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

帥 健 單 克

中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

0 引言

管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目的在于識(shí)別管道危險(xiǎn)因素，對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行評(píng)估排序，為制訂風(fēng)險(xiǎn)減緩措施、保證管道安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。近年來(lái)層出不窮的管道事故更加凸顯了油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要性。

油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是管道風(fēng)險(xiǎn)管控的重要技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此均開(kāi)展了大量的研究[1-8]。黃小美等[2]將基于管道失效歷史數(shù)據(jù)的方法與專家判斷方法相結(jié)合，從中找出這兩種方法之間的聯(lián)系，得到描述其相互關(guān)系的方程式。Onisawa[3]提出了將模糊數(shù)（Fuzzy Possibility Score，F(xiàn)PS）轉(zhuǎn)化成模糊概率（Fuzzy Possibility，F(xiàn)P）。Shi等[4]將層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，用改進(jìn)后的層次分析法計(jì)算專家權(quán)重，用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算模糊矩陣，從而減小專家評(píng)判主觀性的影響。Liang等[5]將故障樹(shù)分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對(duì)管道第三方破壞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分類。Lam和Zhou[8]基于數(shù)據(jù)庫(kù)，研究美國(guó)管道事故關(guān)于管徑、安裝年份、地區(qū)等級(jí)、失效原因等參數(shù)的分布情況，為管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。研究表明，管道失效歷史數(shù)據(jù)對(duì)于管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而言，是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)資料，現(xiàn)在較流行的專家打分法，沒(méi)有充分利用國(guó)內(nèi)外管道的歷史失效數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)方法的主觀性較強(qiáng)。

基于此，筆者在分析國(guó)內(nèi)外油氣管道失效歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立基于歷史失效數(shù)據(jù)的油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并建立了紅橙黃藍(lán)四色風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以期減小油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中主觀因素的影響，并進(jìn)行合理的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。

1 危害因素識(shí)別

魚(yú)骨圖是一種發(fā)現(xiàn)工程系統(tǒng)問(wèn)題“根本原因”的分析方法。在管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)收集到的管道歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行合理分類的前提?；诠P者以前對(duì)國(guó)內(nèi)油氣管道失效原因分類的分析，采用魚(yú)骨圖將油氣管道事故原因分為腐蝕、第三方破壞、自然力破壞、材料/焊接/裝備失效、誤操作、其他原因等6大類[9]，每一大類可分為若干小類（圖1），該分類也是建立管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)。

圖1 基于魚(yú)骨圖法的油氣管道危害因素識(shí)別圖

2 美國(guó)油氣管道事故分類統(tǒng)計(jì)

事故分類統(tǒng)計(jì)是得到失效概率的基礎(chǔ)，美國(guó)是目前世界上管道系統(tǒng)最為完善的國(guó)家，通過(guò)對(duì)美國(guó)運(yùn)輸部（Department of Transportation，DOT）下屬的管道及危險(xiǎn)物品安全管理局（Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，PHMSA）數(shù)據(jù)庫(kù)[10]的油氣管道里程數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)和失效因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到油氣管道的失效概率。

美國(guó)每年油氣管道的長(zhǎng)度變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2所示。美國(guó)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)將管道事故劃分為：一般事故、較大事故和重大事故3種類型，并且給出每類事故的劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]，事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖3所示，油氣管道事故原因比例分布如圖4所示。

圖2 美國(guó)油氣管道長(zhǎng)度變化統(tǒng)計(jì)圖

圖3 美國(guó)油氣管道事故統(tǒng)計(jì)圖

3 失效概率評(píng)估

3.1 評(píng)估模型

圖4 美國(guó)油氣管道事故原因比例分布圖

基于修正因子的油氣管道失效概率計(jì)算方法如式（1）所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料獲得由i失效因素引起的管道失效概率，將其作為基本失效概率（Ri），通過(guò)失效概率修正因子（Fi）對(duì)基本失效概率（Ri）進(jìn)行修正，求得要評(píng)價(jià)管線由i失效因素引起的失效概率。各個(gè)因素引起的失效概率相加即得到各段管線的失效概率。評(píng)估模型見(jiàn)圖5。

式中P表示管道失效概率，次/（km·a）；Pi表示由i失效因素引起的失效概率，次/（km·a）；Ri表示失效因素i對(duì)應(yīng)的基本失效概率，次/（km·a）； Fi表示失效因素i對(duì)應(yīng)的失效概率修正因子；l表示失效因素的個(gè)數(shù)，根據(jù)前面的分類，此處l =6。

