油气田集输管道完整性管理效能评价指标体系建立与应用

张卫朋*，梅海粟，喻友均，谷坛，李茜茜，曾祥国

（1.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院；3.四川大学建筑与环境学院，深地科学与工程教育部重点实验室）

0 引言

油气管道完整性效能评价是对完整性管理效果及执行过程等环节进行定量评价。通过评价，旨在提升管道完整性管理效能和效率，从而降低油气管道失效率，减少管道安全事故损失。利用信息技术，可实现管道效能评价智能化与可视化，实现数据系统管理，为管理人员提供抓手，进一步提高企业竞争力［1］。此外，效能评价作为完整性管理五步法的最后一环，可以帮助企业分析完整性管理过程中存在的不足、不断改进完善完整性管理体系、持续提高管道完整性管理水平、保障管道安全可靠运行、促进资源高效利用并形成管理闭环。由此可见，效能评价将对完整性管理工作的安排部署起到引领性的督导作用，并赋予完整性管理生命力和自我革新能力。

国内以中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）为代表在管道完整性管理效能评价的应用上不断摸索前进，在风险管理为指导思想的前提下设计了以失效率和费用降低为主要评价要素的效能体系，但尚未形成高度客观、大局清晰、方案侧重、紧贴标准和简单实用的指标体系和评价方法。从需求上看，油气田领域管道完整性效能评价要把支持管理层决策部署作为必要目标横向纵向对比从而优化改进为根本目的，依据管理结果导向量化具体方案和节点。

本文基于某油田现有的管理体系，提出了管道完整性管理效能评价指标体系的构建方法，建立完备了管道完整性管理效能评价体系，采用 DEA（数据包络分析法）对该油田数家生产单位管道完整性管理效能数据进行了评估。本文所建立的分级效能评价指标体系能满足各级管理需求，使得油田企业具备科学开展管道完整性管理效能评价的能力，为下一步管道完整性管理提供理论支撑。

1 管道完整性管理效能评价研究现状

1.1 国内研究现状

王昊泽等［2］提出了管道内检测的效能评价指标体系，并进行了内检测专项效能评价研究。姬洪明等［3］梳理了油气管道完整性管理效能评价的基本定义和指导步骤，描述了基本的评价方法和基本体系原则，阐述了效能评价对完整性管理的意义。孟波等［4］建立了输油管道完整性管理数据采集的相关指标，勾画了完整性管理大数据平台建设蓝图。俞树荣等［5］构建了基于层次分析法和专家打分法的双指标评价模型。郑洪龙等［6］通过分析美国法律法规和标准规范指出，效能评价是一个多投入、多产出的综合评价系统。宫彦双等［7］归纳总结管道和站场完整性管理体系中各管理节点，构建了一套三级打分体系。帅义等［8］采用 DEA设计了针对国内管道高后果区管理效能评价流程，提出“投入-产出”模式的效能评价体系。吴志平等［9］指出中国管道企业在效能评价方面的不足，基于DEA方法提出了“投入-产出”效能评价模式。

总体上，国内效能评价研究尚未形成统一的体系和方法，针对油田企业的效能评价更是亟待完善，如何结合数字化油田思想和现场应用实际成为效能评价研究的方向。

1.2 国外研究现状

效能评价源于美国 AMSE B31.8S-2018:Managing System Integrity of Gas Pipelines［10］（简称 AMSE B31.8S）和 API 1160-2019:Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines［11］（简称 API 1160）两个体系标准。

AMSE B31.8S规定效能评价周期，其测试内容包括年度计划完成率、评价覆盖率、维护维修率、管道失效统计。API 1160效能测试对管道危害源进行分析，积累失效机理和危害因素。

就评价方法而言，AMSE B31.8S规定管道运营商通过内部审查获取数据，对比事故预防和减缓措施效能；外部审核不同运营商的完整性管理效能。API 1160通过历史数据纵向比对得出相对性结论而非绝对结论，需一定年限数据积累方可得出整改结论。当前，美国效能评价主管部门管道及危险品安全管理局（PHMSA）主要以效能测试的形式开展评价，以法律条款对道运营商进行约束，在充分进行监管的前提下各管道运营商具有广泛自我决定权。

总体上，国际相关标准规范只从法律层面对效能评价提出了开展要求及建议，管道运营商依照自身情况分别执行；而国内各油田差异性较大，管理模式和其他国家相关企业存在根本区别，故而不能完全照搬评价模式，需从整体谋划，为管理者提供一套可行的评价工具。

