楊　慧，李新宏，陳國明，朱紅衛(wèi)

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

0　引言

近年來，由于服役年限的增長，我國不少海底油氣管道已陸續(xù)進入老齡服役階段。具不完全統(tǒng)計，僅中海油總公司已有約1/5的海底管道已進入或即將進入超期服役階段，如何處置海底管道中使用壽命過長、性能大幅降低的老齡管道是海底管道系統(tǒng)管理應關注的問題。國內(nèi)外對管道的設計、建造、維護環(huán)節(jié)較為重視，而管道棄置報廢作為管道全壽命、全系統(tǒng)管理的最后階段卻常被忽視。如何根據(jù)老齡海底油氣管道的服役狀態(tài)，作出延壽使用或棄置報廢的決策，合理發(fā)揮其結構潛能、避免作業(yè)風險，成為老齡海底管道面臨的關鍵問題。

目前，國內(nèi)外對老齡海底管道的研究集中在管道可靠性評估[1-5]、失效風險分析[6-7]、剩余壽命研究[8-9]及延壽維修[10]等方面。W·Kent MUHLBAUER[11]提出肯特模型，定量計算管道的相對風險值，對油氣管道進行安全風險評價；Noor N M等[12]基于半可靠性方法預測腐蝕管道的剩余壽命；李秀美等[13]總結了1套基于安全系統(tǒng)理論的陸上老齡油氣管道安全壽命預測的方法，從風險角度對老齡油氣管道進行全面評估，根據(jù)最終風險打分評價進行延壽和報廢決策，未考慮成本效益因素。

鑒于目前國內(nèi)還未對老齡海底管道棄置決策定量模型進行研究，以下在考慮老齡海底管道風險的基礎上，從安全經(jīng)濟學角度引入延壽成本效益因素，基于多屬性效用理論，分析影響老齡海底管道棄置決策的因素，建立老齡海底管道棄置決策模型，該模型對老齡海底油氣管道棄置作業(yè)具有重要的理論意義和實用價值。

1　老齡海底管道棄置決策方法

1.1　老齡海底管道棄置決策流程

老齡海底管道是否棄置綜合考慮管道服役后期風險和維修延壽成本之間，是個風險效益最優(yōu)化問題。老齡海底管道在過去的服役狀況、現(xiàn)役的狀態(tài)維護和未來的延壽成本之間，存在著影響管道最優(yōu)經(jīng)濟壽命的不確定性信息和因素，如何處理這些復雜不確定性信息和因素是老齡海底管道棄置決策的關鍵研究內(nèi)容。

根據(jù)多屬性效用理論，確定決策目標，建立屬性樹進行影響因素評估，基于模糊理論綜合不同專家打分確定因素權重，可減少主觀因素對決策的影響，避免傳統(tǒng)單值評價帶來偏差較大的問題。考慮決策的經(jīng)濟性，用成本效益率合理量化成本因素，建立老齡油氣管道棄置決策模型評分準則，計算模糊綜合評分。老齡海底油氣管道棄置決策模型的構建流程如圖1所示。

圖1　老齡海底管道棄置決策的結構流程Fig.1　Structural process of aging submarine pipeline abandondecision-making model

1.2　多屬性效應理論

多屬性效用理論[14]為量化決策分析方法提供了依據(jù)，可以評價在決策過程中起作用的各因素對決策結果的影響。將老齡海底管道服役后期的處置方式問題簡化為1個決策目標，選擇棄置作為決策目標，從直接影響棄置決策的因素進行分析建立屬性樹，例如延壽成本、管道的腐蝕情況、管道的修復情況、管道的損傷情況等。

在最初構建屬性樹時，不考慮各因素的重要程度，全面考慮影響決策的所有因素，以保證與決策目標相關的所有因素不會被遺漏，然后對最初的屬性樹進行刪減，將重要程度小，對決策結果影響不大的因素刪除，得到精簡之后的屬性樹。

多屬性效用的實現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖2　多屬性效用理論的實現(xiàn)步驟Fig.2　Implement step of multi-attribute utility theory

1.3　模糊理論

由于缺乏數(shù)據(jù)、事故機理模糊等原因，專家打分是確定因素重要度的重要方法，但是打分法的精確性越來越不能滿足工程精度的要求，故引入模糊理論[15]對專家打分進行更有效的數(shù)學處理。

定義1：若模糊數(shù)A的隸屬函數(shù)為

(1)

式中：a

(2)

(3)

(4)

三角模糊數(shù)的運算法則如下：

(5)

(6)

1.4　風險效益率

延壽成本作為可量化的因素，用來評估延壽措施的經(jīng)濟性。采用Boardman A E.提出的風險效益率[16]概念，作為這一指標的評分準則。風險效益率的計算采用現(xiàn)值指數(shù)法，即在投資項目的壽命周期內(nèi)，將所有的成本和收益按照一定的貼現(xiàn)率折算為成本現(xiàn)值(C)和效益現(xiàn)值(B)，然后計算所有的成本現(xiàn)值和效益現(xiàn)值之比，所得結果為成本效益率，計算公式如下：