那微笑震撼了諸葛玉，他心想：“怎么會(huì)有人面對(duì)我的劍法還笑得出來(lái)？這笑容居然還如此輕蔑？難道……他不怕死嗎？”

3.2 基本失效概率計(jì)算

管道基本失效概率也可以理解為平均失效概率，是指某國(guó)家或者某企業(yè)管道系統(tǒng)平均每年每千米發(fā)生的事故數(shù)量，反映了管道失效概率的平均狀況，可作為管道失效概率評(píng)估的基準(zhǔn)線。基本失效概率需要通過(guò)大量的歷史失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)資料獲得，該統(tǒng)計(jì)資料來(lái)源于管道事故的歷史記錄，如管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)?；跉v史失效數(shù)據(jù)的管道某失效因素i的基本失效概率（Ri）可通過(guò)式（2）計(jì)算。

式中αi表示失效因素i所占的比例；m表示年數(shù)；Nk表示第k年管道發(fā)生的事故數(shù)量；Lk表示第k年的管道長(zhǎng)度，km。

根據(jù)前述美國(guó)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道里程數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)和失效因素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，按照式（2）計(jì)算油氣管道基本失效概率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3.3 修正因子指標(biāo)體系

圖5 油氣管道失效概率評(píng)估模型圖

表1 油氣管道基本失效概率表

基本失效概率可以由統(tǒng)計(jì)資料獲得，但由于統(tǒng)計(jì)資料多來(lái)源于油氣管道事故的歷史記錄，所以其得出的值只能視為處于平均狀態(tài)下的管道的失效概率，并不能完全真實(shí)地反映特定管道、特定時(shí)間、特定運(yùn)行條件下的失效概率情況，需要通過(guò)建立模型對(duì)基本失效概率進(jìn)行修正和更新[12]。修正因子指標(biāo)體系由6個(gè)一級(jí)指標(biāo)和若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成。一級(jí)修正因子指標(biāo)的值可以根據(jù)二級(jí)修正因子指標(biāo)的值與二級(jí)指標(biāo)在一級(jí)指標(biāo)中所占的權(quán)重的乘積求得。如下式所示：

式中Fij表示二級(jí)修正因子指標(biāo)的值；wij表示二級(jí)修正因子指標(biāo)j在一級(jí)修正因子指標(biāo)i中的權(quán)重；n表示一級(jí)修正因子指標(biāo)i中二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

為了減少風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中的主觀性，盡可能將修正因子指標(biāo)量化?？紤]各個(gè)指標(biāo)獲取和量化的難易程度，將修正因子指標(biāo)劃分為3種類型：定量指標(biāo)、半定量指標(biāo)以及定性指標(biāo)。

3.3.1 定量指標(biāo)

3.3.2 半定量指標(biāo)

半定量指標(biāo)包括土壤腐蝕速率、陰極保護(hù)電位、防腐層最大衰減率、雜散電流干擾、管道安全系數(shù)、系統(tǒng)安全系數(shù)、SCADA系統(tǒng)可靠度等（表2）。根據(jù)歷史失效數(shù)據(jù)尚不能建立這些指標(biāo)與失效概率間的函數(shù)關(guān)系，但是可以參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或者管理者手冊(cè)的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半定量指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。

3.3.3 定性指標(biāo)

圖6 定量指標(biāo)與失效頻率間的擬合函數(shù)圖

表2 半定量指標(biāo)表

對(duì)于定性指標(biāo)，由于沒(méi)有確切數(shù)據(jù)作為支撐，不能量化，并且現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或管理手冊(cè)中也沒(méi)有相應(yīng)的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行量化分級(jí)，需憑借專家既往經(jīng)驗(yàn)判斷確定其等級(jí)劃分準(zhǔn)則，定性指標(biāo)見(jiàn)表3。 修正因子的取值根據(jù)修正因子的等級(jí)確定。如果修正因子處于平均水平，則修正因子取“1”，此時(shí)管道系統(tǒng)的失效概率等于基本失效概率。如果修正因子處于較好的水平，則修正因子的取值小于“1”，反之則大于“1”。采用修正因子的方法評(píng)估管道失效概率，重點(diǎn)是確定上述提到的“平均水平”。對(duì)于定量修正因子指標(biāo)來(lái)說(shuō)，通過(guò)積分中值定理求得擬合函數(shù)的平均失效概率，將該平均失效概率視為“平均水平”，每個(gè)定量指標(biāo)對(duì)應(yīng)的失效概率值除以該平均失效概率即為定量修正因子指標(biāo)的值。半定量和定性指標(biāo)修正因子的值可以根據(jù)模糊評(píng)價(jià)法求得，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)模糊數(shù)，“Ⅰ”對(duì)應(yīng)“0.1”，“Ⅱ”對(duì)應(yīng)“0.3”，“Ⅲ”對(duì)應(yīng)“0.5”，“Ⅳ”對(duì)應(yīng)“0.7”，“Ⅴ”對(duì)應(yīng)“0.9”，然后利用荷蘭學(xué)者Onisawa[3]提出的經(jīng)驗(yàn)公式將模糊數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊概率，同時(shí)將等級(jí)“Ⅲ”視為“平均水平”，相應(yīng)的修正因子取值為“1”，其他4個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的修正因子的值為各個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的模糊概率與等級(jí)“Ⅲ”對(duì)應(yīng)的模糊概率（平均失效概率）的比值。另外，每個(gè)二級(jí)修正因子指標(biāo)的權(quán)重值為每個(gè)指標(biāo)的平均失效概率除以所有指標(biāo)的平均失效概率之和。

