海底管道完整性管理中偶然荷載的風(fēng)險評估和決策研究.pdf

1、中國既是大陸國家，也是海洋大國，海岸線長18,000公里，海疆面積達三百余萬平方公里。這片藍色疆土中有著豐富的資源，因此開發(fā)利用海洋資源對我國的可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義。國家“十二五”規(guī)劃著重強調(diào)了發(fā)展海洋經(jīng)濟，同時，沿海地區(qū)也紛紛推出了各自海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測在未來十年，我國海洋經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)將會具備廣闊的發(fā)展前景。海底管道是在海底連續(xù)輸送大量油氣物質(zhì)的密閉型聯(lián)通容器。作為當(dāng)前最安全、最經(jīng)濟和最快捷的海上油氣運輸手段，油氣管道是海洋油氣田

2、開發(fā)和生產(chǎn)中不可缺少的生命線工程。海底管道的長處是能夠持續(xù)運輸，基本不受氣候、環(huán)境等因素影響，且不會因為海上油氣儲存設(shè)施容量約束或者穿梭油輪接運不及時等原因而導(dǎo)致油氣田減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。此外，海底管道的施工周期較短，投產(chǎn)較快，自動化程度很高，管理簡便并且能耗少。因而，在油氣開發(fā)熱潮中，海底管線已經(jīng)逐漸成為海上石油、天然氣儲運所采用的主要形式。然而，海底管道所輸送的油氣為有害的易燃易爆物質(zhì)，一旦管道發(fā)生泄漏或斷裂，會對其周圍的環(huán)境和人員產(chǎn)生嚴(yán)

3、重的后果：輕則耽誤生產(chǎn)，浪費資源；重則泄漏的原油、天然氣被引爆，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，并嚴(yán)重污染環(huán)境。隨著海底管道的不斷建設(shè)和管網(wǎng)的鋪設(shè)延伸，海洋資源開采和儲運的安全問題愈加受到人們的關(guān)注，而近些年時有發(fā)生的安全事故，如2010年4月的墨西哥灣漏油事件，更是給全社會敲響了警鐘。
　　海底長輸油氣管道在空間和時間上的跨度，相對高昂的檢測、維護和維修成本，以及泄露事故所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果決定了：加強管道安全建設(shè)，不僅需要硬件技術(shù)創(chuàng)新，更

4、需要安全管理理念的突破和管理模式的根本變革。管道完整性管理（Pipeline Integrity Management，PIM）即在這種背景下產(chǎn)生，且已經(jīng)被國際各大管道公司普遍采用，在保證管道安全性方面發(fā)揮了重要作用。風(fēng)險評估是管道完整性管理的關(guān)鍵步驟和重要內(nèi)容，在風(fēng)險管理的基礎(chǔ)上，監(jiān)測維修資源可以得到進行更加優(yōu)化的配置，從而提高管道運營安全保障的效率，降低安全維護成本。
　　本課題主要研究海底管道完整性管理體系下的風(fēng)險評估和決策

5、方法，研究對象主要是偶然荷載導(dǎo)致的海底管道安全事故。在海底管道事故的統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，以管道完整性管理為切入點，本文提出了適用于海底油氣管道的完整性管理框架，進而得出了實施完整性管理對風(fēng)險評價環(huán)節(jié)的要求。為了充分利用主觀信息，又能夠合理模擬事故發(fā)生發(fā)展機制，本文首先提出了基于規(guī)則的模糊綜合評價方法，以滿足某一類風(fēng)險源影響下的海底管道風(fēng)險分級要求。隨著海底管道安全要求的不斷提升，越來越多的管道管理者一方面需要絕對概率形式的風(fēng)險評價結(jié)果以支持

6、經(jīng)濟性評估和決策，另一方面要求風(fēng)險評估模型能夠在管道生命周期內(nèi)不斷更新以獲得更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。因此，本文建立了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險評估模型，并結(jié)合成本效益分析方法，為管道管理者提供了全面的風(fēng)險評估和決策方案。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法既能預(yù)測事故發(fā)生概率，其學(xué)習(xí)功能又可以很好的支持在數(shù)據(jù)更新情況下的模型改進，是滿足較高管道風(fēng)險評價要求的可行方法?；谏鲜隹剂?，本文的主要研究內(nèi)容包括：
　　(1)海底管道完整性管理框架與風(fēng)險分析層次。本文首先

7、根據(jù)國內(nèi)外海底管道事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析得到：1)海底管道事故分類，2)各類型事故原因及概率，3)海底管道風(fēng)險源劃分。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)險管理和管道完整性管理，本文采用IDEF0方法描述了海底的管道完整性管理框架，通過輪輪相扣的完整性管理環(huán)節(jié)、持續(xù)更新的完整性管理信息系統(tǒng)和適用的風(fēng)險評估方法，能夠1)及時更新用于風(fēng)險評價的數(shù)據(jù)，應(yīng)對突發(fā)突變事件；2)不斷改進風(fēng)險管理水平；3)實現(xiàn)風(fēng)險評價和后續(xù)檢測、維護和維修措施的有機結(jié)合。風(fēng)險管理是海底管

