海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析*

孟祥坤，陳國(guó)明，朱紅衛(wèi)

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

數(shù)字出版日期： 2017-04-20

0　引言

隨著我國(guó)油氣資源開(kāi)采戰(zhàn)略重心由陸地向海洋的轉(zhuǎn)移，海底管道投用量逐年增加[1]。海底管道所處海洋環(huán)境惡劣，除承受著復(fù)雜的工作載荷外，還承受各種確定與非確定性的環(huán)境載荷和意外風(fēng)險(xiǎn)載荷，管道泄漏及其引發(fā)的連鎖事故屢見(jiàn)不鮮[2]。海底管道一旦發(fā)生泄漏事故，不僅會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，開(kāi)展海底管道事故的影響因素分析及其演化過(guò)程研究對(duì)事故預(yù)防具有重要工程意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)海底管道的泄漏事故主要集中在其影響因素分析[3-4]、數(shù)值模擬[5-6]和擴(kuò)散預(yù)測(cè)評(píng)估[7]等方面，對(duì)于泄漏事故的演化方面研究較少。傳統(tǒng)的安全分析方法無(wú)法從系統(tǒng)角度解釋事故演化的內(nèi)在機(jī)制，而復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型[8]為泄漏事故的系統(tǒng)性演化分析提供了理論依據(jù)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論提出以后，由于其將系統(tǒng)的復(fù)雜性與網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合在一起，契合復(fù)雜系統(tǒng)事故演化的特點(diǎn)[9]，在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害演化[8]、交通網(wǎng)絡(luò)[10-11]、電力系統(tǒng)[12]等具有時(shí)間相關(guān)性和功能相關(guān)性的復(fù)雜系統(tǒng)安全分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析造成風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)因素節(jié)點(diǎn)，揭示風(fēng)險(xiǎn)演化的內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)提出相應(yīng)的控制措施。

鑒于此，針對(duì)海底管道系統(tǒng)泄漏事故的特征，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化網(wǎng)絡(luò)模型，采用無(wú)權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)出入度和聚類系數(shù)，以及帶權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑等參數(shù)對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行分析，以期為海底管道泄漏事故的預(yù)防提供參考。

1　海底管道泄漏演化模型

1.1　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其應(yīng)用

事故的發(fā)生經(jīng)常是突發(fā)性的，但許多事故也會(huì)表現(xiàn)出多米諾效應(yīng)：初始節(jié)點(diǎn)受到微小擾動(dòng)后，可能觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)中大部分節(jié)點(diǎn)崩潰，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可將分析對(duì)象復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的出入度、聚類系數(shù)和最短路徑等分析風(fēng)險(xiǎn)因素的重要性，確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和路徑，從而得出其斷鏈控制方法。系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的主要表征參數(shù)有以下3項(xiàng)[11]。

1.1.1度

以影響管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)事件為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)度為連接該節(jié)點(diǎn)的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，節(jié)點(diǎn)i的度記為：

(1)

式中：aij為節(jié)點(diǎn)vi與節(jié)點(diǎn)vj之間連接邊的數(shù)目。度越大，則表明該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中越重要。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)中連接邊賦予權(quán)重，得到海底管道系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化路徑對(duì)應(yīng)的加權(quán)圖。

1.1.2系統(tǒng)聚類系數(shù)

許多大規(guī)模的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)具有明顯的聚類效應(yīng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的聚類系數(shù)反應(yīng)了演化結(jié)構(gòu)的集團(tuán)化程度，聚類系數(shù)越大，節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系越緊密。節(jié)點(diǎn)vi的聚類系數(shù)為：

(2)

式中：n為與節(jié)點(diǎn)vi相鄰的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Li為n個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際相連的邊數(shù)。若Ci=0，則該節(jié)點(diǎn)為孤立節(jié)點(diǎn)；若Ci=1，則與該節(jié)點(diǎn)相連的任意節(jié)點(diǎn)相互連接。整個(gè)系統(tǒng)的聚類系數(shù)C為：

(3)

式中：N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，C值越大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中形成短距離聯(lián)系的程度也就越大。

1.1.3最短路徑

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的目的之一是求出引發(fā)結(jié)果事件的最快途徑，即最短路徑。但網(wǎng)絡(luò)連鎖圖不能直接進(jìn)行計(jì)算，需要轉(zhuǎn)換為帶權(quán)的有向圖。轉(zhuǎn)化后，有向圖由節(jié)點(diǎn)和帶權(quán)邊組成，其中，帶權(quán)邊表示網(wǎng)絡(luò)中前一事件導(dǎo)致后續(xù)事件發(fā)生的難易程度。因此，最短路徑計(jì)算的關(guān)鍵在于圖形的變換和權(quán)的設(shè)定，即：

