油气管道经济损失风险可接受准则研究

秦国晋，冼国栋，杨钦



油气管道经济损失风险可接受准则研究

秦国晋1，冼国栋2，杨钦3

（1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油天然气股份有限公司西南管道分公司，四川 成都 610000；3.西南石油大学 土木工程与建筑学院，四川 成都 610500）

对于石油和天然气管道，风险评估的目的是降低风险而不是消除风险。就管道结构而言，要达到绝对的安全即所谓的零风险只是理想目标，成本高且技术上难以达到。探讨和确定了我国油气管道经济损失风险可接受准则。使用模糊故障树计算得出基于定量风险的管道的可忽略失效风险P1≈4.083×10-6与最大可接受失效风险P2≈3.329×10-3。基于此，提出了油气管道经济损失风险可接受准则制定方法，采用－曲线结合ALARP原理确定了油气管道企业职工伤亡事故经济损失风险可接受准则。获得的石油和天然气管道失效可接受风险准则的数量级与国内外化工行业特殊设备风险的现行可接受标准相同，但要达到国外现有风险水平还需要增加风险投入。

特种设备；管道风险评价；风险可接受性；故障树分析

各国对石油资源的需求越来越多[1]，压力管道作为油气资源运输最经济、高效的方式在我国得到广泛使用，截至2016年底，中国石油天然气长输管道总长约126,000万公里，形成了覆盖全国的油气管网格局，并连接海外[2]。在多方的努力下，油气管道安全及风险相关技术方法日趋完善，各种新技术和方法也被用于改善管道的安全性和经济性。自20世纪90年代以来，中国学者对管道风险评估技术进行了研究，形成了比较成熟的多方法体系[3]。许多管道公司还形成了适合其运营管道环境特点的管道风险评估和完整性管理系统，还开发了相应软件并投入应用，取得了良好的效果。通过管道完整性尤其是风险管理，管道的事故发生率和事故后果都大大降低，管道运营的经济效益也得到相应提高[4]。然而，目前管道风险可接受性仍然是管道风险评估技术方法的“瓶颈”，即在管道风险评估之后需要一个可以量化风险评估结果的准则用于指导风险缓解，这个评价准则就是风险可接受准则[5]。

在20世纪60年代后期，美国社会学家C. Starr开始研究可接受风险水平[6]。随着对可接受风险水平的研究不断深入，学者们认识到风险可接受性是一个涉及政治、经济、健康和环境的社会问题[7]。中国的风险可接受性研究起步较晚，已有学者将这一观点引入石油和天然气管道风险评价领域[8-9]，但很少涉及石油和天然气管道中经济损失的可接受性。论文为此探讨和确定了油气管道经济损失风险可接受准则，弥补了该领域的不足，旨在为风险管理者对风险进行管控时提供科学的依据。

1 风险可接受准则确定的原则

对于石油与天然气管道，风险评估的目的是降低风险而不是消除风险。因为对于任何结构，要实现绝对的安全性，即所谓零风险，只是一个理想目标，成本高且技术难以实现[10]，故风险可接受准则连接风险评估与风险决策不可避免的桥梁。

确定风险接受准则时应遵循的一般基本原则是[11]：

（1）不接受不必要的风险，只接受合理的风险；

（2）如果事故可能产生更严重的后果，应努力降低事件发生的可能性，即降低社会风险；

（3）比较原则（GAMAB，Globalement Au Moiris Aussi Bon），指的是新系统与已接受的现有系统风险相比的风险，新系统的风险等级至少大致等于现有系统的风险等级；

（4）最小内生死亡率（MEM，Minimum Endogenous Mortality）原则，意味着新活动的风险不应远高于人们日常生活中接触的其他活动的风险。有研究人员认为，新活动的风险不应增加1%以上。

2 油气管道损失类型界定与经济损失风险

风险由危险产生，即危险是风险的前提，因此可接受风险可以通过危险可能带来的损失指标来量化。管道失效造成的政治和文化因素难以量化，基于油气管道失效的损失体系包括三类损失、细分为8个小类，如图1所示，本文主要研究经济损失风险[12]。

2.1 油气管道失效经济损失影响因素

油气管道失效造成的经济损失应考虑到受损资产和设备的价值、泄漏介质的产值以及因为失效而暂停生产的价值。

影响因素为：管道实际失效引起油品泄漏的量、油气价格、固定资产破坏程度、流动资产组成价格、停产损失、工人工资，等。

2.2 油气管道失效经济损失

油气管道失效造成的经济损失包括直接经济损失和间接经济损失，可将其细分为图2所示的损失形式，考虑到实际情况，其他一些未考虑的经济损失统一用W表示。

图1 油气管道失效造成的损失类型

图2 油气管道失效经济损失划分

故油气管道失效的总经济损失为：

3 风险可接受准则研究

3.1 风险可接受准则制定原则

风险可接受准则种类很多，它们之间的共同原则是寻求降低风险所花费的成本与效益之间的平衡。绝对零事故不可能，可接受性的思想是使风险降低至可承受范围的同时能获得足够的效益，这种思想的集中体现就是ALARP原则（As Low As Reasonably Possible，最低合理可行原则），它是风险可接受准则研究中的重要工具。如图3所示，ALARP原则有两根重要的分界线：最大可接受风险线将风险分为不可接受风险与可接受风险，应不惜一切代价降低不可接受区域的风险；可忽略风险线将可接受风险划分为ALARP区域和风险可接受区域；两线之间的ALARP区域内风险虽可接受，但应通过成本效益分析判断是否需降低风险[13]。

