基于多層次模糊綜合評價的廢棄管道處置技術(shù)

劉 坤，周 維，王 青，樊春峰

1.河北華北石油工程建設(shè)有限公司，河北任丘 062550

2.中石油山東輸油有限公司，山東日照 276800

3.河北華北石油通信有限公司，河北任丘 062550

4.河北雄安華油清潔能源有限公司，河北任丘 062550

截至2017 年，我國油氣管道總里程達(dá)到了12.5 萬km，其中部分管道服役時間已超過40 年，因管道自身條件惡化、經(jīng)濟效益過低、上游產(chǎn)量不足、國家法律與法規(guī)限制等原因，對管道會采取處置措施[1]。管道處置是管道完整性管理的最后一個環(huán)節(jié)，而管道處置規(guī)則是一切工作的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對廢棄管道的處置方式和方法研究較多，如殘留物的清理、穿跨越地面沉降處理、管道附件拆除、導(dǎo)流效應(yīng)處理等[2-3]，但對于判斷管道廢棄的標(biāo)準(zhǔn)以及廢棄管道處置規(guī)則尚無統(tǒng)一認(rèn)識。

SY/T 6891.1—2012《油氣管道風(fēng)險評價方法第1 部分：半定量評價方法》中應(yīng)用了肯特打分法對管道風(fēng)險進行評價，但并未給出處置規(guī)則；解乃鋼[4]從危險性和經(jīng)濟性兩個方面對埋地管道的廢棄處置進行了評價，但該方法僅適用于燃?xì)馀涔?，且主要針對腐蝕引起的管道廢棄；孫伶等[5]應(yīng)用層次分析法對管道處置的過程進行評價，但建立的指標(biāo)體系未考慮適用性等因素，輸出結(jié)果尚屬于定性分析，且未給出應(yīng)用實例；賀婭婭等[6]針對老齡管道的廢棄處置問題，通過對管道歷史失效頻率的收集整理，通過計算無量綱化的風(fēng)險系數(shù)實現(xiàn)管道處置標(biāo)準(zhǔn)的歸一化，但該方法的前提是要有良好的管理水平，管道運維方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較完善，限于目前國內(nèi)的管理水平應(yīng)用起來還有一定難度。本文應(yīng)用多層次模糊綜合評價方法，通過建立管道處置評價指標(biāo)體系，對各級指標(biāo)進行權(quán)重賦值，隨后分層次進行模糊綜合評價，得到總的評價結(jié)果，以期建立合理、系統(tǒng)、科學(xué)的處置標(biāo)準(zhǔn)，為管道管理者提供老齡管道的處置依據(jù)。

1 多層次模糊綜合評價模型

將層次分析法和模糊綜合評價法進行有機結(jié)合，不僅保證了模型的系統(tǒng)性和合理性，而且可以充分利用專家和決策人員的經(jīng)驗及判斷能力，為非線性、模糊性、多變量的管道處置問題提供解決方案。

1.1 建立管道處置的評價指標(biāo)體系

應(yīng)用層次分析法建立適合管道處置的三層評價指標(biāo)體系（如圖1 所示），以管道處置評價為目標(biāo)層（A），適用性（B1）、完整性（B2）、風(fēng)險性（B3）、經(jīng)濟性（B4）、合規(guī)性（B5） 為準(zhǔn)則層，剩余強度（C1）、剩余壽命（C2） 等16 個為指標(biāo)層。

圖1 管道處置的三層評價指標(biāo)體系

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

組織一定數(shù)量的工藝、管道、腐蝕、設(shè)備方面的專家，按照1 ～9 標(biāo)度（標(biāo)度及其含義見文獻(xiàn)[7]的表2-1） 及其倒數(shù)法構(gòu)建兩兩判斷矩陣M，判斷矩陣應(yīng)為正反一致矩陣，矩陣元素滿足Mij＞0、Mij=1/Mji、Mii=1、Mij·Mjk=Mik。

