廢棄海底管道拆除安全性指標(biāo)體系構(gòu)建與模糊評價*

鄭亞男，鄭西來**，高增文，張玉香

（中國海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266071）

海底管線是海洋石油平臺的重要組成部分。按照相關(guān)的法律和法規(guī)，在海底管道可能對海洋環(huán)境和海洋工程造成影響的情況下，必須對其進(jìn)行拆除和回收。隨著海上石油平臺的退役，海底管道的處置對海洋環(huán)境及海洋開發(fā)利用的影響越來越大，已經(jīng)成為倍受關(guān)注的海洋環(huán)境問題，所以廢棄石油平臺海底管道拆除安全性分級與模糊評價具有科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

早在二十世紀(jì)中后期，美國和歐洲相關(guān)國家就開始海上石油平臺及海底管道拆除工作［1］。中國對海上平臺及其海底管線的拆除起步較晚，目前僅對少量小型淺海石油平臺及其管道進(jìn)行了拆除。一些學(xué)者從拆除方法和實(shí)施方案等方面對海底管道拆除進(jìn)行了研究。Ekins對海洋工程結(jié)構(gòu)的拆除工藝與方法進(jìn)行分析［2］；張?zhí)ズ椭茔撼蟹治隽撕５坠芫€拆除、回收的方法［3］；趙波等人對海底管道的不同棄置方案進(jìn)行了全面分析［4］。但是，目前缺少對廢棄海底管道拆除和回收安全性的評價研究。

海底管道分布區(qū)域廣、相互牽連，且管道中會殘留石油污染物［3］。在廢棄平臺拆除的過程中，海底管道的拆除涉及不同的工種、人員以及不同作業(yè)之間的配合、協(xié)調(diào)，每個環(huán)節(jié)的安全都十分重要。每個階段的工藝機(jī)械設(shè)備作業(yè)環(huán)境、工人技術(shù)水平及安全意識等因素都會影響到作業(yè)和環(huán)境的安全性，事先做好安全等級評價和可靠性分析等工作尤為重要。

由于海上工程涉及到大量的復(fù)雜現(xiàn)象和多種風(fēng)險因素的相互作用，因此可以采用模糊數(shù)學(xué)的方法對其安全性進(jìn)行定量評價。本文以埕島油田某海上退役油區(qū)為研究區(qū)，在現(xiàn)場調(diào)查和專家打分的基礎(chǔ)上，對海底管道拆除和回收的安全性進(jìn)行系統(tǒng)分級，并采用層次分析法來確定各指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，以降低權(quán)重確定中主觀因素的影響；同時，采用加權(quán)平均的方法對模糊綜合評價結(jié)果進(jìn)行分析，從而提高評判結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

埕島油田地處黃河三角洲東北部渤海海域，平均水深1.5～20m，屬渤海灣南部的極淺海海域。該海區(qū)原為黃河入?？?，自1855年以來，黃河口在這一帶曾多次轉(zhuǎn)移改道，經(jīng)歷了海侵與海退和黃河三角洲進(jìn)積與蝕退的交替反復(fù)過程，灘海淺地層三維結(jié)構(gòu)十分紊亂，地形復(fù)雜，是世界上海洋工程環(huán)境最復(fù)雜的區(qū)域之一［5］。本文的研究區(qū)位于埕島油田退役油區(qū)，具體位置見圖1。

該海域冬季主要受寒潮、冷空氣（未達(dá)寒潮標(biāo)準(zhǔn)者）影響，冬季極端最低氣溫達(dá)到－18℃，平整冰設(shè)計(jì)厚度45cm；春、秋季節(jié)主要為氣旋或氣旋引導(dǎo)冷空氣影響，其海洋天氣現(xiàn)象主要為降水、大風(fēng)、大浪和風(fēng)暴潮；夏季主要為氣旋或臺風(fēng)影響，海洋天氣現(xiàn)象主要為雷暴、降水、大風(fēng)、大浪，尤其是臺風(fēng)影響時的大風(fēng)、大浪和風(fēng)暴潮。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical position of the study area in the Chengdao oil field