8、道完整性管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文總結(jié)了完整性管理下風(fēng)險評價的三個層次的要求，分別是風(fēng)險分級與高風(fēng)險區(qū)識別、風(fēng)險值與可接受標(biāo)準(zhǔn)的比較、以及基于風(fēng)險的檢測和維修維護方案。本文后續(xù)研究內(nèi)容即圍繞三個層次的要求展開。
　　(2)基于規(guī)則的模糊綜合評價在海底管道風(fēng)險分級中的應(yīng)用。海底管道完整性管理第一層次要求是針對某一類風(fēng)險源進行風(fēng)險分級，用于支持高風(fēng)險管道的篩選。另外，由于數(shù)據(jù)缺乏和事故機理模糊等原因，初步的風(fēng)險評估需要充分利用專家經(jīng)驗。為

9、了在準(zhǔn)確性和可操作性上取得平衡，本文提出了基于規(guī)則的模糊綜合評價方法，有機的將模糊綜合評價方法與模糊推理方法結(jié)合在一起。該方法通過模糊綜合來融合各層次指標(biāo)信息，又通過基于規(guī)則的模糊推理來有效模擬事故機理。
　　本文就第三方破壞這種最常見的偶然荷載風(fēng)險源進行了建模，包括指標(biāo)層級構(gòu)建、模糊化處理、權(quán)重賦值、模糊綜合、模糊推理以及去模糊化等步驟。接著，將該模型應(yīng)用于算例分析，所得結(jié)果基本反映了工程實際情況。本文將模型評估結(jié)果與目前最常用

10、的打分法結(jié)果進行了對比，通過 K-均值算法進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)模型結(jié)果更加符合實際管道“兩頭少，中間多”安全狀況分布，同時較大的聚類中心距離也更有利于風(fēng)險分級與決策，即達到第一層次的要求。
　　(3)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和成本效益分析的海底管道風(fēng)險評估與決策。通過打分法或者模糊評價法可以得到相對值形式的風(fēng)險評價結(jié)果，從而支持風(fēng)險分級并篩選出高風(fēng)險的管段。但是，風(fēng)險的相對大小既不能說明某種事故情景發(fā)生的風(fēng)險值是否超出企業(yè)、政府乃至社會的可接

11、受程度，也不能用于估算可能的事故損失并制定針對性決策。因此，有必要將定性的管道風(fēng)險評估細化到具體的事故情景，并深入到定量分析。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法具有結(jié)構(gòu)靈活、能包含多值狀態(tài)指標(biāo)以及可以進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)學(xué)習(xí)的優(yōu)點。因此，本文采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建海底管道事故的定量風(fēng)險評估模型。針對海洋管道工程特點，本文提出了四種參數(shù)推導(dǎo)方法：布爾運算方法、歷史數(shù)據(jù)與規(guī)范法則方法、模糊集合法和數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)法，并將這四種方法運用于模型構(gòu)建中。
　　為了評估風(fēng)險減緩措

12、施的經(jīng)濟性，本文提出了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和成本效益分析的綜合方法。該方法包括確定風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評估模型、風(fēng)險評估、成本效益分析和風(fēng)險減緩措施實施五個步驟。采用該方法，本文對海底管道中間段的船錨沖擊事故和平臺安全區(qū)管道的墜物事故兩個案例進行了分析，得到1)海底管道遭受不同程度破壞的概率，2)遭受破壞的主要原因，3)風(fēng)險減緩措施的成本效益率。通過風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)判斷是否需要采取風(fēng)險減緩措施，再通過成本效益分析挑選經(jīng)濟性最優(yōu)的措施方案，

13、案例分析證明基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和成本效益分析的風(fēng)險評估和決策方法能夠很好的滿足海底管道完整性管理對風(fēng)險評估第二層次和第三層次的需要。
　　對比既有的國內(nèi)外研究，本研究的創(chuàng)新點可以歸納為：
　　(1)建立了基于規(guī)則的模糊綜合評價模型。目前模糊綜合評價方法和模糊推理方法在管道風(fēng)險評估中都有應(yīng)用，但模糊綜合中的簡單賦權(quán)不能模擬事故發(fā)生發(fā)展機理，而多層次的模糊推理又十分繁瑣。本文首次融合兩種方法構(gòu)建模型，采用“IF-THEN”規(guī)則模擬事

14、故情景，并應(yīng)用于海底管道的風(fēng)險分級和高危險區(qū)識別問題。
　　(2)構(gòu)建了評估海底管道安全風(fēng)險的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。目前還沒有關(guān)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在管道工程風(fēng)險評估中的應(yīng)用研究。本文首次提出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率參數(shù)推導(dǎo)的四種方法，有效地解決了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在大型工程風(fēng)險評估中的模型構(gòu)建問題。
　　(3)提出了綜合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和成本效益分析的風(fēng)險評估和決策方法。該方法在風(fēng)險減緩措施的收益計量以及風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)和成本風(fēng)險比的綜合運用這兩個方面具有比較好