張強1 楊玉鋒1 張華兵1 程萬洲2 魏然然1 張希祥1

1.中國石油管道科技研究中心·油氣管道輸送安全國家工程實驗室； 2.中石油管道有限責任公司

摘要：針對油氣管道第三方損壞作用下失效概率的計算問題，對比研究了目前常用的指標體系法、基于歷史失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計修正法和數(shù)學分析等的失效概率計算模型及各種方法的優(yōu)缺點和在實際應用中的注意事項。三種方法的側重點不同，在實際應用中可根據(jù)現(xiàn)實需求組合使用不同方法，形成優(yōu)勢互補及進行不同方法的結果對比研究，可使評估結果更加準確。

關鍵詞：油氣管道；第三方損壞；失效概率

第10版EGIG失效數(shù)據(jù)報告顯示，第三方損壞在過去10年間（2007－2016）占整個失效的28.4%，位居首位。目前，管道沿線周邊環(huán)境日趨復雜，第三方施工管理難度不斷加大，施工活動多、種類雜，建設項目節(jié)奏快，同時新型施工技術層出不窮，對管道企業(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)實意義，文章綜述了三種關于第三方損壞失效概率計算方法及優(yōu)缺點，可為日后實際運用提供借鑒。

1 管道第三方損壞失效概率計算方法

1.1 指標體系法

指標體系法是將油氣管道半定量風險評價法的失效可能性分值通過一系列的規(guī)則轉化為定量的失效概率。肯特[1]在第3版《管道風險管理手冊：理念、技術及資源》提供了一種簡單的轉化規(guī)則，其假定每個指標得分總和代表了一個剩余完好率，即在一定時間內管段保持完好的機率，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際失效概率分值之間的關系式，書中提供的失效概率是一個相對的分值而不是實際概率。 Hong Lu[2]依據(jù)這一思想，進一步給出了一種指數(shù)關系的失效概率分值和實際失效概率之間的轉換關系，其假定當失效可能性得分值為0時，實際失效概率為1，當失效概率得分值為滿分時，需要根據(jù)實際情況確定“有效零點”，即失效概率的下限值，以此來獲得轉換系數(shù)。

1.2 基于歷史失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計修正法

基于歷史失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計修正法，即首先確定油氣管道的基礎失效頻率，再進行修正以符合特定管道的運行管理情況�；�礎失效頻率的確定多以失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)為準，目前國外已經(jīng)建立了比較完備的失效數(shù)據(jù)庫，例如美國管道和危險物品安全管理局（PHMSA）、加拿大國家能源局（NEB）、歐洲天然氣事件組織（EGIG）、英國陸上管道運營協(xié)會（UKOPA）、歐洲空氣與水保護組織（CONCAWE）等。中石油管道有限責任公司也致力于所轄范圍內油氣管道失效數(shù)據(jù)的管理工作，并由中國石油管道科技研究中心于2009年建立了相應管道失效數(shù)據(jù)庫，提出了中國石油管道線路失效定義及油氣管道失效數(shù)據(jù)庫界限，建立了具有自身特點的失效數(shù)據(jù)庫架構[3]。

失效頻率的修正方法暫未統(tǒng)一，眾多學者進行了有益嘗試，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，結合具體評價目標管道的自身特點，建立了天然氣管道失效頻率計算模型。另一類 是利用已有的管道失效記錄進行線性回歸或數(shù)學模型預測，如王海清[6]對EGIG失效數(shù)據(jù)進行了線性回歸分析，并綜合考慮管道環(huán)境和運行條件，提出了管道第三方損壞失效概率預測模型。孫傳青等[7]將信息擴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)的概率預測。

1.3 數(shù)學分析法

數(shù)學分析法可分為三類，即結構可靠度、概率圖譜（例如故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡）和模糊邏輯法。

結構可靠度的方法即依據(jù)強度－應力理論將管道的強度和應力視為隨機變量，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)方程進行求解。國內外對此進行了大量研究，并相繼出臺了相應標準規(guī)范進行了技術要求，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介紹了該方法中關鍵公式和參數(shù)的標準取值及安全系數(shù)的確定，并進行了評估。

概率圖譜是表示影響管道運行安全各事件之間的邏輯關系，主要包括故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡。兩者的不同之處在于，故障樹通過基本事件的“與”“或”門求解頂上事件發(fā)生的概率，貝葉斯網(wǎng)絡則通過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防第三方損壞措施的具有9個層級29個基本事件的事故樹模型，該模型細化了減緩措施，能夠更好的量化減緩措施的有效性。曹斌等[9]針對川渝地區(qū)的輸氣管道，建立了管道第三方損壞故障樹。Smitha D. Koduru[10]提出了一種基于故障樹的第三方損壞沖擊頻率評估的貝葉斯網(wǎng)絡，闡述了故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡轉化的全過程。

模糊邏輯的方法多與故障樹聯(lián)合使用，用于解決管道量化評價中的不確定性問題。如李軍[11]等基于層次分析法和模糊數(shù)學理論，計算了燃氣管道第三方損壞風險的失效可能性。由于與概率分析模型相比模糊評判理論并沒有較大優(yōu)勢，因此目前該方法并未大規(guī)模推廣應用。

2 各方法優(yōu)缺點對比

以上三種方法均在一定程度上解決了實際問題，指標體系法簡單易用但受主觀影響較大。基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計修正法，易用性及復雜程度居中，得到了廣泛認可，但修正因子方法的確定不統(tǒng)一限制了進一步發(fā)展。數(shù)學分析法能夠解決不同失效模式的失效問題，能應用于更精確的風險評估，但模型復雜難以理解，可操作性低。三種方法的對比及優(yōu)缺點如表1所示。

3 結論

針對油氣管道第三方損壞作用下失效概率的計算問題，對比研究了目前常用的指標體系法、基于歷史 失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計修正方法、數(shù)學分析法等的計算模型，總結了三種方法存在的優(yōu)缺點及應用注意事項。實際應用中可根據(jù)現(xiàn)實的需求組合使用不同方法，形成互補，進行不同方法的結果對比研究，可使評估結果更加準確。

參考文獻：

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[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算方法探討[J].內蒙古石油化工，2014(14)： 36-38.

[7] 孫傳青，姚安林.基于信息擴散理論的管道第三方破壞概率模型研究及應用[J].石油工業(yè)技術監(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.基于模糊綜合評價的燃氣管道第三方破壞失效研究[J].中國安全生產科學技術， 2016， 12(8)： 140-145.

作者：張強，碩士，畢業(yè)于中國地質大學（武漢）安全技術及工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國石油管道科技研究中心，主要從事管道風險評價及管道完整性相關研究工作。