研究區(qū)水文特征主要體現(xiàn)為：潮差很小，極易受風(fēng)暴增、減水影響。當(dāng)強(qiáng)天氣系統(tǒng)影響時，風(fēng)暴增、減水效應(yīng)可將天文潮規(guī)律打亂，致使潮汐出現(xiàn)高、低潮時大幅度延時或顛倒。另外，由于該海區(qū)位于半封閉的渤海南部，受渤?？陂T諸島的屏蔽作用，外海大浪不易侵入，海區(qū)表層流速最大達(dá)到1.53m/s，底層流速最大1.3m/s。

1.2 工程概況

到2005年底，埕島油田已建成平臺95座，海底輸油管道77條，海底輸氣管道1條，海底注水管道43條，海底電纜95條。由于分期開發(fā)及井口分散，使得海底管道、電纜星羅棋布，布置十分復(fù)雜，特別是中心平臺及樞紐衛(wèi)星平臺周邊區(qū)域，有的平臺周圍海底管道、電纜達(dá)到20條之多［6］。

研究區(qū)內(nèi)有海底管道約1 800m，管道埋深為全程管頂埋深1.5m，回填為自然回淤回填。海底輸油管道采用雙壁管保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)管Φ325×14API X56級無縫鋼管，外管Φ426×14API X56級無縫鋼管。內(nèi)外管之間為泡沫黃夾克保溫材料，并且每隔一定距離設(shè)置錨固件將其連接成1個整體，使內(nèi)外管共同受力；外管采用環(huán)氧富鋅底漆結(jié)合厚漿環(huán)氧煤瀝青面漆（纏玻璃布2層）進(jìn)行防腐，內(nèi)管外壁采用環(huán)氧富鋅底漆，內(nèi)壁采用柔性環(huán)氧陶瓷涂料進(jìn)行防腐；陰極保護(hù)采用FFAL-Z-14鐲狀鋁陽極進(jìn)行。

由于埕島油田特殊的地理位置、氣象和水文條件、復(fù)雜的管網(wǎng)布置，以及海上工程較高的設(shè)備及技術(shù)要求，給海底管道拆除工程的作業(yè)安全和環(huán)境安全帶來較大隱患及風(fēng)險。

2 安全性指標(biāo)體系的建立

2.1 評價等級集合的建立

為了評定海底管道拆除工程系統(tǒng)的安全狀況，根據(jù)多層次模糊評價原理，首先需要確定評判的等級（標(biāo)準(zhǔn)）集合V，即j個評價等級的集合，V＝｛v1，v2，…，vj｝，其中1個等級vj對應(yīng)1個模糊子集。一般情況下，評價等級數(shù)j取3～7中的整數(shù)［7］。本文利用語義學(xué)標(biāo)度將海底管道拆除的安全性分為5個評價等級，分別為：很不安全、較不安全、臨界安全、較安全、很安全，即：

V＝［很不安全、較不安全、臨界安全、較安全、很安全］。

為了最終的定量評定，需要對主觀的語義學(xué)評價標(biāo)度進(jìn)行量化。按照模糊評價法的基本原則，由于各指標(biāo)權(quán)重的影響，最終評價結(jié)果的取值應(yīng)屬于某一區(qū)間范圍［8］。因此，本文采用各評價等級的邊界值作為最終評價定級取值的分界點(diǎn)，將其劃分為5個取值區(qū)間［9］，評價的定量標(biāo)準(zhǔn)及分級見表1。

表1 安全性分級及其定量標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Safety grade and quantitative criterion

2.2 多層次評價指標(biāo)模型的構(gòu)建

建立評價對象的因素集合U，即m個評價指標(biāo)的集合，U＝｛u1，u2，…，um｝。評價指標(biāo)的選取要滿足評價對象的完備性、獨(dú)立性、可行性、通用性4個基本原則。

在大量現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢的基礎(chǔ)上，作者針對不同階段的施工特點(diǎn)，將海底管道拆除施工過程分為4個階段：前期準(zhǔn)備、清洗作業(yè)、拆除作業(yè)、運(yùn)輸及監(jiān)測［10］，并根據(jù)各階段的技術(shù)要求，將該過程進(jìn)一步細(xì)分為11個步驟。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢，將各個步驟的安全性影響因素劃分為第一級因子和第二級因子（見表2）。

