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考虑因果关系的海底管道安全分析综合框架

李英红,杨明,陈国明

摘要

确保海底管道的运营安全是一个日益严峻的挑战。它需要监测故障的原因因素和详细的安全分析。本文提出了海底管道综合安全分析的综合框架。该框架是在基于指数的风险评估系统的基础上开发的，该系统集成了失效因果因素的相互依赖分析、危害耦合分析和风险等级评估。采用决策试验与评价实验室(DEMATEL)方法分析风险因素之间的相互依赖关系。在评价系统中，采用模糊推理算法计算各因素的风险等级。该框架还考虑了危险耦合(危险组合)对海底管道失效的影响。通过案例研究对该框架进行了测试。实例分析表明了该框架的实用性和可用性。该框架将成为快速评估和管理海底管道故障风险的重要工具。

关键词：安全分析综合评价海底管道综合框架DEMATEL法

1. 导言

海底管道是海上油气运输的重要组成部分。海底管道的安全运行面临诸多不利因素，如腐蚀、疲劳、第三方活动、恶劣的环境条件(Lietal.，2016)。这些因素可能会导致意外故障事件的发生，如泄漏或破裂，可能导致油气的排放，生产停机，甚至灾难性的后果。在过去的几十年里，发生了很多海底管道事故(UKHSE,2011;PHMSA,2014;IOGP,2010)。任何涉及碳氢化合物释放的管道故障都可能升级为灾难性事故，造成人员伤亡、资产损失、环境污染和企业声誉损失。为了更好地应对上述挑战，我们强烈建议对海底管道进行全面的安全分析和评估，以支持制定适当的风险缓解策略，确保运营安全。定量风险分析与评估(QRA)技术在海洋油气行业中得到了广泛的应用。在过去的几年中，许多QRA方法被开发出来，用于对海上管道进行安全分析(Yangetal.，2017;Kawsar等，2015;Arzaghi等人，2017年，2018年;李等，2017年，2018年，2019年)。这里讨论了一些具体作品的贡献。DNV-RP-F107(2010)提出了海底管道的一般风险分析框架。然而，它只是给出了一个定性的程序，不能用来实施定量分析和评价。定量方法有助于对管道失效的风险进行量化，并做出风险知情的决策。Li等(2016)提出了一种基于贝叶斯网络的动态风险分析方法来识别和评估海底管道泄漏故障。Aljaroudi等人(2015)提出了一种综合风险评估方案，用于考虑降解机制的海上原油管道腐蚀失效预测。Shabani等人(2017)分析了自由跨越海底管道的可靠性。Hasan等(2018)提出了一种基于腐蚀风险的海底管道设计方法。但这些研究主要集中在分析和评估单一失效引起的海底管道的风险，研究特定情景下海底管道的失效机理。为了保证海底管道的安全运行，在决策时一般需要综合考虑各种可能的失效模式所带来的综合风险，对安全等级进行综合评价。

海底管道综合安全评价已经有了一些框架，其中Kent的可用于评价海底管道综合风险的评分方法(Muhlbauer,2004)框架应用最为广泛。但是，该方法不包括对相互依存或相互独立的多个风险因素的相互关系和耦合分析。此外，模型中没有适当考虑不同风险因素的权重。另一方面，通过广泛的文献调查，相关的综合风险评价研究多集中在陆上管线或其他工艺设施上。恶劣的运行环境给海底管道的安全管理增加了独特的风险因素(如波浪和水流的影响、海洋环境中相对较高的腐蚀率、检修难度等)，使得海底管道的安全分析比陆上管道更加重要。

为了开发一个集成的安全分析框架，需要一些基本的QRA元素。近十年来，QRA技术在安全分析领域得到了广泛的发展和应用。Guo等(2016)提出了一种基于模糊推理算法的长输油气管道风险等级评价方法。Chang等人(2018)改进了该方法，并将其应用于深水钻井立管风险分析。DEMATEL是一种基于矩阵和图的方法，通过构建各因素之间的相互关系来构建网络关系图。非常适合分析因素之间的逻辑相互关系(Tzengetal.,2007;Chang和Cheng,2011;Yangetal.，2013)。在风险分析中，通常需要将不同因素的权重纳入模型中。它们被用来衡量不同因素对系统安全的重要性。层次分析法(AHP)和熵值法(EM)是两种常用的考虑因素权重的方法(Belletal.,2001;王和李,2009)。现有的文献证明了这些方法在安全与风险建模方面的优越性，可以选择这些方法作为开发集成框架的首选方法。

