朱平 龐旭 吳漫

摘要： 為降低油氣管道整體風險水平，實現(xiàn)油氣管道的安全運行，對油氣管道風險評價模型進行了綜述。分別從腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作以及設計五個方面論述油氣管道風險因素的來源，綜述各風險因素的對油氣管道的影響。通過分析油氣管道風險評價領域中當前廣泛使用或者應用前景廣闊的幾類模型方法，總結與對比國內外管道風險評價模型的研究現(xiàn)狀，基于高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的敷設條件，為高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道風險評價模型提供一些建議。

Abstract： In order to reduce the overall risk level of and realize the safe operation of oil and gas pipelines， this paper reviews the risk assessment model of oil and gas pipeline. The sources of oil and gas pipeline risk factors are discussed from the aspects of corrosion， third - party damage， natural disaster， misoperation and design. The influence of each risk factor on oil and gas pipeline is reviewed. Based on the analysis of several types of model methods， which are widely used in the field of risk assessment of oil and gas pipelines， this paper summarizes and compares the research status of domestic and foreign pipeline risk assessment models. Based on the laying conditions of buried steel oil and gas pipelines in the plateau area， it provides some suggestions for risk assessment model of buried steel oil and gas pipeline in the plateau area.

關鍵詞： 高原地區(qū)；油氣管道；風險因素；風險評價模型

Key words： plateau area；oil and gas pipeline；risk factors；model of risk assessment

中圖分類號：TE973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0025-04

0 引言

近些年來，油氣管道隨著全球油氣產業(yè)的蓬勃發(fā)展而迅速增長，管道事故（如泄漏、爆炸）頻繁發(fā)生，造成了嚴重的生命財產損失和環(huán)境破壞[1]。在我國，隨著油氣長輸管道建設量的增大，老管線服役時間的增長，管道事故也日益增長，為確保油氣管道的安全，使新管道無故障運行，老管道在設計壽命內繼續(xù)健康安全運行，對油氣管道開展風險評價是非常必要的[2]。

國內外不少石油公司綜合運用各種風險分析方法開發(fā)了管道的風險評價，尤其是美國管道風險管理專家W.Kent Muhlbauer[3]提出的專家評分法[4-5]被加拿大、美國等發(fā)達國家廣泛使用于管線風險評價。國內的管道風險評價也主要以專家評分法為主，在借鑒國外技術基礎上，開發(fā)了RISKSCORE管道定量安全評價軟件。兩者都為完備的風險評價模型，但隨著生產實踐的深入應用，風險評價模型在適用性上存在的問題逐漸暴露[6]，比如肯特風險評價模型基于美國管道的研究成果，由于國內油氣管道的管理技術水平與國外的差距，肯特風險評價模型在國內并不適用，必須對模型進行調整。因此，油氣管道風險評價模型的研究具有一定的意義。

目前，對于基于高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的風險評價研究尚少，筆者從埋地鋼制油氣管道風險因素來源入手，分析引起管道失效的風險因素，總結與對比國內外油氣管道風險評價模型的研究現(xiàn)狀?；诟咴貐^(qū)的埋地鋼制油氣管道的敷設條件，辨識風險因素，建立油氣管道失效的故障樹，得到風險因素的重要度排序，再利用模糊層次分析法對風險因素的權重進行調整，建立適用于高原地區(qū)埋地鋼制管道的風險評價模型，使高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的安全運行成為可能。

1 埋地鋼制油氣管道風險因素來源

國際標準ISO13623/2000“石油及天然氣管道輸送系統(tǒng)”中規(guī)定對設計、施工或誤操作、腐蝕、第三方破壞、自然災害所引發(fā)的事故頻率及危害性進行評價和風險計算。國內油氣管道事故資料表明，這5者在油氣管道泄漏、爆炸都有著重要影響[7]。

1.1 腐蝕因素

腐蝕現(xiàn)象是指材料受到周圍環(huán)境的化學、電化學、物理等作用下引起的失效破壞。根據(jù)美國和英國數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，管道失效主要由腐蝕引起的，尤其是我國在役油氣管道有 80%已服役超過20年，腐蝕現(xiàn)象嚴重。油氣管道腐蝕常見的失效形式為腐蝕穿孔，而引起油氣管道腐蝕穿孔失效最直接的原因是外腐蝕和內腐蝕。造成管道外腐蝕的主要影響因素是防腐絕緣層、土壤腐蝕性、雜散電流影響、陰極保護狀況等。內腐蝕主要是由天然氣中的硫化物酸性介質作用引起失效[8]。