表3 定性指標(biāo)表

4 失效后果評(píng)估

失效后果評(píng)估采用評(píng)分模型。用失效后果評(píng)分來(lái)衡量管道泄漏后果的嚴(yán)重程度，分值越高，說(shuō)明泄漏后果越嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)越高。參考KENT法[18]、GB/T 27512—2011《埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法》[17]、SY/T 6891.1—2012《油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法 第1部分：半定量評(píng)價(jià)法》[18]、SY/T 6828—2011《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》[19]等方法與標(biāo)準(zhǔn)，建立失效后果評(píng)估模型，后果模型總分為2 500分。失效后果的計(jì)算公式如下：

式中Cof表示失效后果總分；PH表示介質(zhì)危害性評(píng)分；LV表示泄漏量評(píng)分；DS表示擴(kuò)散情況評(píng)分；RT表示危害受體評(píng)分。

5 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法將油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分為4級(jí)，并用“紅橙黃藍(lán)”4色表示，其目的是對(duì)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析、排序，確定關(guān)注重點(diǎn)和優(yōu)先級(jí)順序，以便有針對(duì)性地做到分級(jí)核查、報(bào)告、追責(zé)和管理。在該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣中，用失效概率量化失效可能性，用后果評(píng)分量化失效后果的嚴(yán)重程度，使風(fēng)險(xiǎn)矩陣的各個(gè)等級(jí)明確化、清晰化。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣見(jiàn)表4。

6 實(shí)例驗(yàn)證

以某管道公司的輸氣管道為例，進(jìn)行工程應(yīng)用示范。該管線沿途經(jīng)過(guò)山地、城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)、農(nóng)田等，穿越公路、鐵路、河流，全長(zhǎng)69.8 km。管道設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，工作壓力為1.4 MPa，輸送介質(zhì)為天然氣，管道規(guī)格為?510 mm×7.9 mm，材質(zhì)為X52鋼管，防腐層為3PE防腐層，于2010年1月投入使用。

根據(jù)該管線的具體情況，結(jié)合相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以閥室和敷設(shè)環(huán)境為劃分依據(jù)，將該管線劃分為28段。根據(jù)第3、4、5節(jié)提出的評(píng)估方法，得到該管線各段失效概率、失效后果以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果（表5），該管線按里程的風(fēng)險(xiǎn)分布情況見(jiàn)圖7。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：該管線的失效概率在1×10－4～1×10－2次/（km·a），失效可能性為中等偏高，無(wú)極高失效可能性管段；其失效后果評(píng)分介于180～1 500，存在失效后果很大的管段；綜合失效概率及失效后果，該管線低風(fēng)險(xiǎn)的管段有8段，占總長(zhǎng)度的35.60%，一般風(fēng)險(xiǎn)的管段有14段，占總長(zhǎng)度的38.11%，較大風(fēng)險(xiǎn)的管段有5段，占總長(zhǎng)度的19.69%，重大風(fēng)險(xiǎn)的管段有1段，占總長(zhǎng)度的6.59%。

表4 油氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)矩陣表

表5 某管線各段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表

7 結(jié)論與建議

本文建立了基于歷史失效數(shù)據(jù)的油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，確定了油氣管道的基本失效概率與修正因子的指標(biāo)體系，并以某輸氣管線為例，對(duì)提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。通過(guò)研究，得到具體結(jié)論如下：