图3 风险水平和ALARP区域

3.2 风险可接受准则制定

经济损失是衡量评估对象总经济风险的指标，本文是针对整个管道系统[14]。为计算经济损失，必须识别并估计偶然事件与其发生的概率，以及事件可能造成的结果，即工期中事件发生的概率和相关损失。管道失效造成的经济损失为管材损失或大型维护成本、停工成本、生产损失、恢复成本、可靠性降低等。

3.2.1 管道失效概率可接受风险准则

本文采用定量风险评估技术，风险可接受准则应基于风险评估的方法制定，故应使用定量风险评估。故障树是油气管道定量风险评估常用的方法，确定管道失效概率可接受风险准则的具体流程为如下。

（1）建立石油与天然气管道的通用故障树

以“管道失效”作为顶事件；管道失效的最直接原因是管道破裂和穿孔，故为次顶事件；使用类似方法继续深入分析到列出表示管道所有失效事件的基本事件为止。分析可得该故障树共92个基本事件，如表1所示[15]。

（2）识别故障树最小割集

最小割集由下行法求解，基本原则是从顶部事件开始，由顶部到底部，并依次用输入事件替换“门”的输出事件，输入事件竖向写出“or门”，经过“and门”输入事件之后横向列出，直到所有“门”事件都被基本事件替换。获得的所有竖向排列的项就是故障树的割集。再利用布尔代数来简化和吸收，然后获得所有最小割集。表2显示了从故障树分析中获得的所有最小割集[15]。

表1 油气管道失效故障树基本事件表

（3）确定基本事件模糊概率

目前国内尚未建立统一的油气管道事故数据库，而外国数据库虽然很丰富但并不符合我国国情，故专家判断和估算已成为基本事件发生概率的唯一数据来源。本文将国外数据和专家评价结果相结合，以确定基本事件的概率。

当专家判断失效的可能性时，通常不会直接给出准确的数字，而是使用一些代表事件发生的可能性大小的模糊语言值。例如，可用{最小、极小、非常小、很小、相当小、较小、不太小、不大不小、不太大、较大、相当大、很大、非常大、极大、最大}。在油气管道故障树基本事件概率的专家判断过程中，专家判断基本事件发生可能性的自然语言是：很小、小、较小、中等、较大、大、很大等[16]。当使用模糊集理论处理这些不确定信息时，这些自然语言可被梯形模糊数代替（当然也可以根据情况采用各种别的图形），如图4所示。

图4 代表专家判断自然语言模糊数

设置可接受风险最大临界状态（对应ALARP中的可忽略风险水平）和不可接受风险最小临界状态（对应ALARP中的不可接受风险水平）所对应的所有基本事件的专家意见均分别为“小（S）”和“较大（RL）”，可以根据图4所示的自然语言的模糊数表示转换为模糊数。

表2 油气管道故障树的最小割集

隶属函数表达式为：

因此，可以将模糊数转换为模糊可能性值，从而可以计算出故障树中其他底事件的概率。

（4）计算石油和天然气管道失效概率的可接受风险水平

事件的独立性包括两方面[17]：

①最小割集中的基本事件彼此独立，然后最小割集的概率是割集中所有基本事件概率的乘积。第个最小割集的概率P为：

②各割集相互独立，此时油气管道顶事件的概率，即失效概率，是每个最小割集的概率之和。

通过以上的分析，可以得到独立事件下的管道失效概率的模型为：

式中：为故障树中最小割集的序号，＝1,2,3,...,；为故障树中最小割集的个数，＝32；事件X包含在第个割集（K）中；p为第个基本事件的概率；为基本事件的序号，＝1,2,...,92。

根据式（4），可以计算出可接受风险的最大临界状态（可忽略风险）和不可接受风险的最小临界状态（最大可接受风险）的每个基本事件的模糊概率，进而可以计算出可忽略的失效概率值和最大可接受的失效概率值为P1≈4.083×10-6、P2≈3.329×10-3。

（5）可接受风险标准对比

如表3所示：①本文计算得到的最大可接受风险与可忽略风险大于英国危险品运输风险标准与加拿大公共场所风险标准；②本文计算得到的最大可接受风险与可忽略风险小于化工行业风险标准；③本文得到的可接受风险准则的数量级与现有的国内外化工行业风险可接受标准同数量级，证明本文得到的可接受风险准则符合实际，而要达到国外现有风险水平我国还需要增加风险投入。