3）枝條冬春季短截能增加成枝力，也能刺激葉芽生長(zhǎng)旺盛而延遲結(jié)果。利用夏季摘心培養(yǎng)結(jié)果枝，一般在新梢長(zhǎng)至10～15 cm時(shí)摘心，摘心部位以下的葉芽有1～2個(gè)萌發(fā)成中、短枝，其余芽則抽生葉叢枝，在營(yíng)養(yǎng)條件較好的情況下，葉叢枝當(dāng)年可以形成花芽。對(duì)于枝量比較好的樹(shù)，盡量采取緩放的辦法及早結(jié)果。

G=(V,E,W)

(4)

式中：V={v1,v2,v3, …,vn}，是各初始事件、傳遞事件和結(jié)果事件的集合；E={e1,e2,e3, …,en}，是節(jié)點(diǎn)事件之間的邊集；W則為邊權(quán)的集合。節(jié)點(diǎn)vi與節(jié)點(diǎn)vj之間的最短路徑長(zhǎng)度稱為結(jié)點(diǎn)間的距離，記作d(i,j)。

1.2　泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)演化連鎖模型

海底管道在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段的風(fēng)險(xiǎn)最終在運(yùn)行過(guò)程中顯現(xiàn)。管道在運(yùn)行過(guò)程中面臨波浪、海流、臺(tái)風(fēng)和地震等破壞力極大的動(dòng)力作用載荷的惡劣環(huán)境，各類載荷時(shí)空變化復(fù)雜，其單獨(dú)或交互作用于海底管道，對(duì)管道的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。管道在服役過(guò)程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要有自然條件風(fēng)險(xiǎn)、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)和人因組織風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1自然條件風(fēng)險(xiǎn)

海底管道自然條件的嚴(yán)峻性和復(fù)雜性表現(xiàn)為浪高、流急、泥沙回淤?gòu)?qiáng)度大、地質(zhì)地基條件軟弱等，造成海底管線懸空、塌陷、移位、沉降，直至發(fā)生疲勞斷裂而發(fā)生泄漏；同時(shí)，地震會(huì)導(dǎo)致管線周圍土體的變形，還將在短時(shí)間內(nèi)使管道周圍流體產(chǎn)生劇烈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)土體和流體運(yùn)動(dòng)間接對(duì)管道產(chǎn)生影響。

1.2.2腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

海底管道的腐蝕主要分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕2種情況。外腐蝕表現(xiàn)為外防腐層破損或剝離、陰極保護(hù)被破壞等情況，土壤、海水、微生物以及雜散電流會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕；內(nèi)腐蝕是由于原油中含二氧化碳、硫化氫等酸性介質(zhì)，這些介質(zhì)直接與管道鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而腐蝕內(nèi)壁。

1.2.3第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)

第三方破壞包含航運(yùn)及漁業(yè)活動(dòng)、墜落物、打孔盜油盜氣等。航運(yùn)過(guò)程中的拋錨、拖錨及漁業(yè)活動(dòng)中的漁網(wǎng)拖拽等可能對(duì)管道刮擦或者鋸切，導(dǎo)致管道水泥保護(hù)層的破壞、管道橫向移動(dòng)等；墜落物主要來(lái)源于過(guò)往或附近作業(yè)船只，損壞裸露或埋深較淺的管道；打孔盜油盜氣造成管道結(jié)構(gòu)缺陷及局部應(yīng)力集中。

1.2.4人因與組織風(fēng)險(xiǎn)

海底管道部分事故與人和組織管理失誤有關(guān)，人因失誤產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，與專業(yè)技能、工作負(fù)荷和交接班制度等相關(guān)，可能導(dǎo)致管道作業(yè)過(guò)程中的誤操作，以及應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)等。

綜合上述風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析，將影響管道泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為30個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)事件，如表1所示。

表1　海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)事件

根據(jù)事件之間的影響關(guān)系與邏輯順序，建立風(fēng)險(xiǎn)因素之間的演化結(jié)構(gòu)模型，有向網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，演化模型共包含30個(gè)節(jié)點(diǎn)和54條邊，分別代表風(fēng)險(xiǎn)事件和演化關(guān)系，并構(gòu)成相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)傳遞鏈，其中，組織管理不善、輸送含酸性介質(zhì)、颶風(fēng)沖擊海洋平臺(tái)和海底地震為初始事件，管道泄漏為末端事件，其余為風(fēng)險(xiǎn)傳遞事件。

