管道指數(shù)安全評(píng)價(jià)法敏感性分析

胡燈明 羅 山蔣全龍

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 城市配氣北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 昌平 102249）

2．四川科宏石油天然氣工程有限公司 （四川 成都 610016）

3.中原油田 油氣儲(chǔ)運(yùn)管理處 （河南 濮陽(yáng) 457001）

管道指數(shù)安全評(píng)價(jià)法敏感性分析

胡燈明1羅 山2蔣全龍3

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 城市配氣北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 昌平 102249）

2．四川科宏石油天然氣工程有限公司 （四川 成都 610016）

3.中原油田 油氣儲(chǔ)運(yùn)管理處 （河南 濮陽(yáng) 457001）

采用多因素敏感性分析法，對(duì)W.Kent.Muhlbauer指數(shù)評(píng)價(jià)法模型本身的影響因素進(jìn)行敏感性分析，確定各影響因素對(duì)管道評(píng)價(jià)指數(shù)影響的大小。通過分析，發(fā)現(xiàn)各因素評(píng)價(jià)分值權(quán)重與敏感性并不完全匹配，由此對(duì)模型分值權(quán)重提出了新的思考：分值權(quán)重多少不僅僅需要考慮因素本身的重要性大小，還需要結(jié)合實(shí)際工程情況，考慮影響因素的不確定變化特性或敏感性大小，以使整個(gè)評(píng)價(jià)模型和過程更具有實(shí)用性。

管道指數(shù) 安全評(píng)價(jià) 敏感性

W.Kent.Muhlbauer提出的管道指數(shù)評(píng)價(jià)法是目前經(jīng)典的管道安全評(píng)價(jià)方法。該方法中，打分評(píng)價(jià)體系是核心，作者將造成管道事故的原因分為4類指數(shù)，即第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)和操作。每一類分配分?jǐn)?shù)100分，總指數(shù)和在0～400分之間。每一類指數(shù)下面又包含若干影響因素，給各影響因素分配了不同的評(píng)價(jià)分值，并設(shè)定了不同的評(píng)價(jià)等級(jí)。各因素分配的分?jǐn)?shù)多少大致與其引發(fā)事故危險(xiǎn)性的大小一致。因素分配的權(quán)重越大，表示該因素越重要，在管道風(fēng)險(xiǎn)增加或減少方面起的作用也越大；分配的權(quán)重越少，表示該因素越不重要，在管道風(fēng)險(xiǎn)增加或減少方面起的作用也越小[1]。

然而，從油氣管道事故數(shù)據(jù)來(lái)看，模型因素的權(quán)重與事故原因統(tǒng)計(jì)的比例并不一致：EGIG對(duì)1970-2007年運(yùn)行的輸氣管道事故統(tǒng)計(jì)，前三位主要因素分別是第三方破壞（占50%）、施工缺陷（占16%）和腐蝕（占15%）；而CONCAWE對(duì)1971-2006年運(yùn)行的輸油管道事故統(tǒng)計(jì)，前三位主要因素分別是第三方破壞（占36%）、腐蝕（占29%）和機(jī)械失效（占28%）[2，3]。在實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，部分評(píng)價(jià)因素主要由規(guī)范和法規(guī)來(lái)確定，且屬性一旦確定，發(fā)生變化的可能性和變化的程度非常小或幾乎不發(fā)生變化，其影響也是相對(duì)確定的，分配的分值權(quán)重大小并不能代表其對(duì)風(fēng)險(xiǎn)增加或減少所起的作用，所以需要分析各影響因素對(duì)評(píng)價(jià)指數(shù)的敏感性大小。管道敏感性分析就是在各類影響因素中，不確定性參數(shù)變化時(shí)，對(duì)管道安全評(píng)價(jià)指數(shù)的影響程度。不確定性是產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的根源，對(duì)安全指標(biāo)影響程度較大的參數(shù)，其不確定性所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)更大。 本文在 W.Kent. Muhlbauer模型的基礎(chǔ)上，對(duì)各評(píng)價(jià)因素的敏感性進(jìn)行分析，即在4類主要評(píng)價(jià)指標(biāo)下各因素對(duì)管道評(píng)價(jià)指數(shù)的敏感性大小關(guān)系。

