海底管道完整性管理中偶然荷载的风险评估和决策研究

摘要

中国既是大陆国家，也是海洋大国，海岸线长18,000公里，海疆面积达三百余万平方公里。这片蓝色疆土中有着丰富的资源，因此开发利用海洋资源对我国的可持续发展有着重大的意义。国家“十二五”规划着重强调了发展海洋经济，同时，沿海地区也纷纷推出了各自海洋经济发展规划，预测在未来十年，我国海洋经济产业将会具备广阔的发展前景。海底管道是在海底连续输送大量油气物质的密闭型联通容器。作为当前最安全、最经济和最快捷的海上油气运输手段，油气管道是海洋油气田开发和生产中不可缺少的生命线工程。海底管道的长处是能够持续运输，基本不受气候、环境等因素影响，且不会因为海上油气储存设施容量约束或者穿梭油轮接运不及时等原因而导致油气田减产甚至停产。此外，海底管道的施工周期较短，投产较快，自动化程度很高，管理简便并且能耗少。因而，在油气开发热潮中，海底管线已经逐渐成为海上石油、天然气储运所采用的主要形式。然而，海底管道所输送的油气为有害的易燃易爆物质，一旦管道发生泄漏或断裂，会对其周围的环境和人员产生严重的后果：轻则耽误生产，浪费资源；重则泄漏的原油、天然气被引爆，造成人员伤亡和财产损失，并严重污染环境。随着海底管道的不断建设和管网的铺设延伸，海洋资源开采和储运的安全问题愈加受到人们的关注，而近些年时有发生的安全事故，如2010年4月的墨西哥湾漏油事件，更是给全社会敲响了警钟。
　　海底长输油气管道在空间和时间上的跨度，相对高昂的检测、维护和维修成本，以及泄露事故所导致的严重后果决定了：加强管道安全建设，不仅需要硬件技术创新，更需要安全管理理念的突破和管理模式的根本变革。管道完整性管理（Pipeline Integrity Management，PIM）即在这种背景下产生，且已经被国际各大管道公司普遍采用，在保证管道安全性方面发挥了重要作用。风险评估是管道完整性管理的关键步骤和重要内容，在风险管理的基础上，监测维修资源可以得到进行更加优化的配置，从而提高管道运营安全保障的效率，降低安全维护成本。
　　本课题主要研究海底管道完整性管理体系下的风险评估和决策方法，研究对象主要是偶然荷载导致的海底管道安全事故。在海底管道事故的统计分析基础上，以管道完整性管理为切入点，本文提出了适用于海底油气管道的完整性管理框架，进而得出了实施完整性管理对风险评价环节的要求。为了充分利用主观信息，又能够合理模拟事故发生发展机制，本文首先提出了基于规则的模糊综合评价方法，以满足某一类风险源影响下的海底管道风险分级要求。随着海底管道安全要求的不断提升，越来越多的管道管理者一方面需要绝对概率形式的风险评价结果以支持经济性评估和决策，另一方面要求风险评估模型能够在管道生命周期内不断更新以获得更为准确的分析结果。因此，本文建立了基于贝叶斯网络的风险评估模型，并结合成本效益分析方法，为管道管理者提供了全面的风险评估和决策方案。贝叶斯网络方法既能预测事故发生概率，其学习功能又可以很好的支持在数据更新情况下的模型改进，是满足较高管道风险评价要求的可行方法。基于上述考量，本文的主要研究内容包括：
　　(1)海底管道完整性管理框架与风险分析层次。本文首先根据国内外海底管道事故统计数据，分析得到：1)海底管道事故分类，2)各类型事故原因及概率，3)海底管道风险源划分。在此基础上，结合风险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，通过轮轮相扣的完整性管理环节、持续更新的完整性管理信息系统和适用的风险评估方法，能够1)及时更新用于风险评价的数据，应对突发突变事件；2)不断改进风险管理水平；3)实现风险评价和后续检测、维护和维修措施的有机结合。风险管理是海底管道完整性管理中的关键环节，本文总结了完整性管理下风险评价的三个层次的要求，分别是风险分级与高风险区识别、风险值与可接受标准的比较、以及基于风险的检测和维修维护方案。本文后续研究内容即围绕三个层次的要求展开。
　　(2)基于规则的模糊综合评价在海底管道风险分级中的应用。海底管道完整性管理第一层次要求是针对某一类风险源进行风险分级，用于支持高风险管道的筛选。另外，由于数据缺乏和事故机理模糊等原因，初步的风险评估需要充分利用专家经验。为了在准确性和可操作性上取得平衡，本文提出了基于规则的模糊综合评价方法，有机的将模糊综合评价方法与模糊推理方法结合在一起。该方法通过模糊综合来融合各层次指标信息，又通过基于规则的模糊推理来有效模拟事故机理。
　　本文就第三方破坏这种最常见的偶然荷载风险源进行了建模，包括指标层级构建、模糊化处理、权重赋值、模糊综合、模糊推理以及去模糊化等步骤。接着，将该模型应用于算例分析，所得结果基本反映了工程实际情况。本文将模型评估结果与目前最常用的打分法结果进行了对比，通过 K-均值算法进行聚类分析，发现模型结果更加符合实际管道“两头少，中间多”安全状况分布，同时较大的聚类中心距离也更有利于风险分级与决策，即达到第一层次的要求。
　　(3)基于贝叶斯网络和成本效益分析的海底管道风险评估与决策。通过打分法或者模糊评价法可以得到相对值形式的风险评价结果，从而支持风险分级并筛选出高风险的管段。但是，风险的相对大小既不能说明某种事故情景发生的风险值是否超出企业、政府乃至社会的可接受程度，也不能用于估算可能的事故损失并制定针对性决策。因此，有必要将定性的管道风险评估细化到具体的事故情景，并深入到定量分析。贝叶斯网络方法具有结构灵活、能包含多值状态指标以及可以进行结构和参数学习的优点。因此，本文采用贝叶斯网络构建海底管道事故的定量风险评估模型。针对海洋管道工程特点，本文提出了四种参数推导方法：布尔运算方法、历史数据与规范法则方法、模糊集合法和数据学习法，并将这四种方法运用于模型构建中。
　　为了评估风险减缓措施的经济性，本文提出了贝叶斯网络和成本效益分析的综合方法。该方法包括确定风险可接受标准、构建贝叶斯网络评估模型、风险评估、成本效益分析和风险减缓措施实施五个步骤。采用该方法，本文对海底管道中间段的船锚冲击事故和平台安全区管道的坠物事故两个案例进行了分析，得到1)海底管道遭受不同程度破坏的概率，2)遭受破坏的主要原因，3)风险减缓措施的成本效益率。通过风险可接受标准判断是否需要采取风险减缓措施，再通过成本效益分析挑选经济性最优的措施方案，案例分析证明基于贝叶斯网络和成本效益分析的风险评估和决策方法能够很好的满足海底管道完整性管理对风险评估第二层次和第三层次的需要。
　　对比既有的国内外研究，本研究的创新点可以归纳为：
　　(1)建立了基于规则的模糊综合评价模型。目前模糊综合评价方法和模糊推理方法在管道风险评估中都有应用，但模糊综合中的简单赋权不能模拟事故发生发展机理，而多层次的模糊推理又十分繁琐。本文首次融合两种方法构建模型，采用“IF-THEN”规则模拟事故情景，并应用于海底管道的风险分级和高危险区识别问题。
　　(2)构建了评估海底管道安全风险的贝叶斯网络模型。目前还没有关于贝叶斯网络在管道工程风险评估中的应用研究。本文首次提出贝叶斯网络概率参数推导的四种方法，有效地解决了贝叶斯网络在大型工程风险评估中的模型构建问题。
　　(3)提出了综合贝叶斯网络和成本效益分析的风险评估和决策方法。该方法在风险减缓措施的收益计量以及风险可接受标准和成本风险比的综合运用这两个方面具有比较好的创新性，能够有效支持风险减缓措施的经济性评价与选择，对复杂工程项目的经济性评估和决策具有一定的参考和借鉴意义。