本研究的主要目的是通过对失效原因的相互依赖性识别、危害耦合效应分析和风险等级评价相结合，建立海底管道安全分析的新框架。本研究的独特贡献在于提供了一种全面的分析方法，能够建模和量化失效因果因素之间的相互关系及其耦合效应，并将其纳入基于指数的风险评估系统。

论文组织如下:第2节提出了提出的综合方法学框架，其中详细描述了构建该方法学的材料和具体的应用步骤;第3节进行了一个案例研究，以说明所提出的方法的实际应用;第四部分对本文进行了总结和总结。

2.综合安全分析框架

提出的安全分析框架是在一个基于指数的风险评估系统的结构中形式化的，该系统由分析故障原因之间的相互依赖性、危害的耦合性和综合风险评估组成。对基本危险因素进行了相相互依赖分析而对于被认为是独立的危害事件则进行了耦合分析。提出的安全分析框架流程图如图1所示。该方法适用于海底管道运营阶段的综合安全分析与评价。框架的主要步骤将在下面的小节中详细描述。

图1.方法框架的流程图

2.1定义系统和风险因素的识别

确定系统的风险因素是建立风险评价体系的基础。一旦选定海底管线，就要收集管线的设计、施工、运行、环境条件、历史失效数据等相关信息。根据这些信息，可以确定与海底管道相关的风险因素。然后根据其等级关系对这些危险因素进行进一步分类。根据风险识别的结果，建立风险评价体系。

2.2建立风险评价体系

建立海底管道风险评估体系是实施该框架的基础。基于指标的风险评估系统是一个层次结构，通常包括三层或四层结构(如目标层、事件层和因素层)。图2给出了这样一个系统的简单示例，该系统包括一个三层结构。以三层评价指标体系为例，目标层为代表整个系统安全或风险状态的一级指标。它定义了评价的对象。中间层也称为事件层，是第二级索引。底层又称要素层，是第三级指标。除评价目标层外，各层指标均为与系统安全相关的因素或故障事件。因此，在建立风险评价体系之前，应完成风险识别。事故报告或数据库是识别系统风险因素或故障事件的有价值的信息来源，然后根据其类型和对目标层的影响进行分类。

共5个等级衡量评价指标的风险等级，表示为:

Q=（0.2；0.4；0.6；0.8；1）（1）

(0-0.2)表示风险等级“低”;(0.2-0.4)表示风险等级“较低”;(0.4-0.6)表示风险等级为“中等”;(0.6-0.8)表示风险等级“较高”;(0.8-1)表示风险等级“高”。

2.3风险因素的相互依赖分析

风险评价体系中的底层指标(因子)(图2中的极右因子)被认为是依赖的。由于这些因素的综合作用，经常会发生故障事件。识别和分析基本风险因素之间的相互关系，有助于了解失效风险的演化机制，制定更好的控制和缓解措施。本阶段的目的是分析基本风险指标之间的相互依赖关系，包括因果关系和关系，通过DEMATEL分析进行。德马特尔法最初是由巴特尔纪念研究所通过其日内瓦研究中心发展出来的(Gabus和Fontela,1973年)。该方法可以定量提取问题所包含的多个因素之间的相互依赖关系，既涉及多个因素之间的方向关系，也涉及多个因素之间的间接影响关系(Tzengetal.，2007;Yangetal.，2013;Amiri等，2011)。图3给出了DEMATEL方法的步骤，具体描述如下:

图2.风险评估指标体系的简单示例

2.3.1生成直接关系矩阵

决策者评估成对的备选方案集之间的关系。采用0(无影响)、1(低影响)、2(中等影响)、3(高影响)、4(非常高影响)五个量表来衡量不同因素之间的关系。初始数据可以得到直接关系矩阵(A)，这是DEMATEL分析的初始数据。

图3.DEMATEL分析流程图

A=(2)

其中A是一个n-n矩阵，其中每个元素a_ij表示因子i对因子j的影响程度。矩阵A的所有主对角元素a_ii都设为0。

2.3.2直接关系矩阵的规范化

这一步是为了对直接关系矩阵进行归一化。归一化的直接关系矩阵X可由方程得到(3)和(4)。

X=s﹒A（3）

s=min[1/max_i1/max_j](4)