圖7 某管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按管道里程的分布圖

1）根據(jù)各個(gè)指標(biāo)量化的難易程度將修正因子分為3類：定量指標(biāo)、半定量指標(biāo)、定性指標(biāo)。定量指標(biāo)可依靠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化評(píng)分，半定量指標(biāo)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)的量化檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，定量和半定量指標(biāo)評(píng)定中，都不包含主觀因素，而定性指標(biāo)則主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，具有一定的主觀依賴性。通過(guò)這3類指標(biāo)的劃分，可最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主觀依賴性，增強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2）構(gòu)建了油氣管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣，用失效概率量化失效可能性，用后果評(píng)分量化失效后果的嚴(yán)重程度，繪制“紅橙黃藍(lán)”4色管道風(fēng)險(xiǎn)分布圖，使各管段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)明確化、清晰化，便于對(duì)油氣管道實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控策略。

3）實(shí)例管線中，低風(fēng)險(xiǎn)管段有8段，占總長(zhǎng)度的35.60%，一般風(fēng)險(xiǎn)管段有14段，占總長(zhǎng)度的38.11%，較大風(fēng)險(xiǎn)管段有5段，占總長(zhǎng)度的19.69%，重大風(fēng)險(xiǎn)管段有1段，占總長(zhǎng)度的6.59%。另外，整條管線主要的危害因素為：雜散電流干擾、外防腐層破損、內(nèi)腐蝕、管道本體缺陷未修復(fù)、水平凈距不足、個(gè)別區(qū)段地質(zhì)災(zāi)害敏感?？捎嗅槍?duì)性地采取風(fēng)險(xiǎn)管控措施，尤其是較大風(fēng)險(xiǎn)和重大風(fēng)險(xiǎn)管段。

4）與僅僅依靠專家打分的方法相比，筆者提出的基于歷史失效數(shù)據(jù)的方法較為客觀。然而，這種基于歷史失效數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，依賴于管道失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，需要建立全行業(yè)范圍的油氣管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)，而這恰恰是我國(guó)現(xiàn)階段所缺少的。因此，建議建立全行業(yè)或全國(guó)范圍的管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)，為基于歷史數(shù)據(jù)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)乃至提出風(fēng)險(xiǎn)管控措施提供依據(jù)。

（修改回稿日期 2018-07-09 編 輯 羅冬梅）

長(zhǎng)慶油田水力噴射多段壓裂改造儲(chǔ)層連獲高產(chǎn)氣井

繼2018年8月5日中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)慶油田）在蘇東南區(qū)G11-4井場(chǎng)經(jīng)水力噴射8段壓裂改造，連獲2口日產(chǎn)超100×104m3的高產(chǎn)氣井后，8月28日，長(zhǎng)慶油田采氣一廠又在靖65-37H2井經(jīng)水力噴射9段壓裂改造后，獲日產(chǎn)103.283 1×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流。長(zhǎng)慶油田僅在8月份，就一舉獲得3口高產(chǎn)氣井。

伴隨國(guó)家提出“加快天然氣開(kāi)發(fā)”和下游用戶對(duì)天然氣的旺盛需求，天然氣的勘探開(kāi)發(fā)已成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵，對(duì)改善國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著不可替代的重要作用。長(zhǎng)慶油田承擔(dān)著向京津冀等地近百座大中城市的供氣重任，惠及民眾4億多人。據(jù)悉，長(zhǎng)慶油田天然氣產(chǎn)量約占全國(guó)總產(chǎn)量的1/4，在全國(guó)天然氣生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。

2018年年初以來(lái)，長(zhǎng)慶油田及時(shí)確立了“穩(wěn)油增氣”的戰(zhàn)略目標(biāo)，并將年產(chǎn)天然氣目標(biāo)追加到380×108m3的歷史最高點(diǎn)。為確保這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)慶油田將今年的天然氣產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)提高到100×108m3目標(biāo)，創(chuàng)年度天然氣產(chǎn)能建設(shè)總量單位歷史之最。

負(fù)責(zé)靖邊、榆林、蘇里格、子洲、神木、米脂、慶陽(yáng)、宜黃八大氣區(qū)九大氣田開(kāi)發(fā)的各采氣廠，面對(duì)產(chǎn)建任務(wù)工作量大、外部環(huán)境復(fù)雜、老井穩(wěn)產(chǎn)難等多種不利因素，持續(xù)加大科技創(chuàng)新力度，靠深化改革解決發(fā)展中遇到的問(wèn)題，立足年度產(chǎn)氣目標(biāo)，奪得了一個(gè)個(gè)氣田勘探開(kāi)發(fā)及穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的主動(dòng)權(quán)。

（天工 摘編自《中國(guó)石油報(bào)》）