張強(qiáng)1 楊玉鋒1 張華兵1 程萬(wàn)洲2 魏然然1 張希祥1

1.中國(guó)石油管道科技研究中心·油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室； 2.中石油管道有限責(zé)任公司

摘要：針對(duì)油氣管道第三方損壞作用下失效概率的計(jì)算問(wèn)題，對(duì)比研究了目前常用的指標(biāo)體系法、基于歷史失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)修正法和數(shù)學(xué)分析等的失效概率計(jì)算模型及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。三種方法的側(cè)重點(diǎn)不同，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求組合使用不同方法，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)及進(jìn)行不同方法的結(jié)果對(duì)比研究，可使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：油氣管道；第三方損壞；失效概率

第10版EGIG失效數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，第三方損壞在過(guò)去10年間（2007－2016）占整個(gè)失效的28.4%，位居首位。目前，管道沿線周邊環(huán)境日趨復(fù)雜，第三方施工管理難度不斷加大，施工活動(dòng)多、種類雜，建設(shè)項(xiàng)目節(jié)奏快，同時(shí)新型施工技術(shù)層出不窮，對(duì)管道企業(yè)專業(yè)化要求不斷提高。研究掌握第三方損壞發(fā)生的可能性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，文章綜述了三種關(guān)于第三方損壞失效概率計(jì)算方法及優(yōu)缺點(diǎn)，可為日后實(shí)際運(yùn)用提供借鑒。

1 管道第三方損壞失效概率計(jì)算方法

1.1 指標(biāo)體系法

指標(biāo)體系法是將油氣管道半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法的失效可能性分值通過(guò)一系列的規(guī)則轉(zhuǎn)化為定量的失效概率。肯特[1]在第3版《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)：理念、技術(shù)及資源》提供了一種簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化規(guī)則，其假定每個(gè)指標(biāo)得分總和代表了一個(gè)剩余完好率，即在一定時(shí)間內(nèi)管段保持完好的機(jī)率，則失效概率分值等于1減去不同失效模式的指數(shù)和分值與總分值的比的乘積。由于未給出得分值與實(shí)際失效概率分值之間的關(guān)系式，書中提供的失效概率是一個(gè)相對(duì)的分值而不是實(shí)際概率。 Hong Lu[2]依據(jù)這一思想，進(jìn)一步給出了一種指數(shù)關(guān)系的失效概率分值和實(shí)際失效概率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其假定當(dāng)失效可能性得分值為0時(shí)，實(shí)際失效概率為1，當(dāng)失效概率得分值為滿分時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況確定“有效零點(diǎn)”，即失效概率的下限值，以此來(lái)獲得轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.2 基于歷史失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)修正法

基于歷史失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)修正法，即首先確定油氣管道的基礎(chǔ)失效頻率，再進(jìn)行修正以符合特定管道的運(yùn)行管理情況。基礎(chǔ)失效頻率的確定多以失效數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，目前國(guó)外已經(jīng)建立了比較完備的失效數(shù)據(jù)庫(kù)，例如美國(guó)管道和危險(xiǎn)物品安全管理局（PHMSA）、加拿大國(guó)家能源局（NEB）、歐洲天然氣事件組織（EGIG）、英國(guó)陸上管道運(yùn)營(yíng)協(xié)會(huì)（UKOPA）、歐洲空氣與水保護(hù)組織（CONCAWE）等。中石油管道有限責(zé)任公司也致力于所轄范圍內(nèi)油氣管道失效數(shù)據(jù)的管理工作，并由中國(guó)石油管道科技研究中心于2009年建立了相應(yīng)管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了中國(guó)石油管道線路失效定義及油氣管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)界限，建立了具有自身特點(diǎn)的失效數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)[3]。

失效頻率的修正方法暫未統(tǒng)一，眾多學(xué)者進(jìn)行了有益嘗試，一類是引入修正因子，如張華兵[4]、帥健[5]基于失效數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合具體評(píng)價(jià)目標(biāo)管道的自身特點(diǎn)，建立了天然氣管道失效頻率計(jì)算模型。另一類 是利用已有的管道失效記錄進(jìn)行線性回歸或數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)，如王海清[6]對(duì)EGIG失效數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸分析，并綜合考慮管道環(huán)境和運(yùn)行條件，提出了管道第三方損壞失效概率預(yù)測(cè)模型。孫傳青等[7]將信息擴(kuò)散理論引入到管道第三方損壞模型中，給出了第三方損壞發(fā)生次數(shù)的概率預(yù)測(cè)。

1.3 數(shù)學(xué)分析法

數(shù)學(xué)分析法可分為三類，即結(jié)構(gòu)可靠度、概率圖譜（例如故障樹(shù)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)）和模糊邏輯法。

