新建管道最優(yōu)投資成本預(yù)算模型研究

楊 超 劉延峰 彭錫文 鞠梓宸 王芫芫

1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心 山東東營(yíng) 257000；

2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司設(shè)備管理部 山東東營(yíng) 257000

目前長(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)一般采用基于缺陷評(píng)估、應(yīng)變和全壽命三種設(shè)計(jì)方法。基于缺陷評(píng)估和應(yīng)變的兩種設(shè)計(jì)方法主要考慮了長(zhǎng)輸管道在建設(shè)和運(yùn)行中的局部損傷（包括腐蝕、應(yīng)力及局部穿孔等），即高后果區(qū)的識(shí)別和應(yīng)對(duì)。而全壽命周期設(shè)計(jì)方法從能源和環(huán)境的角度，考慮了管道從生產(chǎn)、建造與運(yùn)輸、運(yùn)行與維護(hù)直到報(bào)廢與處理的全壽命過程，綜合考慮了管道運(yùn)行周期內(nèi)的人文、生態(tài)、環(huán)境、技術(shù)、功能和經(jīng)濟(jì)效益等各個(gè)方面，更符合目前強(qiáng)調(diào)安全/ 經(jīng)濟(jì)學(xué)共存的要求[1]。Gido[2]將項(xiàng)目生命周期分為“識(shí)別需求、提出解決方案、執(zhí)行項(xiàng)目、項(xiàng)目結(jié)束”四個(gè)階段。相對(duì)于長(zhǎng)輸管道的建設(shè)來(lái)說，管道路由的設(shè)計(jì)、選材等方面屬于識(shí)別需求和提出解決方案兩個(gè)階段，屬于固定成本投資。需要投入力量（資金）最多的是執(zhí)行項(xiàng)目階段，主要包括前期的管道運(yùn)輸、敷設(shè)等一次性投資，以及后期的運(yùn)行、檢測(cè)、維修等持續(xù)性投資，其所需要投入的力量（資金）在整個(gè)項(xiàng)目中占絕對(duì)的比重。

對(duì)于我國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)來(lái)說，一次性投資主要包括管道、設(shè)備等購(gòu)置費(fèi)及相關(guān)的敷設(shè)、運(yùn)送費(fèi)等，而持續(xù)性的檢測(cè)、維修維護(hù)費(fèi)用會(huì)隨著管道運(yùn)行時(shí)間（在設(shè)計(jì)年限內(nèi)）的增長(zhǎng)而增大。因此，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)建設(shè)投資的最小化，獲得最大的項(xiàng)目收益就顯得尤為重要。因此，本研究以技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的總費(fèi)用估算模型為基準(zhǔn)，根據(jù)長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，將總投資分為建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用兩部分著重考慮，不考慮投資收益率等時(shí)間變量[3]，引入了管道長(zhǎng)度和站間距兩個(gè)變量，建立了適用于長(zhǎng)輸管道建設(shè)的總費(fèi)用估算模型；并根據(jù)已有長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目，提出了新建管道的最優(yōu)站間距參數(shù)。管道工程的全壽命設(shè)計(jì)可分為3 個(gè)主要階段：工程可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。對(duì)主要過程（包括使用壽命設(shè)計(jì)、環(huán)境生態(tài)設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、施工過程控制設(shè)計(jì)、檢測(cè)/ 監(jiān)測(cè)與維護(hù)設(shè)計(jì)和成本分析等6 大過程）采用各種恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧┻M(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)管道工程良好的全壽命周期質(zhì)量的目標(biāo)[4]。從全壽命周期設(shè)計(jì)長(zhǎng)輸管道的總費(fèi)用來(lái)看[5]，主要可以分為前期設(shè)計(jì)費(fèi)用、中期管道建設(shè)費(fèi)用和后期運(yùn)行管理費(fèi)用，而前期的設(shè)計(jì)費(fèi)用基本為一個(gè)固定值，因此本研究針對(duì)管道建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行管理費(fèi)用進(jìn)行了討論[6]。

