京都大学新制・課程博士博士(工学)甲第24295号工博第5068号新制||工||1791(附属図書館)京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻(主査)教授 CRUZ Ana Maria, 教授 渦岡 良介, 教授 肥後 陽介学位規則第4条第1項該当Doctor of Philosophy (Engineering)Kyoto UniversityDFA

SONG, Su

English

Kyoto University Research Information Repository

RIGHT:URL:CITATION:AUTHOR(S):ISSUE DATE:TITLE:Assessing Pipeline Failure Probabilities and Hotspots atMultiple Spatial Scales: The Development of a NovelIntegrated Methodology to Simulate the Cascading Impactsof Debris Flows on Oil Pipelines( Abstract_要旨 )SONG, SuSONG, Su. Assessing Pipeline Failure Probabilities and Hotspots at Multiple Spatial Scales: The Development of a NovelIntegrated Methodology to Simulate the Cascading Impacts of Debris Flows on Oil Pipelines. 京都大学, 2022, 博士(工学)2022-11-24https://doi.org/10.14989/doctor.k24295許諾条件により本文は2024-09-21に公開; 学位規則第9条第2項により要約公開; 許諾条件により要約は2023-11-20に公開 - 26 - 京都大学 博士（ 工学） 氏名 Su SONG 論文題目 Assessing Pipeline Failure Probabilities and Hotspots at Multiple Spatial Scales：The Development of a Novel Integrated Methodology to Simulate the Cascading Impacts of Debris Flows on Oil Pipelines （複数の空間スケールにおけるパイプラインの破損確率とホットスポットの評価：土石流が石油パイプラインに与える連鎖的な影響を計算するための新しい総合的方法の開発） （論文内容の要旨）  Landslides represent the number one natural hazard impacting oil and gas transmission pipelines leading to explosions, fires and oil in Europe and the United States (U.S.), and often result in huge economic losses and impacts to communities. In particular, rainfall induced debris flows, a type of landslide, are of concern due to increased precipitation patterns brought about by climate change. These natural hazard triggered chemical accidents are known as Natech accidents. At a regional scale, there are no available methodologies to assess aboveground transmission pipeline failure hotspots due to the impact of rainfall-induced debris flows. Moreover, there are only limited efforts to assess the probability of chemical accidents along oil and gas transmission pipelines triggered by landslide.   The aim of this study is to develop a novel methodology to simulate the cascade chain of events from the triggering of the debris flow, to its propagation, and the impact of the debris flow on transmission pipeline in order to investigate and assess pipeline hotspots and failure probabilities at different spatial scales and for various pipeline arrangements. In order to fulfil the study aim, the study proposed the following objectives: • To develop a methodology to identify pipeline hotspots at a regional scale due to rainfall-induced debris flows; • To further develop the methodology to assess pipeline failure probabilities at the regional scale due to rainfall-induced debris flows considering the uncertainty of soil properties and pipeline operation conditions; and • To investigate different pipeline arrangement scenarios and assess the corresponding pipeline failure probabilities in the near-field.  To achieve the aim and goals, the study first proposes a methodology to simulate the three phases of the debris flow that include the triggering of the debris flow, its propagation, and the impact of the debris flow on the pipeline at a regional scale. To conduct the simulation, the study uses the Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability Analysis Model (TRIGRS), coupled with the Rapid Mass Movement Simulation (RAMMS) tool, and a pipeline failure mechanical model. The proposed methodology was validated and calibrated using historical data from a rain-induced debris flow event that occurred in Mocoa city, Colombia, in 2017, showing promising results.   Furthermore, the study proposes a methodology to assess the pipeline failure probability at the regional scale considering the uncertainty of soil properties and pipeline operating conditions. The methodology uses the Green-Ampt and slope stability model with the consideration of soil parameters (cohesions and internal friction angle) uncertainty. These parameters can be defined as probability density functions, and by means of Monte Carlos simulations to random sample the 京都大学 博士（ 工学） 氏名 Su SONG values,  the debris flow occurance probabilities in each cell of the spatial grids are estimated. Given the large area to be simulated, a methodology is prosed to integrate the cells of the grid in order to reduce computational time. Specifically, the cells having the same probability values are integrated, and the spatial grid is separated into probability