高原地区埋地钢制油气管道风险评价模型研究

朱平 庞旭 吴漫

摘要： 为降低油气管道整体风险水平，实现油气管道的安全运行，对油气管道风险评价模型进行了综述。分别从腐蚀、第三方破坏、自然灾害、误操作以及设计五个方面论述油气管道风险因素的来源，综述各风险因素的对油气管道的影响。通过分析油气管道风险评价领域中当前广泛使用或者应用前景广阔的几类模型方法，总结与对比国内外管道风险评价模型的研究现状，基于高原地区埋地钢制油气管道的敷设条件，为高原地区埋地钢制油气管道风险评价模型提供一些建议。

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.

關键词： 高原地区；油气管道；风险因素；风险评价模型

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

中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0025-04

0 引言

近些年来，油气管道随着全球油气产业的蓬勃发展而迅速增长，管道事故（如泄漏、爆炸）频繁发生，造成了严重的生命财产损失和环境破坏[1]。在我国，随着油气长输管道建设量的增大，老管线服役时间的增长，管道事故也日益增长，为确保油气管道的安全，使新管道无故障运行，老管道在设计寿命内继续健康安全运行，对油气管道开展风险评价是非常必要的[2]。

国内外不少石油公司综合运用各种风险分析方法开发了管道的风险评价，尤其是美国管道风险管理专家W.Kent Muhlbauer[3]提出的专家评分法[4-5]被加拿大、美国等发达国家广泛使用于管线风险评价。国内的管道风险评价也主要以专家评分法为主，在借鉴国外技术基础上，开发了RISKSCORE管道定量安全评价软件。两者都为完备的风险评价模型，但随着生产实践的深入应用，风险评价模型在适用性上存在的问题逐渐暴露[6]，比如肯特风险评价模型基于美国管道的研究成果，由于国内油气管道的管理技术水平与国外的差距，肯特风险评价模型在国内并不适用，必须对模型进行调整。因此，油气管道风险评价模型的研究具有一定的意义。

目前，对于基于高原地区埋地钢制油气管道的风险评价研究尚少，笔者从埋地钢制油气管道风险因素来源入手，分析引起管道失效的风险因素，总结与对比国内外油气管道风险评价模型的研究现状。基于高原地区的埋地钢制油气管道的敷设条件，辨识风险因素，建立油气管道失效的故障树，得到风险因素的重要度排序，再利用模糊层次分析法对风险因素的权重进行调整，建立适用于高原地区埋地钢制管道的风险评价模型，使高原地区埋地钢制油气管道的安全运行成为可能。

1 埋地钢制油气管道风险因素来源

国际标准ISO13623/2000“石油及天然气管道输送系统”中规定对设计、施工或误操作、腐蚀、第三方破坏、自然灾害所引发的事故频率及危害性进行评价和风险计算。国内油气管道事故资料表明，这5者在油气管道泄漏、爆炸都有着重要影响[7]。

1.1 腐蚀因素

腐蚀现象是指材料受到周围环境的化学、电化学、物理等作用下引起的失效破坏。根据美国和英国数据统计分析，管道失效主要由腐蚀引起的，尤其是我国在役油气管道有 80%已服役超过20年，腐蚀现象严重。油气管道腐蚀常见的失效形式为腐蚀穿孔，而引起油气管道腐蚀穿孔失效最直接的原因是外腐蚀和内腐蚀。造成管道外腐蚀的主要影响因素是防腐绝缘层、土壤腐蚀性、杂散电流影响、阴极保护状况等。内腐蚀主要是由天然气中的硫化物酸性介质作用引起失效[8]。

1.2 第三方破坏因素

分析长输油气管道，第三方破坏是影响油气管道安全平稳运行的主要形式，发现其与最小埋设、管道沿线人的活动程度、地面上的管道设备、公众教育、管道施工带状况、居民素质、巡线的频率及管理水准等有密切关系。近些年来，第三方导致油气管道失效的发生具有很强的随机性，不易预测和难控制，主要是由于违章占压、打孔盗油、违章施工作业等第三方破坏因素。

1.3 自然灾害因素

自然灾害一旦发生对油气管道的破坏是毁灭性的，可能导致油气管道断裂，引发喷射物和火灾等大型事故，不但造成巨大的生命财产损失，而且会严重破坏生态环境。由于油气管道分布广阔，沿线地质形貌复杂，自然灾害的影响难以避免，其中，典型地质灾害有：崩塌、滑坡、泥石流、地震等。