圖1　海底油氣管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化連鎖模型Fig.1　Evolutional model of risk for submarine pipeline leakage

2　無(wú)權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)演化分析

2.1　節(jié)點(diǎn)出入度

在海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化網(wǎng)絡(luò)模型中，風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)后續(xù)事件的影響程度取決于其出度，即出度越大，對(duì)后續(xù)事件的綜合影響程度就越大。風(fēng)險(xiǎn)事件的入度代表導(dǎo)致該事件的發(fā)生的路徑個(gè)數(shù)，入度越大，說(shuō)明導(dǎo)致該事件的途徑就越多，控制難度也會(huì)相應(yīng)增加。據(jù)圖1，出度和入度分別指代風(fēng)險(xiǎn)事件的箭頭指出和被指向的總數(shù)，各風(fēng)險(xiǎn)事件的出度和入度如表2所示。

表2　無(wú)權(quán)有向圖分析結(jié)果

由表2知，海底管道泄漏演化過(guò)程中作業(yè)組織不合理、第三方監(jiān)管不善、打孔盜油盜氣、船只拋錨、漁網(wǎng)拖曳、監(jiān)控失效等風(fēng)險(xiǎn)事件的出度比較大，影響范圍較廣；誤操作、管道破裂、管道外部護(hù)層受損、管道移位、配重層受損、等危險(xiǎn)事件的入度相對(duì)較大，導(dǎo)致該事件發(fā)生的途徑較多，且誘發(fā)泄漏的原因也更直接，較難控制和預(yù)防；綜合所有風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，誤操作、管道破裂、管道移位、配重層受損等中間節(jié)點(diǎn)的度均超過(guò)6，說(shuō)明與這些節(jié)點(diǎn)相連的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，即與其他風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響作用大，是影響管道泄漏的重要因素。

據(jù)此，度較高的中間節(jié)點(diǎn)在海底管道全壽命周期應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。從避免發(fā)生和切斷傳遞的斷鏈控制角度，在管道運(yùn)營(yíng)期間合理規(guī)劃工作安排以防止從業(yè)人員工作負(fù)荷過(guò)大、定期開(kāi)展培訓(xùn)教育以提高從業(yè)人員技能以及完善交接班制度等是防止誤操作的重要手段，并建立針對(duì)誤操作的容錯(cuò)機(jī)制；針對(duì)管道移位和配重層受損，在鋪設(shè)階段做好路由選址以避開(kāi)海床活躍區(qū)域和漁業(yè)、航運(yùn)頻繁區(qū)域，在運(yùn)營(yíng)階段加強(qiáng)巡線以避免第三方破壞，在出現(xiàn)移位和受損后及時(shí)做好加固工作；而管道破裂是導(dǎo)致泄漏的最直接也是最嚴(yán)重的因素，需在本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)營(yíng)和報(bào)廢全壽命周期采取技術(shù)和管理綜合手段進(jìn)行預(yù)防和控制。

2.2　聚類系數(shù)

為清晰的表明事件的發(fā)生順序，根據(jù)出入度分析，將所有風(fēng)險(xiǎn)事件分為3級(jí)，入度為零的事件即初始事件為一級(jí)事件，處于模型最頂端的事件即管道泄漏為三級(jí)事件，風(fēng)險(xiǎn)傳遞事件為二級(jí)事件。

據(jù)式(2)，各節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)計(jì)算后如表2所示。其中：一級(jí)事件中，海底地震的聚類系數(shù)為1外，其余事件的聚類系數(shù)均為0，說(shuō)明作為初始節(jié)點(diǎn)，所引發(fā)的下一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事件之間的相互影響較?。欢?jí)事件中，海水沖擊管道、儀表系統(tǒng)失效、監(jiān)控失效和應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)等事件的聚類系數(shù)較高，表明這些事件與其相連接的事件群之間具有密集連接的性質(zhì)，從抑制風(fēng)險(xiǎn)傳遞的角度，增強(qiáng)管道穩(wěn)定性、提高儀表系統(tǒng)可靠性、定時(shí)檢測(cè)維修和提高應(yīng)急響應(yīng)速度是切斷泄漏風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑的有效手段；三級(jí)事件即管道泄漏，聚類系數(shù)為0，表明導(dǎo)致最終后果的直接原因之間聯(lián)系不緊密。

海底管道系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化網(wǎng)絡(luò)的綜合聚類系數(shù)由式(3)計(jì)算為C=0.131，表明在整個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致最終事件的成因復(fù)雜，但是大部分風(fēng)險(xiǎn)事件之間的相互影響并不明顯，而是存在著顯著的傳遞關(guān)系，采取斷鏈控制措施、切斷演化路徑可達(dá)到控制或減緩海底管道泄漏事故發(fā)生的目的。