敏感性分析

敏感性分析是經(jīng)營(yíng)決策中常用的一種不確定性分析方法。在影響決策目標(biāo)的諸多因素中，其未來(lái)狀況常常處于不確定的變化狀態(tài)，而且各種因素的不確定性給目標(biāo)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)程度也不一樣。敏感性分析的核心問題，就是從許多不確定因素中找出敏感因素，測(cè)出各個(gè)因素的變化對(duì)目標(biāo)影響的程度，敏感性分析目標(biāo)函數(shù)F=f(x1,x2,…,xn),（xi是影響因素）。根據(jù)研究影響因素發(fā)生變化的數(shù)量，分為單因素敏感性分析和多因素敏感性分析[4]。在管道指數(shù)評(píng)價(jià)法中，評(píng)價(jià)人員針對(duì)具體評(píng)價(jià)對(duì)象確定分值大小的時(shí)候，出現(xiàn)評(píng)分偏差變化的情況是多因素變化，故采用多因素敏感性分析。

根據(jù)W.Kent.Muhlbauer評(píng)價(jià)模型，管道指數(shù)評(píng)價(jià)法中的總指數(shù)和包含的若干因素，每一因素含有若干評(píng)分水平，每一因素在不同水平下，作者都確定了相應(yīng)的等級(jí)和評(píng)分分值，最終求和來(lái)確定總指數(shù)。不同的評(píng)價(jià)人員在評(píng)判的時(shí)候，由于經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、心理因素等影響，可能對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象選擇不同的分值或?qū)φ障鄳?yīng)的等級(jí)進(jìn)行評(píng)分，這種評(píng)分的偏差圍繞設(shè)定的評(píng)分分值變化。其評(píng)價(jià)的過程和結(jié)果可以通過多因素試驗(yàn)來(lái)模擬，每一因素的每一水平對(duì)應(yīng)一個(gè)評(píng)價(jià)分值，由作者已經(jīng)確定，這個(gè)分值就是試驗(yàn)結(jié)果的參考值，即對(duì)管道指數(shù)評(píng)價(jià)法模型利用多因素試驗(yàn)思想進(jìn)行敏感性分析。

以指數(shù)總和作為分析目標(biāo)，通過這些影響因素在不同評(píng)分水平組合下分析評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的變化程度，據(jù)此找出敏感因素。但多因素敏感性分析工作量很大，如第三方損害指數(shù)有6個(gè)影響因素，每個(gè)因素設(shè)有5種評(píng)分等級(jí)，則需要進(jìn)行56次敏感性分析。為了減少工作量又不影響分析結(jié)果，本文引入正交試驗(yàn)理論[4，5]。

正交試驗(yàn)[4，5]

正交設(shè)計(jì)方法是一種處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法，它利用正交表來(lái)安排多因素試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。正交試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，具有水平均勻性和搭配均勻性，即：①每一因素占據(jù)一列位置，其不同水平參加試驗(yàn)次數(shù)相同；②任兩列不同因素水平所構(gòu)成序偶數(shù)相等，相同序偶數(shù)出現(xiàn)次數(shù)在兩列內(nèi)也相同。

根據(jù)管道4類評(píng)價(jià)指數(shù)下的各因素和所處的不同水平，選擇正交表LK（PJ）進(jìn)行試驗(yàn)，L表示正交表符號(hào)，K表示試驗(yàn)次數(shù)，即正交表行數(shù)；P表示因素的水平數(shù)；J表示因素個(gè)數(shù)，即正交表的列數(shù)。由正交試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算確定評(píng)價(jià)指數(shù)和，然后采用極差分析方法對(duì)正交計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定各影響因素對(duì)所考察指標(biāo)影響大小順序。管道指數(shù)評(píng)價(jià)法敏感性分析可采用線形模型如下：

式中 β0—常數(shù)項(xiàng)；

βn—自變量；

Xn—回歸系數(shù)；

ε—隨機(jī)誤差服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

在模型中，令某些因素主效應(yīng)或交互效應(yīng)為0，而其余效應(yīng)最小二乘法估計(jì)不受影響，以保證對(duì)每個(gè)效應(yīng)估計(jì)不受到其他效應(yīng)的影響，則設(shè)計(jì)矩陣須滿足如下條件：