通過對選取的評價因子進(jìn)行綜合、歸納，可以利用層次分析法原理建立了二級模糊評價的指標(biāo)體系（見表3）。

表2 海底管道拆除步驟與安全性影響因子劃分Table 2 Removal steps and safety impact factors division

3 模糊綜合評價步驟

3.1 評價因子權(quán)向量的確定

各指標(biāo)權(quán)重的分配是模糊評價模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前有關(guān)權(quán)重確定的方法很多，大體可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。其中，主觀賦權(quán)法是根據(jù)主觀上對各評價指標(biāo)的重視程度確定權(quán)重的一種方法，如德爾菲法、二項(xiàng)系數(shù)法、層次分析法等，主觀賦權(quán)法基本反映了決策者的主觀意向，但受主觀因素影響較大；客觀賦權(quán)法主要包括主成分分析法、熵權(quán)法、方差加權(quán)法等，客觀賦權(quán)法運(yùn)用數(shù)學(xué)原理和模型對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，但忽略了決策者對各個不同指標(biāo)的重視程度，也無法全面體現(xiàn)各指標(biāo)的本質(zhì)差異和實(shí)際情Z況［11］。

表3 海底管道拆除安全性評價指標(biāo)體系Table 3 Safety evaluation index system of offshore pipelines removal

海底管道拆除的安全性評價涉及大量的復(fù)雜因素，各因素既有本質(zhì)區(qū)別，又相互關(guān)聯(lián)。層次分析法是在對復(fù)雜問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程客觀量化［12］。該方法能夠滿足海底管道拆除的安全性評價的目的和要求。因此，本研究采用層次分析法（AHP）來確定評價指標(biāo)間的相對重要性次序，從而確定權(quán)系數(shù)。采用1～9的整數(shù)及其倒數(shù)的標(biāo)度方法構(gòu)造判斷矩陣S＝（uij）p×p，并計(jì)算出判斷矩陣的特征向量A與最大特征根λmax，并且在合成之前進(jìn)行歸一化。

為進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，需計(jì)算一致性指標(biāo)CI，計(jì)算公式如下：

對這些CI值平均即得到平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。CI與RI的比值即為隨機(jī)一致性比率CR：

當(dāng)CR＜0.10時，認(rèn)為層次分析排序的結(jié)果有滿意的一致性，即權(quán)系數(shù)的分配是合理的，從而確定評價因素的權(quán)向量；否則，要調(diào)整判斷矩陣中各元素取值，重新分配權(quán)值。

式中：ai為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重。

3.2 模糊關(guān)系矩陣的建立

通過對海底管道拆除工程從每個評價因素ui上進(jìn)行量化，即確定從單因素來看其對評價等級模糊子集的隸屬度（R｜ui），進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣：

式中：rij為第i個評價指標(biāo)隸屬于vj等級的隸屬度。

3.3 評價結(jié)果向量的計(jì)算

利用合適的算子將評價因素的權(quán)向量與各被評事物的模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行合成，得到各被評事物的模糊綜合評價結(jié)果向量B，即：

式中：bj為A與R的第j列運(yùn)算得到，表示被評指標(biāo)從整體上看對vj等級模糊子集的隸屬程度。

3.4 安全性等級的確定

通常，采用最大隸屬度原則對模糊綜合評價結(jié)果向量進(jìn)行分析，從而確定隸屬等級。但在某些情況下，最大隸屬度原則會造成信息損失，進(jìn)而導(dǎo)致不合理的評價結(jié)果（即模型失效）。因此，本文采用加權(quán)平均的方法來確定海底管道拆除的安全性隸屬等級B′：

式中：bj為被評指標(biāo)對評價等級vj的隸屬程度；j為評價等級數(shù)。

最后，將所得的B′轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的安全評價分值，即：

4 安全性模糊綜合評價的應(yīng)用

4.1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)采集

由于海底石油管道拆除具有很強(qiáng)的專業(yè)性，本文系統(tǒng)收集研究區(qū)海底輸油管道的設(shè)計(jì)圖紙、檢測及維修資料等，并對具有豐富海底管道拆除經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行問卷調(diào)查，采用專家打分的方式收集反饋信息，作為安全評價體系的原始數(shù)據(jù)。

4.2 一級指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

4.2.1 結(jié)構(gòu)判斷矩陣的構(gòu)造 采用層次分析法對四個一級指標(biāo)（原始資料完備性u1，自然環(huán)境u2，技術(shù)方案與設(shè)備選擇u3，管道的情況u4）進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。根據(jù)10位具有中級以上職稱的專家（管道工程2人、海洋環(huán)境1人、海洋動力1人、海上工程施工2人、海上工程設(shè)計(jì)2人、安全管理2人）對各指標(biāo)重要性的評價與排序，采用Saaty提出的1～9的整數(shù)及其倒數(shù)的標(biāo)度方法（見表4）對各評價指標(biāo)的相對重要程度進(jìn)行定量化［13］。