2 效能评价体系构建

2.1 体系构建原则与思路

指标体系的构建应贯彻管道完整性管理体系、标准，充分结合现场实施情况，全面考虑管理应用场景。健全的评价指标体系能够准确反映管道完整性管理各个管理环节及满足关键要素的管理要求。本文中的指标体系遵循国家法律标准，以 GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》［12］为基础，以 Q/SY 01039.1—2019《油气集输管道和厂站完整性管理规范》为依托，参考 AMSE B31.8S和API 1160，借鉴国内研究成果和PHMSA效能测试评价结果，也吸取了油气田完整性管理各方案关心要素要点和效果表征，并依据现场管理实际和各层级完整性管理人员需求进行了针对性设计。

方法论上，油气田集输管道完整性管理效能评价体系指标选取遵照了10大原则。①SMART原则。即明确性、可测性、可获性、相关性和回溯性。②PDCA循环。在指标选取工作中始终与PDCA管理流程保持一致，确保指标项的科学准确性。③区域性原则。衡量油田的管道完整性管理效能，要始终明确区域独特性，找出共融互通特征。④层次性原则。从属与统领的关系，明确体系评价框架的逻辑结构。⑤可操作性原则。定义的指标体系具有现场实用性，满足日常管理需求，合规合理，数据提取简便。⑥客观性原则。评价体系中指标项的数据要符合客观性原则，不加入主观因素，仅在定义和目标值制定阶段允许主观因素介入。⑦可量化原则。评价体系中指标项均具备数据表单提取功能，管理过程、管理方案和管理效果可量化。⑧结果导向原则。评价体系中指标项应关注管理过程、方案和效果的结果，而非逐一梳理复杂系统的内在逻辑联系。⑨工具性原则。评价体系的指标项要能承载效能评价作为完整性管理者的工具，实现评价后对症下药、精确施策。⑩引领性原则。从完整性管理者视角出发，疏解技术支持部门负担、明确业务部门职责、辅助各级领导决策。

2.2 效能评价体系内容与框架

据以上体系构建原则与思路划分5个方向，建立指标体系：工作流程、实施方案、风险层面、经济层面、管理层面。下设若干个层级对其提供支撑：工作流程统领完整性管理五步循环；实施方案侧重油田各生产单位方案部署情况；风险、管理和经济层面反映了管道完整性管理取得的实际收益。本文严格按照油田管理体系，对各个指标要素进行分门别类标记，为效能回溯和管理决策提供依据。该指标体系关注运行期管道完整性管理，以系统工程为方法论，采取“预选、调研、验证与改进”4个步骤，筛选并定义效能评价体系（见图1）。

图2为油气田管道完整性管理效能评价指标体系框架，该体系由3个层级指标构成，层次分析了管道完整性管理，系统反映了完整性管理效能。

本文提出的效能评分指标体系避免了分析完整性管理复杂系统内部逻辑联系，以各要点各阶段管理结果为导向，能够科学、客观地反映评价对象管道完整性管理效能现状，对自我优化起到良好的指导效用，最终实现如表1所示的效能评价目的。

表1 效能评价目的

（1）一级评价指标。复杂系统有别于综合系统，由于内部逻辑关系存在随时间无法存续、非线性、多因素等特点，无法通过传统综合系统的逻辑梳理方法将其固定。油气田管道系统作为一个复杂系统，其输送物理环境随时间变化、完整性管理技术随时间进步、完整性管理实施人员随时间改变且管理结构随时间调整，故而评价体系建设将中间过程黑箱化处理。因此，本文将评价体系设置为“多投入-多产出”结构，从管理流程和管理方案入手，提取效能数据作为完整性管理“投入指标”与管理效果的“产出指标”进行综合评价。

（2）二级评价指标。本文按完整性管理五步法对管理流程进行了划分：数据采集和管理、高后果区和风险评价、检测评价、维修维护、效能评价；将管理方案划分为了“一线一案、一区一案”和“区域防腐方案”；此外还包括风险层面、管理层面和经济层面的相应指标要素。

（3）三级评价指标。第三级评价指标为完整性管理要素落地实施项。

3 评价工作流程与方法

3.1 工作流程

本文管道完整性管理效能评价流程严格依从企业标准效能评价程序（见图3）。评价流程为：明确评价目标→明确评价范围→选择评价指标→数据收集与处理→开展评价→结论分析→改进建议→编制报告。在“输入”中，先根据年度完整性管理总体要求对本年度指标进行审定，其间提取二级管理单位根据自身情况上报的目标值情况；划分评价区域或者管理单元，确定评价范围；对选定的评价对象适度调整评价指标项，划定本次评价侧重点；根据数据要求，通过专家打分获得各指标要素相应分值，输入“DEA模型”开展评价；管道完整性管理参与人员，将直观了解评价对象效能情况，对下一年度管道完整性管理工作安排和效能评价目标值进行对应调整。

3.2 评价方法

本文采用 DEA方法进行评价。该方法是目前主流的效能评价方法［3,8］，可有效避免主观因素，科学客观分析复杂管理系统。该方法可以计算多个决策单元之间的相对有效性，即：可以分析多项投入指标及产出指标的线性规划方法，通过比较相同类型的投入及产出指标，最终得到评价对象的相对有效性。其计算公式如下：