1.4 操作失误因素与设计因素

油气管道系统中人的行为可以是积极的，也可以是消极的，人为造成操作失误是风险评价中的重要因素之一，操作失误包括系统操作失灵和人为操作失误。

而设计因素包括管材设计和安装施工时形成的缺陷，管道的初始微裂纹、椭圆度差、划伤、焊接等缺陷都将导致管道整体强度的降低。随着油气管道服役时间的增长，管道的这些缺陷会逐渐显露出来，将可能影响油气管道失效 [9]。

2 油气管道风险评价模型和方法

油气管道风险评价的基本任务是针对不断变化的油气管道及其附属设施的风险因素进行充分辨识和科学评价，为油气管道的风险管理提供决策依据[10]。风险评价是油气管道完整性管理的关键环节和核心要素[11]。管道风险评价方法通常根据结果的量化程度分为三类，分别为定性、半定量和定量评价方法[12]。

2.1 定性风险评价方法

定性风险评价法是指通过观察事物，掌握事物的变化规律，对事物进行科学地分析和判断，根据定性风险评价法可以定性分析油气管道的危害等级 [12]。

2.1.1 预先危险性分析

预先危险性分析[12]是在建设工程之前，对系统存在的各种风险因素和失效后果进行宏观、概括分析的一种系统风险分析方法，其操作较为简单，能够快速辨识风险因素，是一种较好进行初步评估工作的方法。

2.1.2 故障树分析

1962年，美国贝尔电报的电话实验开发故障树分析（FTA）技术[13]，通过分析可能造成系统失效的风险因素，采用逻辑框图（故障树），确定系统失效因素的各种组合方式和发生概率。用故障树分析法对油气管道辨识风险因素，能够找出可能导致管道失效的初始因素，描述各因素间之间的逻辑关系，发现系统各种固有或潜在的风险因素，找出系统的薄弱环节，从而为系统的失效分析和预防措施的制定提供依据。故障树分析在获得广泛应用的同时不断被改进。

2009年，俞树荣[14]等人针对风险因素之间上下两级事件存在的不确定因果关系，结合贝叶斯网络来进行故障树分析，有效提高长输油气管道的分析的准确性[19]。

2010年，Xue WU[15]等人提出故障树分析与非线性模糊法结合的综合评价的方法，利用故障树辨识油气管道的风险因素，运用非线性模糊综合评价方法对评价因子集和权重集进行调整，得到风险评价修正模型。

2.2 半定量风险评价方法

半定量风险评价方法是指在风险的数量指标基础上，对管道事故发生可能性和后果各自分配一个权重指标，再组合相对应的事故可能性和后果严重程度的权重指标，最后通过简单的数学运算，形成一个相对的风险指标，即为半定量风险评价的结果。

肯特评分法通过辨识影响管道安全运营的各种风险因素，结合WKM咨询公司50多年管道运营管理的经验和20多年管道风险管理专业知识的积累，以及100多条管道应用肯特评分法的反馈信息，将多种影响因子归类为第三方破坏、腐蚀、误操作、设计以及泄漏，并各类影响因子依据其影响风险程度的大小进行赋值和量化处理，形成肯特评分指标体系和风险计算模型，肯特风险评价模型如图1所示。

肯特法是基于美国运输部的实际运行经验和美国其他相关部门的研究成果，而由于国内管道的技术、建设、运行、维护等水平与国外的差距，因此，考虑到国内管道运行环境，肯特管道风险评价法在国内获得广泛应用的同时不断被改进。

2008年，高俊波[16]针对城市燃气管网的特点，修正了肯特分析法影响因素的确定方法和影响权重的分配方法，针对风险因素的不确定性，利用模糊评判对其进行分析量化，建立城市燃气管网的风险分析模型。

2009年，中国石油管道科技研究中心根据国内管道实际运行情况，借鉴肯特评分法，建立RISKSCORE管道风险评分系统[17]，该模型用于东北某原油管道，分析其失效可能性和风险值，验证了RISKSCORE管道风险评价模型的有效性，RISKSCORE管道风险评价模型如图2所示。

2014年，Dong H[18]等人運用模糊层次分析法对肯特管道风险评价模型进行修正，Dong H根据管道的基础数据和实际运行情况，调整青海长输油气管道各风险因素的权重比例，建立风险评价模型，以获得更加适用于青海输气管道风险评价的模型。

2016年，骆吉庆、姚安林[19]等人针对海底油气管道的实际情况，引入模糊理论对传统的肯特评分法进行改进，在肯特评分法指标中增加自然环境因素，利用模糊理论，构建基于Mamdani型模糊推理系统的风险评价模型，使风险分析更符合客观实际。

2.3 定量风险评价方法

定量风险评价方法主要是量化估计管道失效的可能性及失效后果，从而计算得到具有一定物理意义的管道风险评价值。定量风险评价结果的精确性不仅取决于原始数据资料的完整性，还取决于评价数学模型的准确与否，是一种最科学合理的管道风险评价方法。