表4 相對比較標(biāo)度Table 4 Relative comparing altitude

通過對各指標(biāo)的重要性進(jìn)行成對比較，按照表4所示的賦值標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造出4×4的判斷矩陣S＝（uij）p×p。

4.2.2 權(quán)向量的確定

按方根法求特征向量

各M的4次方根為：

由于∑β≠1，應(yīng)將β歸一化，得向量：

一致性檢驗(yàn)

（1）求最大特征值λmax

（2）一致性指標(biāo)計(jì)算

（3）一致性比例計(jì)算

由表5可以得到矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI＝0.89。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 5 Mean random consistency index

4.3 二級指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

采用層次分析的方法，構(gòu)造各個二級指標(biāo)的判斷矩陣，并求出各個二級指標(biāo)權(quán)重。通過一致性檢驗(yàn)后，可以得出4個一級指標(biāo)中各個二級指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。

那么，原始資料情況的3個二級指標(biāo)的權(quán)向量為：A1＝（0.540，0.163，0.297）；自然環(huán)境的4個二級指標(biāo)的權(quán)向量為：A2＝（0.46，0.274，0.124，0.142）；技術(shù)方案與設(shè)備選擇的4個二級指標(biāo)的權(quán)向量為：A3＝（0.398，0.214，0.265，0.123）；管道狀況的4個二級指標(biāo)的權(quán)向量為：A4＝（0.328，0.081，0.113，0.478）。

4.4 一級指標(biāo)綜合評價向量的確定

本文采用多維量表法確定模糊關(guān)系矩陣R。評價指標(biāo)與各評價等級的相關(guān)程度rij的取值范圍為0～1之間，根據(jù)李美求等［9］對廢棄樁基平臺拆除安全性評價等級相關(guān)程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以將海底管道拆除的評價等級相關(guān)程度劃分為完全相關(guān)（1.00）、較相關(guān)（1，0.75］、一般相關(guān)（0.75，0.50］、較不相關(guān)（0.50，0.25］、零相關(guān)（0.0）。以“技術(shù)方案與設(shè)備選擇”一級指標(biāo)為例，評價結(jié)果向量的計(jì)算過程如下：

首先，運(yùn)用德爾菲法對10位專家的評價進(jìn)行匯總、反饋和歸納，檢驗(yàn)專家意見的集中程度和協(xié)調(diào)程度，從而得出各指標(biāo)對應(yīng)的安全等級。根據(jù)以上相關(guān)程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定“技術(shù)方案與設(shè)備選擇”指標(biāo)的模糊矩陣R3（見表6）。

表6 二級評價指標(biāo)與評價等級相關(guān)程度分析結(jié)果Table 6 Correlation degree between evaluation grade and second index

由此，可得技術(shù)方案與設(shè)備選擇一級指標(biāo)的評價結(jié)果向量B3：

同理，可以得出“原始資料完備性”指標(biāo)的評價結(jié)果向量B1＝（0.058 15，0.108 15，0.281 15，0.812 15，0.877 00）；“自然環(huán)境”指標(biāo)的評價結(jié)果向量B2＝（0.104 50，0.250 70，0.381 10，0.613 90，0.648 30）；“管道狀況”指標(biāo)的評價向量B4＝（0.870 10，0.768 80，0.250 35，0.130 15，0.074 50）。

由B1，B2，B3，B4組成一級指標(biāo)的綜合評價模糊矩陣R0，即：

最后，綜合評價結(jié)果向量B0：

4.5 項(xiàng)目安全評價等級的劃分

根據(jù)加權(quán)平均原則，將“原始資料完備性”指標(biāo)的評價結(jié)果向量B1代入式（6），確定評價等級B′1：

可以計(jì)算得到原始資料完備程度一級指標(biāo)的安全評價分值為0.819。

同理，可以計(jì)算出“自然環(huán)境”指標(biāo)的安全評價分值為0.745，“技術(shù)方案與設(shè)備選擇”指標(biāo)安全評價分值為0.453，“管道狀況”指標(biāo)的安全評價分值為0.387。