1.2 第三方破壞因素

分析長輸油氣管道，第三方破壞是影響油氣管道安全平穩(wěn)運行的主要形式，發(fā)現(xiàn)其與最小埋設、管道沿線人的活動程度、地面上的管道設備、公眾教育、管道施工帶狀況、居民素質、巡線的頻率及管理水準等有密切關系。近些年來，第三方導致油氣管道失效的發(fā)生具有很強的隨機性，不易預測和難控制，主要是由于違章占壓、打孔盜油、違章施工作業(yè)等第三方破壞因素。

1.3 自然災害因素

自然災害一旦發(fā)生對油氣管道的破壞是毀滅性的，可能導致油氣管道斷裂，引發(fā)噴射物和火災等大型事故，不但造成巨大的生命財產損失，而且會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。由于油氣管道分布廣闊，沿線地質形貌復雜，自然災害的影響難以避免，其中，典型地質災害有：崩塌、滑坡、泥石流、地震等。

1.4 操作失誤因素與設計因素

油氣管道系統(tǒng)中人的行為可以是積極的，也可以是消極的，人為造成操作失誤是風險評價中的重要因素之一，操作失誤包括系統(tǒng)操作失靈和人為操作失誤。

而設計因素包括管材設計和安裝施工時形成的缺陷，管道的初始微裂紋、橢圓度差、劃傷、焊接等缺陷都將導致管道整體強度的降低。隨著油氣管道服役時間的增長，管道的這些缺陷會逐漸顯露出來，將可能影響油氣管道失效 [9]。

2 油氣管道風險評價模型和方法

油氣管道風險評價的基本任務是針對不斷變化的油氣管道及其附屬設施的風險因素進行充分辨識和科學評價，為油氣管道的風險管理提供決策依據(jù)[10]。風險評價是油氣管道完整性管理的關鍵環(huán)節(jié)和核心要素[11]。管道風險評價方法通常根據(jù)結果的量化程度分為三類，分別為定性、半定量和定量評價方法[12]。

2.1 定性風險評價方法

定性風險評價法是指通過觀察事物，掌握事物的變化規(guī)律，對事物進行科學地分析和判斷，根據(jù)定性風險評價法可以定性分析油氣管道的危害等級 [12]。

2.1.1 預先危險性分析

預先危險性分析[12]是在建設工程之前，對系統(tǒng)存在的各種風險因素和失效后果進行宏觀、概括分析的一種系統(tǒng)風險分析方法，其操作較為簡單，能夠快速辨識風險因素，是一種較好進行初步評估工作的方法。

2.1.2 故障樹分析

1962年，美國貝爾電報的電話實驗開發(fā)故障樹分析（FTA）技術[13]，通過分析可能造成系統(tǒng)失效的風險因素，采用邏輯框圖（故障樹），確定系統(tǒng)失效因素的各種組合方式和發(fā)生概率。用故障樹分析法對油氣管道辨識風險因素，能夠找出可能導致管道失效的初始因素，描述各因素間之間的邏輯關系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各種固有或潛在的風險因素，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而為系統(tǒng)的失效分析和預防措施的制定提供依據(jù)。故障樹分析在獲得廣泛應用的同時不斷被改進。

2009年，俞樹榮[14]等人針對風險因素之間上下兩級事件存在的不確定因果關系，結合貝葉斯網(wǎng)絡來進行故障樹分析，有效提高長輸油氣管道的分析的準確性[19]。

2010年，Xue WU[15]等人提出故障樹分析與非線性模糊法結合的綜合評價的方法，利用故障樹辨識油氣管道的風險因素，運用非線性模糊綜合評價方法對評價因子集和權重集進行調整，得到風險評價修正模型。

2.2 半定量風險評價方法

半定量風險評價方法是指在風險的數(shù)量指標基礎上，對管道事故發(fā)生可能性和后果各自分配一個權重指標，再組合相對應的事故可能性和后果嚴重程度的權重指標，最后通過簡單的數(shù)學運算，形成一個相對的風險指標，即為半定量風險評價的結果。