(7)

式中：Ci/Bi為某項目i的成本效益率；bit為某項目i在t年所產(chǎn)生的收益，萬元；cit為某項目i在t年所支出的成本，萬元；ki為某項目i的最初投入成本，萬元；t為某項目i建造和投入使用的年數(shù)，a；n為某項目i的計算期，a；r為折現(xiàn)率。

2　老齡海底管道棄置決策流程

2.1　建立決策屬性樹

為建立棄置決策屬性樹，先進行老齡海底管道服役狀況實地考察，收集管道維修資料、歷年檢測報告、事故統(tǒng)計資料；然后確定老齡海底管道棄置決策影響因素集，建立棄置決策屬性樹。老齡海底管道在服役后期，對其進行延壽使用或棄置報廢的決策，主要受其安全性能的影響，所以評估因素的選取主要從影響老齡海底管道安全壽命的角度考慮。從機械損傷、腐蝕缺陷、管材性能等宏觀方面考慮影響管道服役狀態(tài)的因素，最終選定工程因素、風險因素、結構因素作為屬性樹的一級指標，安全經(jīng)濟學角度，一級指標因素中引入延壽成本因素。指標因素的選取對工程經(jīng)驗依賴性較高，不同管道系統(tǒng)應有不同的指標因素。最后刪除難以量化的對決策影響程度很小的因素，得到簡化的屬性樹。

圖3　老齡海底管道棄置決策屬性樹Fig.3　Attribute-tree for aging subsea pipeline abandon decision

2.2　模糊理論計算因素權重

結合老齡海底管道服役狀況以及管道詳細評價結果，通過專家打分，建立判斷矩陣，矩陣的各元素值是由專家給出某一層的兩因素相對于上一層同一因素的重要性比率。專家打分參照0～1標度法給出具體數(shù)值(表1)。設計調(diào)查問卷，獲得各指標的相對重要性程度，調(diào)查問卷應詳細說明調(diào)查目的和使用方法，并對各一級指標和二級指標進行說明。打分人員包括管道技術人員、安全技術人員、管道風險評價專家以及現(xiàn)場對管道運行狀態(tài)及其影響因素有定性和定量了解的工作人員。

表1　0～1標度法Table 1　0-1 scale method

由得出的因素間重要性比率的判斷矩陣，建立三角模糊數(shù)互補判斷矩陣，采用三角模糊數(shù)法整合各位專家綜合意見。

(8)

(9)

(10)

式中：k=1,2，…，n；n為調(diào)查問卷中有效專家總數(shù)；Bijk為第k個專家給出的i，j因素的重要性比率；αijk為所有專家給出的i，j重要性比率的最小值；βij為所有專家評分結果的幾何平均值；γijk為所有專家給出的i，j重要性比率的最大值。

(11)

(12)

2.3　敏感性分析

用屬性樹中各二級指標的相對權重乘以該指標層所屬的一級指標層在總目標層的權重，由此得各指標的排序指標值，根據(jù)排序指標值進行排序，找出高風險因素和對決策影響較大的因素。

2.4　進行老齡海底管道棄置決策

確定老齡海底管道棄置決策模型評分準則。對于成本、服役年限、海流沖刷等易于量化的指標，采用數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值計算方法直接給出，對于不容易量化的因素由專家打分獲得。具體準則見表2。

表2　老齡海底管道棄置決策影響因素評分準則Table 2　Scoring criteria of impacting factors for aging subsea pipeline abandon decision-making

表中，腐蝕程度a、修復補丁r和海管堵塞g的量化方法分別由式(13)、(14)和(15)給出。

a=bmax/c

(13)

r=m/l

(14)

g=xmax/d

(15)

式中：a為腐蝕程度；bmax為最大腐蝕深度，mm；c為管道壁厚，mm；l某段為管線長度，km；m為該段補丁數(shù)量，個；xmax為最大污垢沉積厚度，mm；d為管道內(nèi)徑，mm。

風險效益率應用到老齡海底管道延壽維修問題上，應具體考慮延壽措施帶來的成本的增加和事故發(fā)生概率的減小。將公式(7)修改為式(16)來進行延壽成本的量化。

(16)

式中：CBR為延壽成本；CM為延壽維修措施帶來的成本增加，萬元；s為管道損害程度，分為輕度破壞(不需要維修也不會導致泄漏)中度破壞(需要維修但不會導致泄漏)和重度破壞(會導致泄漏)；CPs為某種損害下的生產(chǎn)損失，萬元；CRs為某種損害下的維修費用，萬元；CCs為某種損害下的清污費用，萬元；g為海管堵塞程度；Po為風險減緩措施引起的某種損害程度發(fā)生的概率減少；r為折現(xiàn)率。

