張強1 楊玉鋒1 張華兵1 程萬(wàn)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(shí)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(wèn)題，對比研究了目前常用的指標體系法、基于歷史失效數據統計修正法和數學(xué)分析等的失效概率計算模型及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和在實(shí)際應用中的注意事項。三種方法的側重點(diǎn)不同，在實(shí)際應用中可根據現實(shí)需求組合使用不同方法，形成優(yōu)勢互補及進(jìn)行不同方法的結果對比研究，可使評估結果更加準確。

關(guān)鍵詞：油氣管道；第三方損壞；失效概率

第10版EGIG失效數據報告顯示，第三方損壞在過(guò)去10年間（2007－2016）占整個(gè)失效的28.4%，位居首位。目前，管道沿線(xiàn)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(dòng)多、種類(lèi)雜，建設項目節奏快，同時(shí)新型施工技術(shù)層出不窮，對管道企業(yè)專(zhuān)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實(shí)意義，文章綜述了三種關(guān)于第三方損壞失效概率計算方法及優(yōu)缺點(diǎn)，可為日后實(shí)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(fēng)險評價(jià)法的失效可能性分值通過(guò)一系列的規則轉化為定量的失效概率�？咸�[1]在第3版《管道風(fēng)險管理手冊：理念、技術(shù)及資源》提供了一種簡(jiǎn)單的轉化規則，其假定每個(gè)指標得分總和代表了一個(gè)剩余完好率，即在一定時(shí)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和分值與總分值的比的乘積。由于未給出得分值與實(shí)際失效概率分值之間的關(guān)系式，書(shū)中提供的失效概率是一個(gè)相對的分值而不是實(shí)際概率。 Hong Lu[2]依據這一思想，進(jìn)一步給出了一種指數關(guān)系的失效概率分值和實(shí)際失效概率之間的轉換關(guān)系，其假定當失效可能性得分值為0時(shí)，實(shí)際失效概率為1，當失效概率得分值為滿(mǎn)分時(shí)，需要根據實(shí)際情況確定“有效零點(diǎn)”，即失效概率的下限值，以此來(lái)獲得轉換系數。

1.2 基于歷史失效數據統計修正法

基于歷史失效數據的統計修正法，即首先確定油氣管道的基礎失效頻率，再進(jìn)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據庫統計數據為準，目前國外已經(jīng)建立了比較完備的失效數據庫，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(yíng)協(xié)會(huì )（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據的管理工作，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據庫，提出了中國石油管道線(xiàn)路失效定義及油氣管道失效數據庫界限，建立了具有自身特點(diǎn)的失效數據庫架構[3]。

失效頻率的修正方法暫未統一，眾多學(xué)者進(jìn)行了有益嘗試，一類(lèi)是引入修正因子，如張華兵[4]、帥健[5]基于失效數據庫，結合具體評價(jià)目標管道的自身特點(diǎn)，建立了天然氣管道失效頻率計算模型。另一類(lèi) 是利用已有的管道失效記錄進(jìn)行線(xiàn)性回歸或數學(xué)模型預測，如王海清[6]對EGIG失效數據進(jìn)行了線(xiàn)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)生次數的概率預測。

1.3 數學(xué)分析法

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

結構可靠度的方法即依據強度－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(jìn)行求解。國內外對此進(jìn)行了大量研究，并相繼出臺了相應標準規范進(jìn)行了技術(shù)要求，如ISO16708《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統—基于可靠性的極限狀態(tài)方法》、 CSAZ662《油氣管道系統》附錄O。 Nessim介紹了該方法中關(guān)鍵公式和參數的標準取值及安全系數的確定，并進(jìn)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(guān)系，主要包括故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò )。兩者的不同之處在于，故障樹(shù)通過(guò)基本事件的“與”“或”門(mén)求解頂上事件發(fā)生的概率，貝葉斯網(wǎng)絡(luò )則通過(guò)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(gè)層級29個(gè)基本事件的事故樹(shù)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]針對川渝地區的輸氣管道，建立了管道第三方損壞故障樹(shù)。Smitha D. Koduru[10]提出了一種基于故障樹(shù)的第三方損壞沖擊頻率評估的貝葉斯網(wǎng)絡(luò )，闡述了故障樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò )轉化的全過(guò)程。

模糊邏輯的方法多與故障樹(shù)聯(lián)合使用，用于解決管道量化評價(jià)中的不確定性問(wèn)題。如李軍[11]等基于層次分析法和模糊數學(xué)理論，計算了燃氣管道第三方損壞風(fēng)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(méi)有較大優(yōu)勢，因此目前該方法并未大規模推廣應用。

2 各方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

以上三種方法均在一定程度上解決了實(shí)際問(wèn)題，指標體系法簡(jiǎn)單易用但受主觀(guān)影響較大�；�于歷史數據統計修正法，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一限制了進(jìn)一步發(fā)展。數學(xué)分析法能夠解決不同失效模式的失效問(wèn)題，能應用于更精確的風(fēng)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(diǎn)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(wèn)題，對比研究了目前常用的指標體系法、基于歷史 失效數據統計修正方法、數學(xué)分析法等的計算模型，總結了三種方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)及應用注意事項。實(shí)際應用中可根據現實(shí)的需求組合使用不同方法，形成互補，進(jìn)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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[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.川渝地區管道高后果區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(jià)的燃氣管道第三方破壞失效研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2016， 12(8)： 140-145.

作者：張強，碩士，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)，現任職于中國石油管道科技研究中心，主要從事管道風(fēng)險評價(jià)及管道完整性相關(guān)研究工作。