式中，S11，S22，...Snn都是方陣，每一方陣對(duì)應(yīng)于一組效應(yīng)。對(duì)于某個(gè)因素Xi對(duì)指標(biāo)Y的顯著性次序分析，不做定量結(jié)論，只要求自變量Xi對(duì)因變量Y的顯著性影響次序，對(duì)式1中的回歸系數(shù)不用求解，只需要按照上式2進(jìn)行試驗(yàn)。

設(shè)a，b，...表示不同影響因素，m為因素評(píng)分水平數(shù)，ai表示因素a的第i水平（i=1，2...m）；Xij表示因素j的第i水平值，在Xij下進(jìn)行試驗(yàn)得到因素j的第i水平的試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)Yij，Yij服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。在Xij下做n次試驗(yàn)得到n個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，分別為Yijk（k=1，2，...n）。計(jì)算：

式中 Kij—因素j的第i水平值下的統(tǒng)計(jì)參數(shù)；

N—因素j的第i水平下的實(shí)驗(yàn)次數(shù)；

Yijk—因素j在i水平值第k個(gè)試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，利用極差分析因素敏感性。

評(píng)價(jià)指數(shù)敏感性分析

1 第三方破壞因素

第三方破壞包括6種因素，不同的因素分值水平不完全相同，需要按照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。如，管道埋深分?jǐn)?shù)=13.1×C（C表示深度），管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求埋地管道，管頂覆土最小深度不能小于0.8m，取10分；最大深度為1.6m，若再增加深度無(wú)減少風(fēng)險(xiǎn)效果，取值20分。活動(dòng)程度在原來(lái)所設(shè)水平基礎(chǔ)上，增加一個(gè)水平等級(jí)（18分）。地面設(shè)施評(píng)分水平在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了綜合，設(shè)置為5個(gè)等級(jí)。公共教育在原來(lái)基礎(chǔ)上，用插值法增加兩個(gè)水平等級(jí)15分和25分。管道標(biāo)志評(píng)分水平按照作者定義，沒有變化。巡線頻率按原要求有7個(gè)評(píng)價(jià)級(jí)別，排開不存在不巡線情況（0分），并對(duì)每周4次（12分）和每天巡線（15分）評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行。第三方破壞影響調(diào)整后的影響因素——水平表如表1所示。

對(duì)這些因素下不同水平的評(píng)價(jià)進(jìn)行正交分析，建立正交試驗(yàn)表（表2）。

表2中，A(i)～F(i)（i=1，2，3，4，5）表示 6類影響因素下的不同評(píng)價(jià)水平）。結(jié)合上述，對(duì)第三方破壞分?jǐn)?shù)的評(píng)分過程和結(jié)果采用多因素正交試驗(yàn)，共計(jì)得到25個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，將所得的觀測(cè)數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列，利用正態(tài)檢驗(yàn)紙繪圖進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)[6]。如圖1所示，除最小試驗(yàn)值點(diǎn)外，其余各點(diǎn)基本滿足正態(tài)分布。根據(jù)管道指數(shù)法評(píng)價(jià)模型的評(píng)分原則，對(duì)影響因素滿足作者評(píng)判模型要求的程度給出評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，越滿足評(píng)判條件，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)越高；越不滿足評(píng)判條件，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)越低。同理，其他3項(xiàng)指數(shù)的試驗(yàn)值也應(yīng)符合正態(tài)分布。

表1 第三方破壞6因素5水平表

表2 6因素5水平正交試驗(yàn)表

經(jīng)過正交試驗(yàn)，得到各因素敏感性大小，為了便于比較，將各因素敏感性大小進(jìn)行歸一化處理，得到各因素敏感性權(quán)重百分比，與模型各因素分配的分值權(quán)重曲線在同一圖中表示（圖2）。各影響因素敏感程度大小順序?yàn)椋夯顒?dòng)程度=公共教育＞巡線頻率＞管道埋深＞地面設(shè)施＞管道標(biāo)志。其中，活動(dòng)程度和公共教育兩類因素，作者給定的權(quán)重雖然不一樣，但是兩者對(duì)第三方破壞的敏感性影響是一致的，即兩類因素的變化對(duì)管道指數(shù)的影響是一致的。巡線頻率屬于可變因素，對(duì)管道指數(shù)的敏感性較大，高頻率的巡線頻率能有效降低第三方破壞。值得注意的是，管道埋深指數(shù)屬于非可變因素，主要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定，埋深一旦確定后，各管段都能獲得相應(yīng)的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，對(duì)第三方破壞的影響卻很小，而作者給此因素分配20%的權(quán)重，在權(quán)重分配上沒有結(jié)合實(shí)際工程情況，缺乏合理性和評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