肯特評分法通過辨識影響管道安全運營的各種風險因素，結合WKM咨詢公司50多年管道運營管理的經(jīng)驗和20多年管道風險管理專業(yè)知識的積累，以及100多條管道應用肯特評分法的反饋信息，將多種影響因子歸類為第三方破壞、腐蝕、誤操作、設計以及泄漏，并各類影響因子依據(jù)其影響風險程度的大小進行賦值和量化處理，形成肯特評分指標體系和風險計算模型，肯特風險評價模型如圖1所示。

肯特法是基于美國運輸部的實際運行經(jīng)驗和美國其他相關部門的研究成果，而由于國內管道的技術、建設、運行、維護等水平與國外的差距，因此，考慮到國內管道運行環(huán)境，肯特管道風險評價法在國內獲得廣泛應用的同時不斷被改進。

2008年，高俊波[16]針對城市燃氣管網(wǎng)的特點，修正了肯特分析法影響因素的確定方法和影響權重的分配方法，針對風險因素的不確定性，利用模糊評判對其進行分析量化，建立城市燃氣管網(wǎng)的風險分析模型。

2009年，中國石油管道科技研究中心根據(jù)國內管道實際運行情況，借鑒肯特評分法，建立RISKSCORE管道風險評分系統(tǒng)[17]，該模型用于東北某原油管道，分析其失效可能性和風險值，驗證了RISKSCORE管道風險評價模型的有效性，RISKSCORE管道風險評價模型如圖2所示。

2014年，Dong H[18]等人運用模糊層次分析法對肯特管道風險評價模型進行修正，Dong H根據(jù)管道的基礎數(shù)據(jù)和實際運行情況，調整青海長輸油氣管道各風險因素的權重比例，建立風險評價模型，以獲得更加適用于青海輸氣管道風險評價的模型。

2016年，駱吉慶、姚安林[19]等人針對海底油氣管道的實際情況，引入模糊理論對傳統(tǒng)的肯特評分法進行改進，在肯特評分法指標中增加自然環(huán)境因素，利用模糊理論，構建基于Mamdani型模糊推理系統(tǒng)的風險評價模型，使風險分析更符合客觀實際。

2.3 定量風險評價方法

定量風險評價方法主要是量化估計管道失效的可能性及失效后果，從而計算得到具有一定物理意義的管道風險評價值。定量風險評價結果的精確性不僅取決于原始數(shù)據(jù)資料的完整性，還取決于評價數(shù)學模型的準確與否，是一種最科學合理的管道風險評價方法。

2.3.1 失效頻率評價

管道的失效事件發(fā)生帶有很強的隨機性，是一隨機變量，因此失效頻率分析屬于概率統(tǒng)計學的范疇。2011年，張華兵在[20]博士學位論文中將管道失效頻率計算模型定義為：fis=fgi×∏Aij×C1×Cn+/Ck-（1）

其中，s為管段編號，fis為失效頻率，fgi為失效原因平均失效頻率，A為調整因子，i為失效原因編號，j為調整因子編號，C1為歸一因子，Cn+為與風險成正比的管道基本參數(shù)，如管徑，n為指數(shù)，k為指數(shù)，Ck-為風險成反比的管道基本參數(shù)，如壁厚等，這些失效數(shù)據(jù)主要通過國內外失效數(shù)據(jù)庫獲得。

2016年，單克[21]在失效頻率計算模型的基礎上，針對油氣管道定量風險評價過程中不確定性因素的影響，建立基于修正因子的油氣管道失效概率評價模型。

2.3.2 失效后果概率評價

失效后果[22]主要是指油氣從管道內泄漏出來引起各類火災、爆炸等事件對周邊生命財產和生態(tài)環(huán)境造成的損失，利用數(shù)學模型超壓模型、熱輻射模型和擴散模型等進行量化。失效后果概率是指油氣管道泄漏后，在某條件下引發(fā)各種后果事件的概率。2014年，王大慶[23]利用模糊數(shù)學理論，通過模糊事件樹定量分析管線失效后續(xù)事件發(fā)生概率，結果表明，能辨識重要的后續(xù)事件。

3 高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道風險評價模型存在的問題及對策

3.1 油氣管道風險評價存在的問題

目前，油氣管道風險評價涉及的各項工作尚未形成統(tǒng)一標準，在模型選擇、數(shù)據(jù)來源、風險因素方面差別比較大，筆者依據(jù)高原地區(qū)埋地鋼制管道的敷設條件分析目前風險評價模型存在的問題，主要為基礎數(shù)據(jù)和評估模型的不確定性。

