力腐蚀三个因素决定的。所以，针对这三个因素的发生的概率，分别进行专家打分，如表15～表18所示。

表15油气成分发生概率的专家打分

表16环境温度发生概率的专家打分

表17应力腐蚀发生概率的专家打分

表18冲刷发生概率的专家打分

因此，内腐蚀的二级单因素风险评判结果为：

$\begin{array}{c}{B}_{U21}=A_{U21}\&CenterDot;R_{U21}=\left[\begin{array}{cccc}0.1666& 0.068& 0.4852& 0.2802\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0.25& 0.75& 0& 0& 0\\ 0& 0.5& 0.5& 0& 0\\ 0.75& 0.25& 0& 0& 0\\ 0& 0.25& 0.25& 0.5& 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0.4056& 0.3503& 0.1041& 0.1401& 0\end{array}\right]\end{array}$

根据最大隶属度原理，可以看到，B_U21中0.4056是最大值，对应的评价语言是“很高”，也就是说，对于本案例中的管线，“内腐蚀”这一评价指标的评语是“很高”。

(3)疲劳因素

疲劳因素的失效风险由下面因素决定，这些因素的专家打分如表19～表20所示。

表19应力变化的专家打分

表20交变循环的专家打分

因此，疲劳因素的二级单因素风险评判结果为：

$\begin{array}{c}{B}_{U33}=A_{U33}\&CenterDot;R_{U33}=\left[\begin{array}{cc}0.5& 0.5\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0.25& 0.75& 0\\ 0& 0& 0& 0.75& 0.25\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0.125& 0.75& 0.125\end{array}\right]\end{array}$

根据最大隶属度原理，可以看到，B_U33中0.75是最大值，对应的评价语言是“很低”，也就是说，对于本案例中的管线，“疲劳因素”这一评价指标的评语是“很低”。

(4)施工误操作

施工误操作的失效风险由以下因素决定，其专家打分，如表21～表25所示。

表21焊接质量的专家打分

表22管理措施的专家打分

表23施工监督的专家打分

表24施工验收的专家打分

表25施工人员水平的专家打分

因此，施工误操作的二级单因素风险评判结果为：

$\begin{array}{c}{B}_{U42}=A_{U42}\&CenterDot;R_{U42}=\left[\begin{array}{ccccc}0.4135& 0.1531& 0.0879& 0.0879& 0.2576\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.5& 0.5& 0& 0\\ 0& 0.25& 0.75& 0& 0\\ 0& 0& 0.5& 0.5& 0\\ 0& 0& 0.25& 0.75& 0\\ 0& 0& 0.25& 0.75& 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.245& 0.4519& 0.3031& 0\end{array}\right]\end{array}$

根据最大隶属度原理，可以看到，B_U42中0.4519是最大值，对应的评价语言是“中等”，也就是说，对于本案例中的管线，“施工误操作”这一评价指标的评语是“中等”。

3.2对一级指标进行模糊综合评价

(1)第三方破坏因素

$\begin{array}{c}{B}_{U1}=A_{U1}\&CenterDot;R_{U1}\\ =\left[\begin{array}{cccccc}0.3988& 0.2569& 0.1587& 0.0715& 0.0797& 0.0345\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0.75& 0.25& 0\\ 0& 0.1533& 0.46& 0.146& 0.2405\\ 0& 0.3029& 0.3161& 0.0848& 0.2962\\ 0& 0.1875& 0.875& 0.1875& 0\\ 0& 0.25& 0.75& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0.25& 0.75\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.2108& 0.5898& 0.1727& 0.1347\end{array}\right]\end{array}$

(2)腐蚀因素

$\begin{array}{c}{B}_{U2}=A_{U2}\&CenterDot;R_{U2}=\left[\begin{array}{cc}0.8333& 0.1667\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0.4056& 0.3503& 0.1041& 0.1401& 0\\ 0.083& 0.247& 0.3417& 0.3286& 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0.3518& 0.3331& 0.1437& 0.1715& 0\end{array}\right]\end{array}$

(3)设计因素

$\begin{array}{c}{B}_{U3}=A_{U3}\&CenterDot;R_{U3}=\left[\begin{array}{ccccc}0.3295& 0.1292& 0.1292& 0.3697& 0.0425\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0& 0.25& 0.75\\ 0& 0.25& 0.75& 0& 0\\ 0& 0& 0.125& 0.75& 0.125\\ 0& 0& 0& 0.5& 0.5\\ 0& 0& 0& 0.625& 0.375\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.0323& 0.1131& 0.3907& 0.4641\end{array}\right]\end{array}$