根據(jù)老齡海底管道棄置決策因素評分準則得出各因素得分后，結合各因素的模糊權重，采用邏輯運算求出各一級因素的綜合評分以及棄置決策綜合總評分，見式(17)和(18)。

(17)

Bk=Cki·ωki

(18)

式中：A為老齡海底管道棄置決策模型綜合評分；Bk為各一級因素的綜合評分；ωk為屬性樹一級指標層各影響因素的權重；n為屬性樹一級指標層各影響因素的個數(shù)；Cki為第k個一級指標因素的第i個因子的評價得分；ωki為第k個一級指標因素的第i個因子的模糊權重。

根據(jù)棄置決策綜合得分，建立老齡海底管道棄置決策參考表，對照參考表，可以進行決策。若根據(jù)綜合評分老齡海管可以延壽使用或在監(jiān)測下使用，則應優(yōu)先考慮敏感性較大因素的監(jiān)測。通過影響因素敏感性分析可以將風險因素按照對老齡海底管道服役狀況影響的大小排序，找出對決策影響較大的因素。

表3　老齡海底管道棄置決策參考表Table 3　Reference table for aging subsea pipelineabandon decision-making

3　實例分析

選取國內(nèi)某條海底管線的一段管道作為評價對象，進行棄置決策分析。該管道已經(jīng)連續(xù)服役32a，進入老齡期，服役期間發(fā)生過1次泄漏事故，已及時進行了修復。管道為螺旋焊縫鋼管，管節(jié)之間采用環(huán)焊縫焊接連接，最大工作壓力為3.8 MPa，材質(zhì)為16 Mn，采用石油瀝青防腐。

從調(diào)查問卷中獲得有效數(shù)據(jù)即專家數(shù)為3。整合專家意見，計算屬性樹各因素的相對權重。以機械損傷、腐蝕缺陷、修復補丁、海管堵塞為例，采用三角模糊數(shù)整合的專家意見為：

由式(19)計算模糊權重：

(19)

i分別取值1,2,3,4，得到機械損傷、腐蝕缺陷、修復補丁、海管堵塞對應的模糊權重為：

ω1=(0.166 1,0.288 7,0.467 0)ω2=(0.219 8,0.325 5,0.492 8)ω3=(0.109 3,0.190 8,0.338 4)ω4=(0.106 1,0.190 5,0.365 5)

用式(20)將模糊權重值整合、正規(guī)化：

(20)

i分別取值1,2,3,4，得到機械損傷、腐蝕缺陷、修復補丁、海管堵塞對應的模糊權重為：

由此可得，屬性樹一級指標因素機械損傷、腐蝕缺陷、修復補丁、海管堵塞的相對權重為(0.281 9，0.328 0，0.194 2，0.196 3)。同理可得，施工改造、服役年限的相對權重為(0.134 6，0.865 2)；海流沖擊、材料老化、海生物附著的相對權重為(0.273 9，0.429 5，0.269 9)；工程因素、風險因素、成本因素、結構因素的相對權重為(0.252 4，0.350 9，0.160 1，0.236 9)。計算各二級因素相對決策目標的權重并排序，見表2。

表4　各影響因素敏感性排序Table 4　Ranking of sensitivity for impacting indicators

由以上排序可以看出，對決策影響較大的因素是老齡管道的服役年限(0.218 3)、腐蝕缺陷(0.115 1)、材料老化(0.101 7)，應著重量化這些因素。

通過查閱老齡海底管道施工資料、歷史檢測資料、事故維修資料，以及現(xiàn)場檢測、參數(shù)統(tǒng)計、專家打分得到各影響因素的評分，經(jīng)計算綜合得分為61.58，應棄置。

4　結論

1)引入基于模糊理論的棄置決策模型，可將海底管道老化過程、損傷情況等狀態(tài)過程隨服役時間的增長進行更精確描述，解決了海底管道繼續(xù)使用或棄置回收的決策問題缺少定量模型依據(jù)的問題；運用三角模糊數(shù)法綜合專家意見計算權重，降低人為因素的影響，避免了因素權重計算的主觀片面性，改善了現(xiàn)有風險評價方法中存在的單值評價結果偏差較大的問題。

2)首次引入成本效益率，綜合考慮管道損害程度、生產(chǎn)損失、維修損失、清污費用、延壽措施帶來的損害概率的減少以及延壽措施帶來的成本增加，將成本對老齡海底管道棄置決策產(chǎn)生的影響合理量化，使棄置決策更加經(jīng)濟合理。

3)實際工程應用中，老齡海底管道服役后期棄置決策受眾多復雜不確定因素影響，全面考慮各影響因素，通過專家篩選建立屬性樹，能夠動態(tài)調(diào)整影響棄置決策的相關因素。老齡海底油氣管道棄置模型的建立不拘泥于上文提出的模型，根據(jù)實地考察管道的服役狀況，綜合專家意見得出棄置決策屬性集，模型評分準則的建立可根據(jù)屬性樹因素進行調(diào)整，合理量化。

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