1 建設(shè)費(fèi)用

長(zhǎng)輸管道建設(shè)過程（執(zhí)行階段）中的固定成本主要是在管道建設(shè)過程中發(fā)生的所有的一次性費(fèi)用，包括設(shè)備費(fèi)（管道及防腐層加工、閥室及設(shè)備、陰極保護(hù)、相關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用等）、施工費(fèi)（穿跨越、開挖/ 回填等）、運(yùn)行調(diào)試費(fèi)及人工費(fèi)等。其費(fèi)用支出占整個(gè)管道項(xiàng)目在全壽命周期內(nèi)總費(fèi)用的70%～80%。因此，針對(duì)長(zhǎng)輸管道路由設(shè)計(jì)，形成合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，估算其總費(fèi)用支出就顯得尤為重要。

一般來(lái)說，根據(jù)項(xiàng)目的生產(chǎn)規(guī)模，可通過式（1）對(duì)新建項(xiàng)目的初期總投資進(jìn)行估算[7]。

式中：K1、K2——已知/ 新建項(xiàng)目的投資（估算）；

Q1、Q2——已知/ 新建工程的生產(chǎn)規(guī)模；

α——工程能力指數(shù)。

在長(zhǎng)輸管道的建設(shè)期投資方面，占主要支出的為管道和閥室/ 陰保站的建設(shè)費(fèi)用。而在方程（1）中只針對(duì)管道的設(shè)計(jì)數(shù)量為變量，也就是管道建設(shè)費(fèi)用為主要的研究對(duì)象，其中包含了由于設(shè)計(jì)數(shù)量不同而引起的管道材質(zhì)、管徑、壁厚及防腐層材質(zhì)/ 等級(jí)等方面投資的差異，而未考慮站間距不同引起的閥室/ 陰保站及附屬設(shè)施的費(fèi)用。因此，在方程（1）的基礎(chǔ)上，假設(shè)K1為一定設(shè)計(jì)輸量Q1下的管道建設(shè)費(fèi)用，那么對(duì)于設(shè)計(jì)數(shù)量為Q2的新建管道的估算費(fèi)用可以通過方程（2）來(lái)描述。

式中：T2——新建長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的總費(fèi)用；

K1——長(zhǎng)度為L(zhǎng)1 的已知管道建設(shè)費(fèi)用；

L1、L2——已知/ 新建長(zhǎng)輸管道的干線長(zhǎng)度；

l1、l2——已知/ 新建長(zhǎng)輸管道的平均站場(chǎng)/ 閥室間距；

α——工程能力指數(shù)，在長(zhǎng)輸管道建設(shè)方面，0.8～1.0；

E1——已知管道站場(chǎng)/ 閥室建設(shè)的總費(fèi)用。

2 運(yùn)行費(fèi)用

當(dāng)然，管道的建設(shè)不能僅僅只從建設(shè)投資成本的角度來(lái)考慮，還要從管道運(yùn)行過程中的安全性及經(jīng)濟(jì)損失的考慮。當(dāng)長(zhǎng)輸管道達(dá)到使用年限后，根據(jù)相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判廢審定，一般為最小剩余壁厚、危險(xiǎn)截面和殘余強(qiáng)度三步評(píng)價(jià)方法。事實(shí)上，在管道報(bào)廢之前，其每年的檢測(cè)、維修維護(hù)費(fèi)用逐年增加，并且管道失效概率也逐漸增大。因此，在對(duì)長(zhǎng)輸管道建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行全壽命周期的費(fèi)用預(yù)算時(shí)，應(yīng)考慮其單價(jià)費(fèi)用隨時(shí)間的變化問題[8]。

管道在運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)損失可以設(shè)為失效概率和失效后果的函數(shù)[9]，其檢測(cè)維修費(fèi)用是運(yùn)行時(shí)間的函數(shù)。那么在管道的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，其管道運(yùn)行產(chǎn)生的費(fèi)用可由公式（4）和（5）求得。

式中：R1——管道失效造成的經(jīng)濟(jì)損失，包管道停輸?shù)臋C(jī)會(huì)成本、人員傷亡費(fèi)、維修等由于管道失效造成的所有費(fèi)用；

R2——管道的檢測(cè)維修費(fèi)；

n——管道的運(yùn)行時(shí)間；

N——管道的全壽命周期；pi——管道的失效概率，假設(shè)在管道設(shè)計(jì)使用壽命N 終止時(shí)一定報(bào)廢，并且其失效概率與運(yùn)行時(shí)間n成正比，即pi=n/ N；