目录

封面

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中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究工作

1.4 全文组织结构

第二章 海底管道事故的统计与分析

2.1 海底管道相关事故统计

2.2 PARLOC数据库统计

2.3 时间维度上的海底管道风险源分析

2.4 本章小节

第三章 海底管道完整性管理与风险评估

3.1 海底管道完整性管理框架

3.2 完整性管理的IDEF0功能建模

3.3 完整性管理下风险评估的要求

3.4 风险评估衔接案例

3.5 本章小节

第四章 基于规则的模糊综合评价方法

4.1 模糊数学和模糊推理

4.2 模糊综合评价

4.3 基于规则的模糊综合评价方法

4.4 本章小结

第五章 海底管道第三方破坏的风险分级案例

5.1 海底管道第三方破坏情景描述

5.2 基于规则的模糊综合评价模型构建

5.3 算例分析

5.4 本章小节

第六章 基于贝叶斯网络和成本效益分析的综合方法

6.1 贝叶斯网络

6.2 推导贝叶斯网络概率参数的四种实用方法

6.3 成本效益分析

6.4 海底管道风险减缓措施的成本效益率计算

6.5 贝叶斯网络和成本效益分析的应用步骤

6.6 本章小节

第七章 船锚冲击事故的风险评估案例

7.1 船锚冲击事故情景描述

7.2 贝叶斯网络建模

7.3 实例分析

7.4 本章小节

第八章 海洋平台坠物事故的风险评估案例

8.1 海洋平台坠物事故情景描述

8.2 贝叶斯网络构建

8.3 实例分析

8.4 本章小结

第九章 总结与展望

9.1 本文研究工作总结

9.2 不足之处与未来展望

参考文献

攻读博士期间发表或录用的论文

致谢