結(jié)構(gòu)可靠度的方法即依據(jù)強(qiáng)度－應(yīng)力理論將管道的強(qiáng)度和應(yīng)力視為隨機(jī)變量，在給定失效模式和參數(shù)概率分布情況下，建立管道承受荷載與管道抗力的極限狀態(tài)方程進(jìn)行求解。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量研究，并相繼出臺(tái)了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了技術(shù)要求，如ISO16708《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)—基于可靠性的極限狀態(tài)方法》、 CSAZ662《油氣管道系統(tǒng)》附錄O。 Nessim介紹了該方法中關(guān)鍵公式和參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)取值及安全系數(shù)的確定，并進(jìn)行了評(píng)估。

概率圖譜是表示影響管道運(yùn)行安全各事件之間的邏輯關(guān)系，主要包括故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。兩者的不同之處在于，故障樹(shù)通過(guò)基本事件的“與”“或”門求解頂上事件發(fā)生的概率，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)基本事件之間的條件概率確定。如Qishi Chen[8]給出了一種綜合考慮管道預(yù)防第三方損壞措施的具有9個(gè)層級(jí)29個(gè)基本事件的事故樹(shù)模型，該模型細(xì)化了減緩措施，能夠更好的量化減緩措施的有效性。曹斌等[9]針對(duì)川渝地區(qū)的輸氣管道，建立了管道第三方損壞故障樹(shù)。Smitha D. Koduru[10]提出了一種基于故障樹(shù)的第三方損壞沖擊頻率評(píng)估的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，闡述了故障樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的全過(guò)程。

模糊邏輯的方法多與故障樹(shù)聯(lián)合使用，用于解決管道量化評(píng)價(jià)中的不確定性問(wèn)題。如李軍[11]等基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論，計(jì)算了燃?xì)夤艿赖谌�方損壞風(fēng)險(xiǎn)的失效可能性。由于與概率分析模型相比模糊評(píng)判理論并沒(méi)有較大優(yōu)勢(shì)，因此目前該方法并未大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 各方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

以上三種方法均在一定程度上解決了實(shí)際問(wèn)題，指標(biāo)體系法簡(jiǎn)單易用但受主觀影響較大。基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)修正法，易用性及復(fù)雜程度居中，得到了廣泛認(rèn)可，但修正因子方法的確定不統(tǒng)一限制了進(jìn)一步發(fā)展。數(shù)學(xué)分析法能夠解決不同失效模式的失效問(wèn)題，能應(yīng)用于更精確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但模型復(fù)雜難以理解，可操作性低。三種方法的對(duì)比及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

3 結(jié)論

針對(duì)油氣管道第三方損壞作用下失效概率的計(jì)算問(wèn)題，對(duì)比研究了目前常用的指標(biāo)體系法、基于歷史 失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)修正方法、數(shù)學(xué)分析法等的計(jì)算模型，總結(jié)了三種方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用注意事項(xiàng)。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需求組合使用不同方法，形成互補(bǔ)，進(jìn)行不同方法的結(jié)果對(duì)比研究，可使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1] W.Kent Muhlbauer. Pipeline Risk Management ManualIdeas,Techniques and Resourses[M]. 200 Wheeler Road,Burlington, MA01803 USA: Gulf Professional Publishing, 2006.

[2] Hong Lu,Allison Denby. A Decision Making Methodof Pipeline Risk Assessment[C].Proceedings ofthe 2010 8th International Pipeline Conference.IPC2010-31193,2010.

[3] 王婷，王新，李在蓉，等.國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸油氣管道失效對(duì)比[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2017， 36(11)： 1258-1264．

[4] 張華兵.基于失效庫(kù)的在役天然氣長(zhǎng)輸管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)， 2006.

[5] 帥健，單克.基于失效數(shù)據(jù)的油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[J].天然氣工業(yè)， 2018， 38(09)： 129-138.

[6] 王海清，曹斌，丁楠.浙江省天然氣管道第三方破壞失效概率計(jì)算方法探討[J].內(nèi)蒙古石油化工，2014(14)： 36-38.

[7] 孫傳青，姚安林.基于信息擴(kuò)散理論的管道第三方破壞概率模型研究及應(yīng)用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011(4)： 10-11.

[8] Qishi Chen,Kimbra Davis,Curtis Parker.Modeling DamagePrevention Effectiveness Based on Industry Practices andRegulatory Framework[C]. Proceedings of the 2006 6thInternational Pipeline Conference,IPC2006-10433.

[9] 曹斌，廖柯熹，羅敏，楊紅.川渝地區(qū)管道高后果區(qū)第三方破壞因素分析[J].天然氣與石油， 2011，29(2)： 12-14.

[10] Smitha D. Koduru,Dongliang Lu.Equipment ImpactRate Assessment Using Bayesian Networks[C].Proceedings of the 2016 11th International PipelineConference,IPC2016-64381.

[11] 李軍，張宏，梁海濱，等.基于模糊綜合評(píng)價(jià)的燃?xì)夤艿赖谌�方破壞失效研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2016， 12(8)： 140-145.

作者：張強(qiáng)，碩士，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）安全技術(shù)及工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)石油管道科技研究中心，主要從事管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管道完整性相關(guān)研究工作。