2.3.1 失效频率评价

管道的失效事件发生带有很强的随机性，是一随机变量，因此失效频率分析属于概率统计学的范畴。2011年，张华兵在[20]博士学位论文中将管道失效频率计算模型定义为：fis=fgi×∏Aij×C1×Cn+/Ck-（1）

其中，s为管段编号，fis为失效频率，fgi为失效原因平均失效频率，A为调整因子，i为失效原因编号，j为调整因子编号，C1为归一因子，Cn+为与风险成正比的管道基本参数，如管径，n为指数，k为指数，Ck-为风险成反比的管道基本参数，如壁厚等，这些失效数据主要通过国内外失效数据库获得。

2016年，单克[21]在失效频率计算模型的基础上，针对油气管道定量风险评价过程中不确定性因素的影响，建立基于修正因子的油气管道失效概率评价模型。

2.3.2 失效后果概率评价

失效后果[22]主要是指油气从管道内泄漏出来引起各类火灾、爆炸等事件对周边生命财产和生态环境造成的损失，利用数学模型超压模型、热辐射模型和扩散模型等进行量化。失效后果概率是指油气管道泄漏后，在某条件下引发各种后果事件的概率。2014年，王大庆[23]利用模糊数学理论，通过模糊事件树定量分析管线失效后续事件发生概率，结果表明，能辨识重要的后续事件。

3 高原地区埋地钢制油气管道风险评价模型存在的问题及对策

3.1 油气管道风险评价存在的问题

目前，油气管道风险评价涉及的各项工作尚未形成统一标准，在模型选择、数据来源、风险因素方面差别比较大，笔者依据高原地区埋地钢制管道的敷设条件分析目前风险评价模型存在的问题，主要为基础数据和评估模型的不确定性。

3.1.1 基础数据的不确定性

由风险因素可知管道所处环境复杂，其风险评价存在许多不确定因素，且现有的历史统计数据资料缺少管道失效基础数据且存在格式不统一，因此管道是一个信息不完全的“灰色系统”。国外油气管道公司主要根据管道事故建立数据库，从而统计基础数据，然而国内在管道历史失效数据的收集和分析方面处于起步阶段，缺少功能齐全、数据丰富的失效数据库，特别是高原地区缺乏对管道失效数据的统计与分析，且由于偶然因素的影响，统计规律并不明显，导致管道失效的基本失效概率值是处于平均状态下，并不能完全真实反映当前管段的风险状况。因此基于失效可能性和失效后果的定量风险评价方法暂不适用于高原地区埋地钢制油气管道。

3.1.2 评价模型的不确定性

定性风险评价法优点在于操作过程简单，评价无需投入大量资金，但是定性评价的主观性较强，其评价结果的准确性过于依赖人的主观感受，使得评价结果的精确度较低。因所需基础数据较少，评价成本相对较低，评价结果的精度满足工程实践的需要，专家评分法被广泛应用于生产实践，但实践应用表明基于肯特法的半定量风险评价方法无论是在权重的设置或评分准则的制定上都有一定的主观性，需要结合每条管道的具体情况进行修正。因此，开展管道风险评价工作之前，应根据管道敷设条件及地区实际情况建立适用的评价模型，有针对性、科学合理地对管道风险进行。

3.2 高原地区埋地钢制油气管道风险评价模型

滇西南地区地形地貌复杂、峡谷深切、新构造运动强烈，降雨量强度大且集中，主要集中在6-9月份，该地区为崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害多发区，且由于管道相关的地质灾害区别于一般性质的地质灾害，其规模小、数量多、种类全，对管道影响大，该地区成为管道失效多发段，导致高原地区管道的敷设条件中自然灾害因素相比于国内其他地区，管道失效的可能性将会更大。

基于上文的分析，综合收集到的基础数据，为了风险评价结果更加准确，该地区应该选用更加适用的风险评价模型，笔者提出由基础数据建立风险因素故障树，为了使结果和决策更加客观，笔者提出采用模糊层次分析法和故障树分析法对肯特风险评价模型进行优化，使得评价结果更加客观、精确。

整合基础数据，构建以管道失效为顶事件的高原地区油气管道风险因素的故障树，对故障树进行分析得到基本因素的重要度分析，然后根据高原地区管道的实际敷设条件，引用模糊层次分析法对肯特风险评价模型进行修正，调整各风险因素权重比，以得到适用于高原地区埋地钢制油气管道的风险评价模型，该风险评价模型的流程图如图3所示。