最后可以得到，該海底石油管道拆除施工的整體安全性等級為：

由式（7）可得，海底石油管道拆除工程的整體安全評價分值為0.530。由表1中的安全分級定量標(biāo)準(zhǔn)可知，海底石油管道拆除工程的整體安全等級為臨界安全。

在各一級指標(biāo)的評價等級中，原始資料完備程度的評價等級最高，屬于很安全，說明研究區(qū)海底石油管道拆除施工所需要的相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙、檢測報(bào)告等原始資料很完整、充分，這對拆除作業(yè)的安全施工非常有利；自然環(huán)境的安全等級為較安全，說明某海底石油管道拆除施工過程中自然環(huán)境狀況良好，較為適于海上作業(yè)。而管道狀況指標(biāo)的安全評價等級最低，表明海底管道的管道的長度較長、管道材質(zhì)和管徑等情況給切割吊裝等作業(yè)增加了危險系數(shù)，對拆除工程的作業(yè)安全產(chǎn)生的影響最大，對其應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

這一評價結(jié)果與研究區(qū)海底管道拆除工程的實(shí)際情況比較吻合，說明海底管道拆除安全性的模糊綜合評價可以減少常規(guī)評價過程中的主觀性，評價結(jié)果能很好地體現(xiàn)海底管道的實(shí)際情況，對海底管道拆除的安全實(shí)施具有重要的應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本文根據(jù)具體海底石油管道拆除案例構(gòu)建了海底石油管道拆除工程安全性的多層次評價指標(biāo)體系和模糊評價模型。通過對具體工程案例進(jìn)行安全性模糊評價，得到結(jié)論如下：

（1）根據(jù)大量現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢，將海底管道拆除過程的4個主要階段進(jìn)一步細(xì)分為11個步驟，得出每個拆除步驟的安全性影響因子，從而首次建立了海底管道拆除安全評價的指標(biāo)體系。

（2）各級安全性指標(biāo)的模糊評價結(jié)果表明，海底管道拆除的技術(shù)方案與設(shè)備選擇和管道狀況對拆除安全產(chǎn)生的影響最大，安全級數(shù)分別為0.453和0.387，具有較高的危險隱患，需要加強(qiáng)安全管理。

（3）通過海底管道拆除安全性的綜合評價和分析，得出該海底石油管道拆除工程的整體系統(tǒng)安全級數(shù)為臨界安全，需要對安全級數(shù)低的高危環(huán)節(jié)加強(qiáng)安全監(jiān)測和重點(diǎn)防范。

［1］郝靜輝，楊樹耕.海上石油平臺拆除技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國港灣建設(shè)，2004（4）：51-53.

［2］Paul Ekins，Robin Vanner，etc.Decommissioning of Offshore Oil and Gas Facilities：A Comparative Assessment of Different Scenarios［J］.Journal of Environmental Management，2006（79）：420-438.

［3］張?zhí)?，周愫?海底管線拆除、回收的方法研究［J］.中國造船，2002，43（S）：225-231.

［4］趙波，佟光軍，于莉.海底管道棄置處理方案［J］.石油工程建設(shè)，2011，37（S）：77-80.

［5］張衛(wèi)明，梁瑞才，牟曉東，等.埕島油田海域海底沉積特征與工程地質(zhì)特性［J］.海洋科學(xué)進(jìn)展，2005，23（3）：305-312.

［6］劉錦昆，閆相禎.埕島油田海底管道建設(shè)安全問題的思考［J］.石油工程建設(shè)，2009，35（S）：83-87.

［7］楊綸標(biāo).模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000：67-8.

［8］胡永宏，賀恩輝.綜合評價方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2000：167-188.

［9］李美求，段夢蘭，黃一.基于模糊綜合評價法的廢棄樁基平臺拆除安全性評價［J］.船海工程，2009，38（5）：146-148.

［10］The Nealth and Safety Executive.The Abandonment of Offshore Pipelines-Methods and Procedures for Abandonment［R］.London：John Brown Engineers and Constructors LTD，1997.

［11］董勝，紀(jì)巧玲，桑松，等.港口工程建設(shè)項(xiàng)目比選的交互式多目標(biāo)決策分析［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40（7）：145-148.

［12］山成菊，董增川，樊孔明，等.組合賦權(quán)法在河流健康評價權(quán)重計(jì)算中的應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（6）：622-628.

［13］Saaty T L.The Analytic Hierarchy Process［M］.New York：McGraw Hill，1980.