3　帶權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)演化分析

節(jié)點(diǎn)出入度以及聚類系數(shù)分別分析了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重要程度及聯(lián)系程度，但未考慮上一節(jié)點(diǎn)事件引發(fā)后續(xù)節(jié)點(diǎn)事件的難度程度，即忽略邊權(quán)的影響。在實(shí)際演化過(guò)程中各個(gè)連鎖事件引發(fā)的可能性是不相同的，而帶權(quán)的有向網(wǎng)絡(luò)可以較好的解決這一問(wèn)題。

將圖1演化模型中的邊賦予權(quán)重，轉(zhuǎn)化成帶權(quán)的有向網(wǎng)絡(luò)，參照文獻(xiàn)[13]的權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邊權(quán)E進(jìn)行賦值，以{1, 3, 5, 7, 9, ∞}分別表示前一節(jié)點(diǎn)發(fā)生時(shí)，后一節(jié)點(diǎn){肯定，極可能，可能，不易，極難，不可能}發(fā)生。

根據(jù)Dijkstra[14]提出的帶權(quán)有向圖計(jì)算方法，如果使節(jié)點(diǎn)集合(v1,v2, …,vn-1,vn)的路徑最短，則要使(v1,v2, …,vn-1)的路徑最短，即保證各傳遞路徑都是最短的。采用該方法編制計(jì)算程序，由初始事件v1，v4，v5和v6開(kāi)始，分別得到的各自的最短路徑(可能不止1條)。

表3　邊權(quán)值

圖2　海底管道泄漏最短路徑示意Fig.2　Digram of shortest paths for leakage of subsea pipelines

圖2中粗線條為各初始事件的最短路徑，其中以v4開(kāi)始的最短路徑有2條，具體路徑如表4所示。

表4　各初始事件最短路徑

據(jù)表4，以v4輸送酸性介質(zhì)和v6海底地震為初始事件得到的演化路徑最短，其次為v5颶風(fēng)沖擊海洋平臺(tái)，v1組織管理不善的演化路徑最長(zhǎng)。這是由于組織管理因素是人的因素，對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行造成的影響是間接性的；而其他因素是工藝和環(huán)境的因素，對(duì)系統(tǒng)事故的影響也更直接。

但是，整體而言，各初始事件的最短路徑較短且相差不大，初始事件經(jīng)少數(shù)的幾步傳遞即可導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生，表現(xiàn)出明顯的小世界網(wǎng)絡(luò)特性。從抑制初始事件和控制傳遞事件的角度，在鋪設(shè)之前做好路由選址避開(kāi)海床活躍區(qū)以提高管道穩(wěn)定性，在海底管道輸送過(guò)程中處理酸性介質(zhì)以減緩或抑制腐蝕進(jìn)程，在運(yùn)行階段提高組織管理水平以減輕或防止第三方破壞，落實(shí)管道完整性管理制度、提高從業(yè)人員素質(zhì)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定時(shí)檢測(cè)是預(yù)防海底管道泄漏事故發(fā)生、保障管道持續(xù)安全運(yùn)行的重要手段。

4　結(jié)論

1)構(gòu)建以風(fēng)險(xiǎn)事件為節(jié)點(diǎn)、以事件發(fā)展聯(lián)系為連接邊的海底管道泄漏演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)無(wú)權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)出入度和聚類系數(shù)、帶權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑等分析風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性、連接性和演化性，可確定影響海底管道系統(tǒng)泄漏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出針對(duì)性斷鏈措施與控制建議。

2)海底管道泄漏網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)為0.13，網(wǎng)絡(luò)聚集程度偏低，表現(xiàn)出明顯的演化性與傳遞性；各初始事件的最短路徑均不超過(guò)10，說(shuō)明初始事件經(jīng)少數(shù)幾步傳遞即可導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生；降低節(jié)點(diǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)并切斷其與后續(xù)事件聯(lián)系是防止初始事件升級(jí)演化為泄漏事故的重要措施。

3)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)演化評(píng)價(jià)方法將復(fù)雜的事故風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)潔的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，適用范圍不局限于海底管道系統(tǒng)，可以擴(kuò)展到整個(gè)海洋石油裝備系統(tǒng)，簡(jiǎn)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程，提高分析對(duì)象的本質(zhì)安全化。

4)在海底管道系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)演化研究方面，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)傳遞鏈賦予概率屬性，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和路徑進(jìn)行量化分析，將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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