1.3 一致性檢驗及層次排序

當(dāng)評價指標(biāo)較多時，專家在判斷的過程中容易出現(xiàn)不協(xié)調(diào)、相互矛盾的現(xiàn)象，因此要對判斷矩陣進行一致性檢驗（階數(shù)＞2 的矩陣）。由矩陣的相關(guān)理論可知，當(dāng)矩陣不能滿足一致性時，其最大特征根也會發(fā)生變化，在此利用最大特征根計算偏離一致性指標(biāo)CI，由于不同階數(shù)矩陣判斷的一致誤差不同，因此還需要進行隨機一致性比率CR的計算，CR=CI/RI，CI= （λmax-n ） /（n-1）。式中：n 為判斷矩陣階數(shù)；RI為平均隨機一致性指標(biāo)，取值情況如文獻(xiàn)[7]表2-2 所示。當(dāng)CR＜0.1 時，矩陣通過一致性檢驗；否則，需要重新調(diào)整矩陣。λmax為最大特征值，利用特征根法進行求解，由Aω=λω 計算，λmax對應(yīng)的特征向量ω 即為各指標(biāo)相對于上一層的權(quán)重向量，將ωa記為準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重向量，將ωbi（i=1,2，…，5） 記為指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重向量。

依照所建立的評價指標(biāo)體系，從下而上逐層計算，即可計算出指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的權(quán)重，從而進行層次總排序。

1.4 確定評語集

根據(jù)管道處置最終的結(jié)果建立相應(yīng)的評語集V，V= {v1，v2，…，vm}。式中：vi表示第 i 個評價結(jié)果，m 為評語集個數(shù)，一般為3～5 個。本文的評價模型所定義的評語集V= {好，較好，中，較差，差}。

1.5 構(gòu)建模糊評價矩陣

組織一定數(shù)量的具有現(xiàn)場經(jīng)驗的資深專家，把影響管道處置的因素到評語集V 的模糊映射構(gòu)建成模糊評價矩陣Ri：

式中：rijk=dijk/d，dijk為單一指標(biāo)因素被做出評語集中第k 種評估的專家人數(shù)，d 為參加評估的專家總?cè)藬?shù)。

1.6 求綜合評價向量

根據(jù)FUZZY 理論，應(yīng)用模糊矩陣進行合成運算，由下層到上層先分別計算準(zhǔn)則層的綜合評價向量Bi，然后計算目標(biāo)層的綜合評價向量B：

根據(jù)最大隸屬度原則，由B 向量可以得知管道的評價等級，但仍為定性結(jié)果，因此利用加權(quán)計算法，乘以表1 中對應(yīng)的加權(quán)值O =（0.9，0.7，0.5，0.3，0.1）T，得到管道的綜合得分A =B·OT，對照標(biāo)準(zhǔn)分值得到相應(yīng)的處置方式。

表1 管道評價等級加權(quán)值和標(biāo)準(zhǔn)值

2 實例計算

某油田集輸管道1985 年投運，管道規(guī)格為D159 mm ×5 mm，長3.3 km，設(shè)計輸量20 萬t/a，實際輸量5 萬t/a，負(fù)荷率25%，輸送介質(zhì)為含水油，未設(shè)置陰極保護裝置，在管道運營過程中曾出現(xiàn)過多次內(nèi)腐蝕穿孔泄漏，上游區(qū)塊產(chǎn)量不足導(dǎo)致負(fù)荷率較低，且沿途穿越多處村莊等人員密集場所及河流、濕地等生態(tài)敏感區(qū)域。對管道前期的設(shè)計、施工、驗收、定期檢驗、維修記錄等資料進行了收集和整理，完善了原始資料。

結(jié)合圖1，組織了d 位管道行業(yè)的從業(yè)人員及相應(yīng)領(lǐng)域的專家對指標(biāo)體系構(gòu)建兩兩判斷矩陣，借助眾多相關(guān)因素的兩兩比較，轉(zhuǎn)化為對決策有用的信息。其中，準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的判斷矩陣A-B 見表2。