intervals. These intervals are used as the input for the debris flow simulation and the loads of the debris flow can be calculated. The loads are then used as one of the input into a modified pipeline failure mechanical model that allows the consideration of the effects of the pipeline operating conditions. Given the uncertainty in pipeline operating conditions (internal pressure and temperature), the operating conditions are also defined as probability density functions. A Monte Carlo simulation is used to conduct random sampling of the operating conditions values and the pipeline failure probability of each segment can be obtained. Thus, the loads can be estimated with the combination of different probability intervals, which are used to calculate the pipeline Natech accident probability.   The above approaches are proposed for the analysis of debris flow impacts on pipelines at the regional scale. Nonetheless, local authorities, stakeholders, and operators often need to consider the pipeline alignment in the near-field when these traverse debris flow-prone areas during the pipeline life cycle. However, there is limited research that considers the pipeline layout, alignment, segment lengths (length of pipeline between rigid supports or other structures), and uncertainty of operating conditions simultaneously in the near-field. Thus, the study proposes a methodology to model the process of debris flow and the impact on the pipeline through the integration of 3D debris flow simulation (DebrisInterMixing) and modified pipeline failure mechanical models. Then, by introducing a polar coordinates approach, the pipeline failure probability can be obtained under different pipeline alignments, segment lengths, and operating conditions. The results show that with the increase in pipeline segment length, the pipeline failure probability increases. The results can also be mapped to show the pipeline failure probability for different pipeline layouts.  This study developed a novel quantitative-mechanistic methodology to simulate the cascade process from the rainfall infiltration in areas subject to debris flow, to the debris flow process, the impact of debris flow loads on oil and gas transmission pipelines, to the estimation of pipeline failure probabilities at both the regional scale and in the near-field. In this sense, the study provides a valuable tool, that is computationally efficient, to support decision-making processes. In particular, the study can support the decisions of local authorities, stakeholders, and operators for risk assessment, prioritization of hazard mitigation measures and emergency planning, or decisions regarding pipeline siting. Finally, this research provides basic knowledge and information needed for Natech risk assessment and management of aboveground transmission pipelines subject to debris flows.            氏 名 Su SONG （論文審査の結果の要旨）  本研究の主な目的は、土石流の発生からその伝播、地上石油輸送パイプラインへの影響に至る一連の事象をシミュレートするための、新しい定量的・力学的手法を開発することである。この目的を達成するため、工学、科学、リスクマネジメントを融合した本研究の目的は、a) 降雨による土石流が発生する地域スケールのパイプラインのホットスポットを特定するための定量的手法を開発すること、 b) 土質特性とパイプライン運用条件の不確実性を考慮して降雨による土石流の地域スケールでのパイプライン破損確率を評価する手法を開発すること、 c) 異なるパイプライン配置シナリオの調査とニアフィールドのパイプライン破損確率を評価すること、の 3 点である。本論文では、これらの新規性を説明するため、問題と研究ギャップを明確に示した文献のレビューを提供する。  モデルを検証し、校正し、その適用性を示すために、2017年にコロンビアで発生した土石流に関するデータが収集された。主な成果は以下の通りである。  1) 土石流の発生、その伝播、土石流がパイプラインに与える影響など、連鎖的なプロセスの3 つの段階を統合することにより、降雨による土石流のリスクを受けるパイプラインのホットスポットを特定するための方法論を開発した。この手法を 2017 年にコロンビアで発生した土石流に適用し、その適用性を確認した。 2)土石流の発生確率とそれに対応するパイプラインの破損確率を、地域スケールでの土質とパイプラインの運転条件の不確実性を考慮して推定する修正手法を提案した。この結果は、リスク評価のインプットとして、Natech事故確率の推定に使用することができる。 3) 土石流が発生しやすい地域において、パイプラインの位置と方向、パイプラインセグメントの長さ、およびニアフィールドでのパイプラインの運用条件を考慮して、可能なパイプラインレイアウトシナリオをシミュレーションする方法を開発した。この方法により、異なるパイプラインレイアウトの配置に対応するパイプラインの破損確率を得ることができる。  本研究で開発された手法は、その計算効率と簡便さにより、土石流が石油パイプラインに与える連鎖的な影響を地域スケールで評価することができ、リスクマネジメントの実務に大きく貢献できる。以上のことから、本論文は、リスクマネジメントや災害リスク軽減の観点から、学術上、実際上寄与するところが少なくない。よって、本論文は博士（工学）の学位論文として価値あるものと認める。また、令和 4年 10月 21 日、論文内容とそれに関連した事項について試問を行って、申請者が博士後期課程学位取得基準を満たしていることを確認し、合格と認めた。   なお、本論文は、京都大学学位規程第１４条第２項に該当するものと判断し、公表に際しては、当該論文の全文に代えてその内容を要約したものとすることを認める   

複数の空間スケールにおけるパイプラインの破損確率とホットスポットの評価：土石流が石油パイプラインに与える連鎖的な影響を計算するための新しい総合的方法の開発

https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/278327/2/ykogk05068.pdf

複数の空間スケールにおけるパイプラインの破損確率とホットスポットの評価：土石流が石油パイプラインに与える連鎖的な影響を計算するための新しい総合的方法の開発

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Kyoto University Research Information Repository