C1——單位長(zhǎng)度管道失效造成的經(jīng)濟(jì)損失；

qi——管道檢測(cè)與維修費(fèi)用系數(shù)，qi=1+n/ N；

C2——單位長(zhǎng)度管道運(yùn)行第一年的檢測(cè)費(fèi)用；

l——站間距，假設(shè)兩站場(chǎng)之間的管道失效不影響其他管段和站場(chǎng)；

L——管道長(zhǎng)度。管道失效的原因主要包括外腐蝕、第三方破壞、誤操作及設(shè)計(jì)因素四個(gè)方面。其中外腐蝕失效的原因包括雜散電流、防腐層失效等，主要由環(huán)境因素引起的，在本研究中體現(xiàn)在維修/ 維護(hù)費(fèi)用上；第三方破壞引起的管道失效與運(yùn)行時(shí)間無(wú)關(guān)，主要與管道周圍的人口密集程度有關(guān)；誤操作（檢測(cè)/ 維修）及設(shè)計(jì)因素造成的管道失效在相關(guān)的案例中較少，因此在本研究中不作考慮。從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在本研究建立的模型中，引起管道失效的主要因素為第三方破壞，其失效概率可根據(jù)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)確定。事實(shí)上，管道失效概率的確定應(yīng)針對(duì)管道不同的特征參數(shù)（外腐蝕參數(shù)、人口密集度等）劃分成具有明顯區(qū)別的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元來(lái)分段評(píng)價(jià)[10]，可以理解為整條管道失效的平均概念，從而對(duì)管道的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用來(lái)進(jìn)行估算。

站場(chǎng)的運(yùn)行費(fèi)用主要與日常檢測(cè)與維修維護(hù)有關(guān)，見式（6）。

式中：R3——站場(chǎng)的檢測(cè)維修費(fèi)用；

C3——單個(gè)站場(chǎng)的檢測(cè)維修費(fèi)用。

因此，管道系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用可以表達(dá)為方程（7）。

3 總投資

全壽命周期設(shè)計(jì)長(zhǎng)輸管道的總投資主要可以分為前期的設(shè)計(jì)費(fèi)用、中期的管道建設(shè)費(fèi)用和后期的運(yùn)行管理費(fèi)用，如公式（8）所示。

式中：I——全壽命周期設(shè)計(jì)長(zhǎng)輸管道的總費(fèi)用，分為前期的設(shè)計(jì)費(fèi)用、中期的管道建設(shè)費(fèi)用和后期的運(yùn)行管理費(fèi)用；

C——前期的設(shè)計(jì)費(fèi)用，為固定值；

j——價(jià)差系數(shù)，即報(bào)告期與基期價(jià)格的差異。

4 結(jié)論與建議

以技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的總費(fèi)用預(yù)算模型為基礎(chǔ)，參考已建管道的數(shù)量和總費(fèi)用，引入管道長(zhǎng)度和站間距兩個(gè)變量，針對(duì)長(zhǎng)輸管道建設(shè)中前期的一次性投資和后期維修維護(hù)費(fèi)用估算問題進(jìn)行了探討，并確定了費(fèi)用最?。ń?jīng)濟(jì)）條件下的最優(yōu)站間距。

（1）對(duì)于建設(shè)期的一次投資問題，提出了站場(chǎng)建設(shè)與站間距之間的費(fèi)用換算系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)輸量與已建管道輸量的關(guān)系，確定了建設(shè)費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)時(shí)的最優(yōu)站間距。

（2）對(duì)于運(yùn)行期的維修維護(hù)及投資問題，引入管道失效概率和失效成本，提出管道的失效概率與管道運(yùn)行年限成正比，檢測(cè)和維修費(fèi)用與運(yùn)行年限成正相關(guān)。綜合考慮管道失效費(fèi)用、檢測(cè)維修費(fèi)用及站場(chǎng)維修維護(hù)費(fèi)用，提出了運(yùn)行期費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)時(shí)的站間距。

（3）最優(yōu)站間距的選擇不僅僅是考慮管道建設(shè)的總費(fèi)用問題，還應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的路由、地形、建設(shè)站場(chǎng)的難易程度來(lái)進(jìn)行選擇，并且全線站場(chǎng)的建設(shè)費(fèi)用一般取最大值，在本研究中僅從理論上提出了最優(yōu)站間距的選擇方式。