3.1.1 基礎數(shù)據(jù)的不確定性

由風險因素可知管道所處環(huán)境復雜，其風險評價存在許多不確定因素，且現(xiàn)有的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料缺少管道失效基礎數(shù)據(jù)且存在格式不統(tǒng)一，因此管道是一個信息不完全的“灰色系統(tǒng)”。國外油氣管道公司主要根據(jù)管道事故建立數(shù)據(jù)庫，從而統(tǒng)計基礎數(shù)據(jù)，然而國內在管道歷史失效數(shù)據(jù)的收集和分析方面處于起步階段，缺少功能齊全、數(shù)據(jù)豐富的失效數(shù)據(jù)庫，特別是高原地區(qū)缺乏對管道失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，且由于偶然因素的影響，統(tǒng)計規(guī)律并不明顯，導致管道失效的基本失效概率值是處于平均狀態(tài)下，并不能完全真實反映當前管段的風險狀況。因此基于失效可能性和失效后果的定量風險評價方法暫不適用于高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道。

3.1.2 評價模型的不確定性

定性風險評價法優(yōu)點在于操作過程簡單，評價無需投入大量資金，但是定性評價的主觀性較強，其評價結果的準確性過于依賴人的主觀感受，使得評價結果的精確度較低。因所需基礎數(shù)據(jù)較少，評價成本相對較低，評價結果的精度滿足工程實踐的需要，專家評分法被廣泛應用于生產實踐，但實踐應用表明基于肯特法的半定量風險評價方法無論是在權重的設置或評分準則的制定上都有一定的主觀性，需要結合每條管道的具體情況進行修正。因此，開展管道風險評價工作之前，應根據(jù)管道敷設條件及地區(qū)實際情況建立適用的評價模型，有針對性、科學合理地對管道風險進行。

3.2 高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道風險評價模型

滇西南地區(qū)地形地貌復雜、峽谷深切、新構造運動強烈，降雨量強度大且集中，主要集中在6-9月份，該地區(qū)為崩塌、滑坡、泥石流等地質災害多發(fā)區(qū)，且由于管道相關的地質災害區(qū)別于一般性質的地質災害，其規(guī)模小、數(shù)量多、種類全，對管道影響大，該地區(qū)成為管道失效多發(fā)段，導致高原地區(qū)管道的敷設條件中自然災害因素相比于國內其他地區(qū)，管道失效的可能性將會更大。

基于上文的分析，綜合收集到的基礎數(shù)據(jù)，為了風險評價結果更加準確，該地區(qū)應該選用更加適用的風險評價模型，筆者提出由基礎數(shù)據(jù)建立風險因素故障樹，為了使結果和決策更加客觀，筆者提出采用模糊層次分析法和故障樹分析法對肯特風險評價模型進行優(yōu)化，使得評價結果更加客觀、精確。

整合基礎數(shù)據(jù)，構建以管道失效為頂事件的高原地區(qū)油氣管道風險因素的故障樹，對故障樹進行分析得到基本因素的重要度分析，然后根據(jù)高原地區(qū)管道的實際敷設條件，引用模糊層次分析法對肯特風險評價模型進行修正，調整各風險因素權重比，以得到適用于高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的風險評價模型，該風險評價模型的流程圖如圖3所示。

高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道風險評價模型采用故障樹分析，可以有效辨別引起管道失效的風險因素，可以根據(jù)重要度刪除肯特風險評價模型中的對管道失效無影響的風險因素，由于基礎數(shù)據(jù)的確實，這樣的模型更加適用于高原地區(qū)；依據(jù)高原地區(qū)自然災害對管道失效作用較大，且風險因素的重要度排序，運用模糊層次法對肯特風險評價模型進行修正，以獲得更加適用高原地區(qū)的風險評價模型，使得風險評價更加客觀、精確。

4 結論

我國管道業(yè)務正處于飛速發(fā)展的大好時期，而風險評價在管道的安全運行中起了不可或缺的作用。在總結風險因素對管道的影響之后，對比分析了埋地鋼制油氣管道風險已有的評價模型和研究方法的基礎上，結合其他領域風險研究方法和高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的敷設條件，建立起適用于高原地區(qū)埋地鋼制油氣管道的風險評價模型，使得管道風險的評價結果更加精確、客觀，為管道的完整性管理奠定了良好的基礎和技術保證了管道的安全、高效、合理運行。

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