2.3.3计算总关系矩阵

在归一化的直接关系矩阵X的基础上，利用公式(5)可以得到总关系矩阵T，其中包含了所有的关系，包括风险因素之间的直接关系和间接关系。

T=X(1-X)^-1(5)

其中I表示单位矩阵。此外，本步骤还通过Eqs计算矩阵T的每一行和每一列的和，分别记为r_i和c_j(6)和(7)。

r=（r_i）_n*1=[]_n*1(6)

c=(c_j)_n*1=[]_1**n(7)

其中r_i为因子i对其他因子的总影响，c_j为因子j从其他因子处得到的总影响。(r_i c_i)揭示了系统中每个因素的相对重要性,当我frac14;j,并命名为突出。(r_i-c_i)是将因素分为因果组的关系。一般来说，如果(r_i-c_i)为正，则i因素影响其他因素，如果(r_i-c_i)为负，则i因素受其他因素影响。

2.3.4产生一个因果关系图

下令对(r c，r-c)可以用来产生一个因果图(r c)是水平轴(电阻-电容)是纵轴。在因果图中可以清楚地看到各因素之间的重要性和相互关系的比较。

利用全关系矩阵T中的信息，可以直观地构建反映风险因素之间相互依赖关系的网络关系图。但是，如果将矩阵T中的所有信息都考虑在内，则该地图将过于复杂，无法传达有用的决策信息。通常，阈值用于过滤总关系矩阵T中的次要影响信息，简化网络关系图的结构(Yangetal.，2013)。

2.4风险耦合分析

危害耦合分析考虑了所提出的风险评价体系中中间层的因素(图2中间层的因素)。这些因素也可以称为“危害事件”，由于它们通常是由底层因素导致的，因此被认为是独立的。一个单一的因素可能导致失败。危害耦合分析的目的是分析危害事件耦合对系统失效风险的影响。例如，腐蚀和疲劳都会导致管道自身的失效。但是腐蚀和疲劳的组合可能会改变系统的风险状态。因此，有必要评估多个危害事件的耦合对系统风险的影响。这可以通过计算多个因素的耦合风险值来实现。引入耦合度模型确定耦合风险值。进行危害耦合分析的步骤如下:

2.4.1评估二级因素的风险值

在评估其耦合效应之前，必须先计算二级因素的风险值。将模糊推理算法应用于三级因素，得到二级因素的风险值(Liuetal.，2014;Lavasani等人，2011)。第三级因子的权重是根据其相对重要性得出的，即，按重量归一化的突起。第三级因子的初始状态信息由专家判断确定，专家判断由初始状态矩阵M0表示。在实际应用中，邀请一定数量的专家对每个三级因素进行投票，判断其风险等级。从统计结果中可以得到不同风险等级的风险因子的可信度。每个三级因子的可信度值用于生成初始状态矩阵M0。当确定第三级因素的初始状态矩阵M0和权重时，采用式(8)的模糊推理算法计算第二级因素的风险等级。

R_ei=W_eiM_0iQ(8)

其中，R_Ei为二级因子Ei的风险等级;为权重向量，其中元素为隶属于二级因子Ei分支的三级因子的权重;M_0i是二级因子Ei分支中三级因子的初始状态矩阵。

2.4.2二级因素耦合分析

当获得第二级因子的风险值时，可以通过一个耦合度模型来评估其耦合风险值，该模型通常用来描述系统中不同因子之间的相互作用。耦合度模型源于物理学中的能力耦合概念(Wangetal.，2018;王和倪，2014)。对于有m个影响因子的系统，可以通过式(9)计算各影响因子的耦合程度。

C={（R₁R₂hellip;R_m）/[]}^1/m(9)

其中R_i为因子I的风险值，C(0,1)为耦合度。在物理学中,耦合状态定义如下:C=0表示没有这些因素之间的耦合现象,C(0,0.3)表示,这些因素在低强度耦合状态,C(0.3,0.7)表示,这些因素在中等强度耦合状态,C(0.7,1)表明,这些因素在高强度耦合状态,C=1表示耦合状态达到最高强度。

根据单因素的风险值，可以通过上述公式计算出各耦合情景下的耦合风险值。通过对耦合风险值的比较分析，可以得出多因素耦合对海底管道安全的影响。

2.5综合风险评估

最后一步是综合考虑风险评价体系中各因素，对海底管道综合风险等级进行评价。在最后一步中确定了二级因素的风险等级。因此，如果计算二级因子的权重，就可以得到一级因子的风险等级。对第一级因子的评价是基于以下两个

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