高原地区埋地钢制油气管道风险评价模型采用故障树分析，可以有效辨别引起管道失效的风险因素，可以根据重要度删除肯特风险评价模型中的对管道失效无影响的风险因素，由于基础数据的确实，这样的模型更加适用于高原地区；依据高原地区自然灾害对管道失效作用较大，且风险因素的重要度排序，运用模糊层次法对肯特风险评价模型进行修正，以获得更加适用高原地区的风险评价模型，使得风险评价更加客观、精确。

4 结论

我国管道业务正处于飞速发展的大好时期，而风险评价在管道的安全运行中起了不可或缺的作用。在总结风险因素对管道的影响之后，对比分析了埋地钢制油气管道风险已有的评价模型和研究方法的基础上，结合其他领域风险研究方法和高原地区埋地钢制油气管道的敷设条件，建立起适用于高原地区埋地钢制油气管道的风险评价模型，使得管道风险的评价结果更加精确、客观，为管道的完整性管理奠定了良好的基础和技术保证了管道的安全、高效、合理运行。

参考文献：

[1]狄彦，帅健，王晓霖，等.油气管道事故原因分析及分类方法研究[J].中国安全科学学报，2013，23（07）：109.

[2]王艳平，曹樹刚，刘洪，等.油气长输管道综合评价模型设计与实现[J]. 重庆大学学报，2013，36（11）：121-126.

[3]Muhlbauer W K. Pipeline risk management manual ： ideas， techniques， and resources[M]. Elsevier， Gulf Professional， 2004.

[4]Kishawy H A， Gabbar H A. Review of pipeline integrity management practices[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping， 2010， 87（7）：373-380.

[5]Gharabagh M J， Asilian H， Mortasavi S B， et al. Comprehensive risk assessment and management of petrochemical feed and product transportation pipelines[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2009， 22（4）：533-539.

[6]Lu L， Liang W， Zhang L， et al. A comprehensive risk evaluation method for natural gas pipelines by combining a risk matrix with a bow-tie model[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering， 2015， 25：124-133.

[7]赵新伟， 李鹤林， 罗金恒，等.油气管道完整性管理技术及其进展[J].中国安全科学学报，2006，16（01）：129-135.

[8]张鹏，彭星煜，胡明.油气管道腐蚀可靠性的贝叶斯评价法[J].中国安全科学学报，2008，18（12）：133-139.

[9]黄亮亮， 姚安林， 鲜涛，等.考虑脆弱性的油气管道风险评价方法研究[J].中国安全科学学报，2014，24（07）：93-99.

[10]石仁委.油气管道安全标准汇编[M].中国石化出版社，2016.

[11]姚安林， 赵忠刚， 张锦伟，等.油气管道风险评价质量评价技术[J].天然气工业，2013，33（12）：111-116.

[12]郑津洋.长输管道安全[M].化学工业出版社，2004.

[13]Tian H， Huang Y， He J， et al. Application of Fault Tree Analysis in the Reliability Analysis of Oil-Gas Long Pipeline[C]// International Conference on Pipelines and Trenchless Technology. 2012：1436-1447.

[14]俞树荣，杨慧来.基于贝叶斯网络的长输管道故障树分析[J].石油化工设备，2009，38（2）：47-50.

[15]Xue WU， Xiao C Y. Reasearch on A Nonlinear Fuzzy Comprehensive Assessment Method for Oil & Gas Pipeline Failure Based on Fault Tree Analysis[J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry， 2010.

[16]高俊波，郭越，王晓峰.城市燃气管网的定量风险分析模型研究[J].应用基础与工程科学学报，2008，16（02）：280-286.

[17]戴联双，张俊义，张鑫，等.RiskScore管道风险评价方法与应用[J].油气储运，2010，29（11）：818-820.

[18]Dong H， Wei L， Wang Q. A Study on Oil Pipeline Risk Assessment Technique Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process[J]. Open Petroleum Engineering Journal， 2014， 7（1）：125-129.

[19]骆吉庆， 姚安林， 周雪，等.Mamdani型模糊推理在海底油气管道风险评价中的应用[J].中国安全科学学报，2016，26（08）：74-79.

[20]张华兵.基于失效库的在役天然气长输管道定量风险评价技术研究[D].中国地质大学（北京），2013.

[21]单克， 帅健， 张思弘.基于修正因子的油气管道失效概率评价[J].中国安全科学学报，2016，26（1）：87-93.

[22]Bai Y， Bakar S A， He S L， et al. Consequences of Failure Estimation for Oil and Gas Spills[C]// ASME 2012 31st International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers， 2012：55-64.

[23]王大慶，张鹏.油气输送管线失效后果模糊事件树分析[J]. 安全与环境学报，2014，14（3）.