(4)误操作因素

$\begin{array}{c}{B}_{U4}=A_{U4}\&CenterDot;R_{U4}=\left[\begin{array}{cccc}0.153& 0.2395& 0.5215& 0.086\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0.1151& 0.6151& 0.2698\\ 0& 0.245& 0.4519& 0.3031& 0\\ 0& 0& 0.3701& 0.5118& 0.1181\\ 0& 0& 0.3& 0.5& 0.2\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccccc}0& 0.0587& 0.3446& 0.4766& 0.1201\end{array}\right]\end{array}$

3.3对失效风险U(总目标)进行模糊综合评价

根据管道风险等级表所示的管道风险等级表，用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值：

$\begin{array}{c}H=\frac{1}{2}[\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i(D_{i\left(\max \right)}-b_i)+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i(D_{i\left(\min \right)}-b_i)]\\ =1/2\&times;[0.197\&times;(400-0.197)+0.2272\&times;(320-0.2272)+0.2782\&times;(240-0.2782)+0.2119\&times;(\\ 160-0.2119)+0.0908\&times;(80-0.0908)+0.197\&times;(321-0.197)+0.2272\&times;(241-0.2272)+0.2782\&times;(\end{array}$

$161-0.2782)+0.2119\&times;(81-0.2119)+0.0908\&times;(0-0.0908)]=250.2962$

因此，该段管道的失效风险为“高”。

埋地管道的相对风险

对于该段管道：

介质危害性分值＝当时性危害分值+长期性危害分值

＝燃烧性(N_f)分值+反应性(N_r)分值+有毒性(N_h)分值+长期性危害分值

＝4+1+0+2＝7；

泄漏扩散分值＝4；

人口密度分值＝2

泄漏影响系数＝7/(4/2)＝3.5

相对风险值＝250.2962/3.5＝71.43。

泄漏影响系数评分标准如表26所示：

表26泄漏影响系数评分标准

计算求得的相对风险值越大则表示其泄漏后造成的环境风险越低，相对风险值越小则表示环境风险越高。

这说明，该段管道出现泄漏事故并对周围造成破坏的可能性很大。这主要是由于该段管道所处区域是一个经济较为发达的区域，人员活动频率高，管道占压现象较严重，外力对管线产生的破坏概率较大。并且该管道铺设年代较早，所受腐蚀作用很强，因此，对于该段管道应及时采取可靠的安全措施和维护措施，以确保周围区域的居民安全。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：在肯特法中的事故因子求指数和的过程中引入层次分析法和模糊数学理论，综合评估事故因子的指标权重，从而更加真实的反应管道实际的风险情况。

Claims (5)

1.利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，其特征在于：

根据管道的工程资料确定因素集，所述因素集包括：致使管道失效风险的一级因素指标、决定一级因素指标的次级因素指标；

采用层次分析法确定各级因素指标权重矩阵；

采用模糊综合评价法得到单因素风险评价结果；

采用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值，结合泄漏影响系数计算相对风险值。

2.根据权利要求1所述的利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，其特征在于，所述采用层次分析法确定各级因素指标权重矩阵的方法为：对同一级风险因素指标进行两两比较以获取每一因素指标在该级因素指标中的相对重要性，进而获取风险因素矩阵，对风险因素矩阵进行一致性比率验证后求得该级因素指标权重矩阵。

3.根据权利要求2所述的利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，其特征在于，所述采用模糊综合评价法得到单因素风险评价结果的方法为：由专家调查结果获取单因素导致管道失效的风险概率矩阵，对因素指标权重矩阵、风险概率矩阵进行乘法运算，以运算结果隶属度最大者对应的风险等级作为单因素风险评价结果。

4.根据权利要求3所述的利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，其特征在于，所述采用隶属度模糊中值原则求相对状态特征值H的表达式为：

$H=\frac{1}{2}[\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i(D_{i\left(\max \right)}-b_i)+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i(D_{i\left(\min \right)}-b_i)],$ 其中，

k为风险等级数目，b_i为各风险等级对应的单因素风险评价结果，D_i(max)、D_i(min)分别为风险等级i取值的最大值、最小值。

5.根据权利要求4所述的利用改进肯特法评估埋地管道风险的方法，其特征在于，所述结合泄漏影响系数计算相对风险值的方法为：以相对状态特征值与泄漏影响系数的比值为相对风险值，所述泄漏影响系数为介质危害性分值与扩散系数的比值，所述介质危害性分值为燃烧性分值、反应性分值、有毒性分值、长期性危害分值之和，所述扩散系数为泄漏扩散分值与人口密度分值的比值。