2 腐蝕影響指數(shù)

腐蝕影響指數(shù)包括13類影響因素，根據(jù)如上第三方破壞指數(shù)調(diào)整方法，建立管道腐蝕指數(shù)13因素3水平試驗(yàn)表，編程對(duì)13因素3水平正交試驗(yàn)計(jì)算后進(jìn)行分析，得到結(jié)果如圖3所示。

其中，各影響因素可分為：內(nèi)腐蝕包括介質(zhì)腐蝕和內(nèi)保護(hù)，權(quán)重占30%；外腐蝕主要由陰極保護(hù)、涂層、土壤、使用年限、金屬埋設(shè)物、電流干擾和應(yīng)力腐蝕7個(gè)部分組成，占權(quán)重70%[7]。為了便于分析，此處將陰極保護(hù) （包括陰極保護(hù)設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求和陰極保護(hù)的檢查）和涂層（包括涂層的種類和質(zhì)量、涂層的施工、涂層的檢驗(yàn)和涂層缺陷修補(bǔ)）的二級(jí)影響因素一并進(jìn)行分析。從圖3中可以看出，外腐蝕涂層的敏感性最大，其次是內(nèi)腐蝕和外腐蝕的陰極保護(hù)。各影響因素敏感程度大小順序?yàn)椋寒a(chǎn)品腐蝕＞內(nèi)保護(hù)=陰極保護(hù)＞陰保檢查＞涂層種類和質(zhì)量＞涂層檢驗(yàn)＞涂層施工=缺陷修補(bǔ)=土壤腐蝕=電流干擾=應(yīng)力腐蝕＞金屬埋設(shè)＞使用年限。

3 設(shè)計(jì)影響指數(shù)

設(shè)計(jì)影響指數(shù)包括6種因素，每種因素設(shè)置5種評(píng)價(jià)水平，通過建立6因素5水平正交試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果如圖4所示，敏感性大小與各因素分值權(quán)重差不多接近。

設(shè)計(jì)影響指數(shù)各因素的敏感性影響大小為：水壓試驗(yàn)＞鋼管因素＞系統(tǒng)安全因素＞疲勞因素＞水擊因素=土壤移動(dòng)。水壓試驗(yàn)是可變因素，提高試驗(yàn)可以更多地排除管道焊接和管材本身的缺陷，對(duì)設(shè)計(jì)指數(shù)的敏感性影響大。系統(tǒng)安全系數(shù)和鋼管因素雖在評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)權(quán)重上相等（都是20%），但是敏感性卻不一致。鋼管因素和系統(tǒng)安全系數(shù)都屬于非可變因素，一旦確定后，不易受外界影響發(fā)生變化。鋼管因素的分值大小由鋼管實(shí)際厚度和設(shè)計(jì)厚度的比值來(lái)確定，比值越大則分?jǐn)?shù)越高；系統(tǒng)安全因素的大小由最大允許操作壓力與實(shí)際操作壓力的比值來(lái)確定，比值越大分值越高。水擊因素雖然屬于可變因素，但在管道設(shè)計(jì)和施工過程中，都安裝有卸壓閥或采取超前保護(hù)裝置，所以敏感性影響小。土壤移動(dòng)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)受線路走向、管道埋深和外界自然氣候因素等影響，在線路勘測(cè)和設(shè)計(jì)中，對(duì)走向的地理環(huán)境和管道埋深都有要求，均能有效降低其風(fēng)險(xiǎn)影響，所以土壤移動(dòng)因素主要受外界自然氣候的影響，對(duì)設(shè)計(jì)指數(shù)敏感性影響小。

4 誤操作影響指數(shù)