式中：xij——第j个决策单元的第i个投入指标值；yij——第j个决策单元的第i个产出指标值；xij与yij均为已知变量，通过历史调研或专家打分得到。

线性规划方程求解min(θk)：

式中：Xj——投入指标向量；Yj——产出指标向量；Xk——第k个决策单元的投入矩阵；Yk——第k个决策单元的产出矩阵；θk——决策单元k的相对有效性及效能值；——第k个决策单元的松弛变量，表示完整性管理投入指标和产出指标的改进值；λkj——权重系数，可由评价单元工况条件或方案实施难度进行调整；Lk——投入指标的下限值，Uk——产出指标的上限值。上述计算通过Matlab语言编程实现。

3.3 评价结果与等级确定

为了使管道管理者对管道完整性管理效能的认识更加清晰，可采用100分制对管道完整性管理效能值打分。即：通过 DEA方法计算得到的评价单元的相对有效性乘以 100，得到该评价单元的完整性管理效能得分值A，可将得分值划分为 5个等级：很好、好、一般、差、很差（见表2）。

表2 管道完整性管理效能值得分等级

（1）评估等级：很好。评估得分为 90～100分，管道完整性管理过程能严格按照相关规范管理，并能取得良好完整性管理效果，能保证管道安全运行。

（2）评估等级：好。评估得分为70～89分，管道完整性管理基本能按照相关规范管理，管道运行基本安全可靠。

（3）评估等级：一般。评估得分范围为 50～69分，能一定程度按照管道完整性管理相关规范进行管理，需要进行完整性管理审查，进一步提高完整性管理效率。

（4）评估等级：差。评估得分为30～49分，管道完整性管理过程有一定漏洞或失误，没有严格按照管道完整性管理相关规范进行管理，需要自上而下进行自我审查。

（5）评估等级：很差。评估得分为 0～29分，管道完整性管理过程有重大漏洞或失误，严重影响管道运行期的安全性，需要全面整治。

3.4 模拟案例分析

通过专家打分及现场调研情况，对图2中二级指标进行评分，然后计算一级指标得分（见表3）。投入指标中考虑了人力和财力投入，即人员投入、更新维护改造费用和检测费用。利用 Matlab编写了 DEA程序，将表3中的效能评价数据输入到程序中，根据 DEA方法计算得到各评价单元的相对有效性，并排序，根据表2中的效能等级划分规则，判定各评价单元效能等级（见表4）。

表3 集输管道完整性管理效能评价数据

表4 集输管道完整性管理效能值

由表4和表5综合得出，DMU2为 DEA有效，表明DMU2正处于最好的生产规模，DMU4为弱 DEA有效，表明 DMU4为技术有效，但是不一定规模有效，DMU1、DMU3和 DMU5为非 DEA有效，可通过改善投入或产出指标效能值以提高效能。通过计算5个不同作业区的集输管道完整性管理效能值可以看出，各作业区均处于较好的完整性管理状态，且管道完整性管理过程能严格按照相关规范管理，并能取得良好完整性管理效果，能保证管道安全运行。由表5，DMU4中投入指标中更新维护改造费用的松弛变量（改进值）为700×104元/a，可考虑在下一年度降低更新维护改造费用，以提高完整性管理效率。

表5 集输管道完整性管理各评价单元松弛变量值

4 结论

本文依据国内外相关完整性管理规范，结合国内油田实际情况，提出了一套针对油田区域特点的管道完整性管理效能评价指标体系构建方法，建立了包含5个维度的管道完整性管理效能评价三级指标体系，所建立的指标体系能够科学、客观地反映评价对象管道完整性管理效能现状。

通过对中国石油某油田数个二级生产单位历史数据的提取，采用专家打分法对指标进行了量化。运用 DEA方法计算了各决策单元的相对有效性，验证了所建立的指标体系的合理性和科学性，效能评价结果和审核结果满足相互比证关系。此次评价指出了效能不足项，为完整性管理工作整改提供了依据，提高了完整性管理的工作效率。

效能评价体系由层次分析获得，预留了足够空间对接数字化油田公司效能评价业务，可通过相关性分析建立各生产单位自身独特的分析图谱并获取指标权重来实现。在此基础上结合本文中的 DEA效能算法，得到基于大数据的效能评价分析结果。

管道完整性管理效能评价体系是衡量管道运营单位完整性管理效能情况的重要方法，可满足管道管理单位“风险受控、安全运行、降本增效”的要求，同时促进资源高效利用，形成完整性管理闭环。基于 DEA的管道完整性管理效能评价具有较强的操作性，管道运营在不断运用的过程中，该效能评价体系中各级评价指标仍然需要随管理水平、技术实践的进步而不断完善和调整。