表2 A-B 判斷矩陣

對于判斷矩陣A-B 來說，λmax= 5.126，CI=0.032，RI=1.12，CR=0.028 ＜ 0.1，因此矩陣通過一致性檢驗，此時的權(quán)重向量ωa=（0.093，0.221，0.277，0.301，0.108）。同理，指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的判斷矩陣也通過一致性檢驗，權(quán)重向量ωb1=（0.633，0.367），ωb2=（0.384，0.221 ，0.193，0.106，0.096），ωb3= （ 0.263，0.564 ，0.118，0.055），ωb4= （0.322，0.183 ，0.495），ωb5=（0.750，0.250）。由各層級的權(quán)重向量計算出指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的權(quán)重，從而進行層次總排序，如表3 所示。

表3 指標(biāo)層相對目標(biāo)層的總排序

由表3 可知，影響管道評價結(jié)果的主要因素是運行風(fēng)險、運行經(jīng)濟性、資源開采量、腐蝕缺陷和法律法規(guī)符合性。管道的運行風(fēng)險可以構(gòu)成人員傷亡和財產(chǎn)損失，導(dǎo)致運行維護成本升高，并造成不良的社會影響，因此應(yīng)作為第一優(yōu)先級，優(yōu)于運行經(jīng)濟性，是處置決策的關(guān)鍵因素；經(jīng)濟性仍是衡量管道處置的重要指標(biāo)；上游的資源開采量同樣非常重要，當(dāng)上游資源處于枯竭狀態(tài)或存在其他優(yōu)于管輸?shù)倪\輸方式時，可以進行報廢處理；腐蝕是危害管道安全的重要因素，輸送高腐蝕性介質(zhì)的油氣管道壽命會大幅縮短，最終達(dá)到相應(yīng)的處置標(biāo)準(zhǔn)；隨著國家安全及環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)苛，管道投產(chǎn)時可以預(yù)期的法律要求已不適用，導(dǎo)致被動性的管道處置越來越多。

邀請10 位具有現(xiàn)場經(jīng)驗的資深專家按照評語集進行打分（分?jǐn)?shù)按照比例進行歸一化處理），確定該管道中各個子因素的模糊評價矩陣，見表4。

表4 模糊評價矩陣

應(yīng)用模糊矩陣進行合成運算，由下層到上層先分別計算準(zhǔn)則層的綜合評價向量Bi，然后計算目標(biāo)層的綜合評價向量B：

根據(jù)最大隸屬度原則，該管道隸屬于“較差”等級，利用加權(quán)計算法，乘以對應(yīng)的加權(quán)值O= （0.9，0.7，0.5，0.3，0.1）T，得到管道的綜合得分A=B·OT=0.402 9，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)分值，其處置等級為“中”。經(jīng)驗證，該模型與現(xiàn)場狀態(tài)基本一致，但該分值已經(jīng)接近“較差”等級，今后應(yīng)密切關(guān)注管道的運行狀態(tài)、上游的資源開采量和法律法規(guī)的符合性等因素，定期重新對指標(biāo)權(quán)重進行調(diào)整，重新構(gòu)建模糊評價矩陣，對管道進行重新評估，形成PDCA 循環(huán)。當(dāng)該管道等級下降時，應(yīng)及時采取相應(yīng)措施，全面考慮廢棄成本、操作流程及廢棄技術(shù)等方面的內(nèi)容，做好管道的退役工作。

3 結(jié)束語

（1） 通過構(gòu)建三層管道等級評價指標(biāo)體系，將層次分析法和模糊綜合評價法進行有機結(jié)合，得到影響管道評價結(jié)果的主要因素是運行風(fēng)險、運行經(jīng)濟性、資源開采量、腐蝕缺陷和法律法規(guī)符合性。

（2） 通過實例計算，把管道處置這類問題進行了定量評價，并根據(jù)數(shù)值給出最終的處理方式和實施意見，具有一定的工程意義。

（3） 構(gòu)建判斷矩陣和模糊評價矩陣時比較依賴專家判斷，今后可嘗試與其他客觀綜合評價方法相結(jié)合，如灰色關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)包絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，繼續(xù)提高模型的精度。