誤操作影響指數(shù)主要由設(shè)計(jì)誤操作、施工誤操作、運(yùn)營(yíng)誤操作和維護(hù)誤操作4類誤操作指數(shù)構(gòu)成，其中每類又包括若干二級(jí)影響因素，共計(jì)21項(xiàng)。采用同樣的方法，對(duì)各項(xiàng)影響因素的評(píng)價(jià)水平進(jìn)行整理，確定每種因素有4種評(píng)價(jià)水平。通過建立21因素4水平正交試驗(yàn)，編程進(jìn)行計(jì)算、繪圖。一級(jí)指數(shù)敏感性分析如圖5所示，二級(jí)指數(shù)敏感性分析如圖6所示。

從圖5可知，誤操作指數(shù)下一級(jí)影響因素的分值權(quán)重與敏感性相接近。對(duì)二級(jí)影響因素的敏感性進(jìn)行分析，敏感性影響較大的因素為：達(dá)到MAZOP可能性＞安全系統(tǒng)＞施工檢驗(yàn)＞維護(hù)規(guī)程＞運(yùn)行操作培訓(xùn)＞失誤預(yù)防＞SCADA通信＞工藝規(guī)程。其余因素對(duì)誤操作敏感性影響相對(duì)較小，且影響程度相近。

總結(jié)與討論

根據(jù)對(duì)管道指數(shù)評(píng)價(jià)法本身敏感性分析可以看出，影響因素所占的權(quán)重與其相對(duì)重要性并不完全匹配。即賦予分值權(quán)重大的評(píng)價(jià)因素，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)增加或減少所起的作用并不一定就大于賦予分值權(quán)重小的評(píng)價(jià)因素，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)增加或減少所起的作用并不一定就小。在若干的評(píng)價(jià)因素中，有的影響因素是可變的，因素受自身屬性或外界影響處于不確定性變化狀態(tài)，而不確定性是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的根源。所以，這些更容易發(fā)生變化的因素在評(píng)價(jià)指數(shù)法中應(yīng)該結(jié)合其敏感性重新分配分值權(quán)重。有的影響因素是非可變的，此類因素根據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等明確后，一般處于確定性狀態(tài)，受外界和自身屬性影響較小，在評(píng)價(jià)模型中即使賦予相當(dāng)?shù)姆种禉?quán)重，但是由于其相對(duì)確定性的狀態(tài)，發(fā)生變化的可能性很小，對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)影響也很小，此時(shí)同樣需要結(jié)合敏感性重新分配分值評(píng)價(jià)權(quán)重。否則，在安全評(píng)價(jià)時(shí)，就容易出現(xiàn)相對(duì)指數(shù)高的管段，并不是危險(xiǎn)性相對(duì)較低反而是危險(xiǎn)性較高，使此評(píng)價(jià)方法缺乏說(shuō)服力。

本文利用敏感性分析，確定各影響因素對(duì)評(píng)價(jià)指數(shù)的敏感性大小，這種敏感性分析是對(duì)指數(shù)評(píng)價(jià)法模型本身的分析，各因素評(píng)價(jià)分值權(quán)重與敏感性并不完全匹配，由此對(duì)模型分值權(quán)重提出了新的思考：分值權(quán)重多少不僅僅需要考慮因素本身的重要性大小，還需要結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，考慮影響因素的不確定變化特性或敏感性大小，以使整個(gè)評(píng)價(jià)模型和過程更具有實(shí)用性。

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The sensitive analysis methods of multifactors are applied to the sensitive analysis of influencing factors about the model of W.Kent.Muhlbauer's index evaluation,in order to define the degree of every factors influencing pipeline evaluation index.Based on the above analysis,it is found that the weight of evaluation value of every factors don't match their sensitivity completely.Therefore, some new idea about the weight of model value is presented that the size of value weight not only needs considering the importance extent of factors themselves,but also the characteristics of uncertain changes or the degree of sensitivity according to the practical engineering state,so as to make the whole evaluation model and process possess more practicality.

pipeline index;safety evaluation;sensitivity

胡燈明（1981-）,男，在讀碩士，國(guó)家注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)從事油氣管道安全預(yù)評(píng)價(jià)方法研究。

2009-09-13