表3 国内外部分行业的可接受风险标准[18]

3.2.2 经济损失风险可接受准则确定方法

到目前为止，对不同领域可接受的经济损失风险准则的研究尚未形成相对一致的标准。可接受的经济损失风险水平随着经济发展和物价水平的变化而变化。根据GB/T 6721－1986《企业职工伤亡事故经济损失统计标准》，经济损失分级标准和当前的经济发展水平，给出了管道企业事故职工伤亡经济损失风险的可接受准则。并可以根据该方法确定第2节讨论的各种油气管道失效造成的经济损失的风险可接受准则。第3.2.1节计算了，可忽略失效概率值P1≈4.083×10-6和最大可接受失效概率值P2≈3.329×10-3，结合ALARP原理，－曲线可用于确定油气管道经济损失风险可接受准则，其计算模型为[19]：

式中：P为发生经济损失事故的概率；F()为年经济损失的概率分布函数；为事故的年经济损失；、为常数，与可接受的风险水平和对风险的控制程度有关。

越大，事故越严重，可接受性越低，需加大风险控制力度，取值越大。

根据文献资料，经济损失可分为几个区间：当经济损失＜105元时，事故的后果相对较小，应控制其发生的概率在3.329×10-3以下；当经济损失为105元≤＜106元时，事故后果较为严重，取＝1；当经济损失为106元≤＜107元时，事故后果很严重，取＝2；当经济损失在107元≤＜108元时，事故后果非常严重，取＝3；当经济损失≥108元时，这是一次特别严重的损失事故，将造成极大的经济损失和不利的社会影响，也就是说，当事故造成的经济损失超过108元（包括108元）时，风险值直接落入不可接受的范围。由此，可以确定风险不可接受线，结合ALARP原理，可以按此方法确定风险可忽略线，得到管道可接受经济风险水平，如图5所示。

图5 管道可接受经济风险准则P－L曲线

图4是双对数坐标系，显示了经济损失与事故概率之间的关系。在对油气管道进行风险评估后，用－图（图5）表示油气管道失效事故的可能性及可能的经济损失。如果该点落在风险可接受范围内，则风险被认为是可接受的；如果风险属于不可接受区域，则被认为是不可接受的，必须采取强制措施来降低其风险；当落入ALARP区域被认为是可接受的，但也有必要通过成本效益分析的结果做出决策。

4 结论

为向风险管理者提供风险缓解资源分配的科学依据，本文依据国内外风险可接受准则的研究成果，讨论并确定了油气管道经济损失风险可接受准则。进行了以下工作：

（1）基于模糊故障树，确定了油气管道的最大可接受失效概率与可忽略的失效概率。本文得到的可接受风险准则的数量级与现有的国内外化工行业风险可接受标准同数量级，说明该可接受风险准则符合实际，而要达到国外同行业现有风险水平我国还需要增加风险投入；

（2）界定了油气管道经济损失的内容，提出了一种确定油气管道经济损失风险可接受准则确定方法，使用－曲线结合ALARP原则确定了油气管道企业职工伤亡事故经济损失风险可接受准则，该方法可用于确定油气管道失效的其他经济损失风险可接受准则。

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Acceptable Criteria for Economic Loss Risk of Oil and Gas Pipelines

QIN Guojin1，XIAN Guodong2，YANG Qin3

(1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.Petro China Co Ltd, Southwest Pipeline Company, Chengdu 610000, China; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

For oil and gas pipelines, the purpose of risk assessment is to reduce risks rather than eliminate risks. As far as pipeline structure is concerned, to achieve absolute safety is only an ideal goal, which is costly and difficult to achieve technically. The acceptable criteria for the economic loss risk of the oil and gas pipeline in China are discussed and confirmed. The fuzzy risk tree is used to calculate the risk PC1≈4.083×10-6 and the maximum acceptable risk PC2≈3.329×10-3 of oil and gas pipelines based on quantitative risk. Based on this, a study method for the acceptance criteria of oil and gas pipeline economic loss risk is put forward. The acceptance criteria of economic loss risk of casualty accidents in oil and gas pipeline enterprises are determined by using the P-L curve and the principle of ALARP. The results show that the quantity of the oil and gas pipeline failure acceptable risk criteria is the same order of magnitude as the acceptable standard of the existing domestic and foreign chemical industry special equipment risk acceptable standards. Compared with the existing risk levels in foreign countries, our country also needs to increase the risk investment.

special equipment；pipeline risk assessment；risk acceptability；fault tree analysis

TE973

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.007

1006－0316 (2018) 09－0041－07

2018－07－02

国家自然科学基金项目（50974105）；中国工程院重大咨询研究项目（2011-ZD-20）；高等学校博士学科点专项科研基金（20105121110003）

秦国晋（1993－），男，四川南充人，博士研究生，主要研究方向为油气管道结构安全工程。