张强1 杨玉锋1 张华兵1 程万洲2 魏然然1 张希祥1

1.中国石油管道科技研究中心·油气管道输送安全国家工程实验室； 2.中石油管道有限责任公司

摘要：针对油气管道第三方损坏作用下失效概率的计算问题，对比研究了目前常用的指标体系法、基于历史失效数据统计修正法和数学分析等的失效概率计算模型及各种方法的优缺点和在实际应用中的注意事项。三种方法的侧重点不同，在实际应用中可根据现实需求组合使用不同方法，形成优势互补及进行不同方法的结果对比研究，可使评估结果更加准确。

关键词：油气管道；第三方损坏；失效概率

第10版EGIG失效数据报告显示，第三方损坏在过去10年间（2007－2016）占整个失效的28.4%，位居首位。目前，管道沿线周边环境日趋复杂，第三方施工管理难度不断加大，施工活动多、种类杂，建设项目节奏快，同时新型施工技术层出不穷，对管道企业专业化要求不断提高。研究掌握第三方损坏发生的可能性具有重要的现实意义，文章综述了三种关于第三方损坏失效概率计算方法及优缺点，可为日后实际运用提供借鉴。

1 管道第三方损坏失效概率计算方法

1.1 指标体系法

指标体系法是将油气管道半定量风险评价法的失效可能性分值通过一系列的规则转化为定量的失效概率。肯特[1]在第3版《管道风险管理手册：理念、技术及资源》提供了一种简单的转化规则，其假定每个指标得分总和代表了一个剩余完好率，即在一定时间内管段保持完好的机率，则失效概率分值等于1减去不同失效模式的指数和分值与总分值的比的乘积。由于未给出得分值与实际失效概率分值之间的关系式，书中提供的失效概率是一个相对的分值而不是实际概率。 Hong Lu[2]依据这一思想，进一步给出了一种指数关系的失效概率分值和实际失效概率之间的转换关系，其假定当失效可能性得分值为0时，实际失效概率为1，当失效概率得分值为满分时，需要根据实际情况确定“有效零点”，即失效概率的下限值，以此来获得转换系数。

1.2 基于历史失效数据统计修正法

基于历史失效数据的统计修正法，即首先确定油气管道的基础失效频率，再进行修正以符合特定管道的运行管理情况。基础失效频率的确定多以失效数据库统计数据为准，目前国外已经建立了比较完备的失效数据库，例如美国管道和危险物品安全管理局（PHMSA）、加拿大国家能源局（NEB）、欧洲天然气事件组织（EGIG）、英国陆上管道运营协会（UKOPA）、欧洲空气与水保护组织（CONCAWE）等。中石油管道有限责任公司也致力于所辖范围内油气管道失效数据的管理工作，并由中国石油管道科技研究中心于2009年建立了相应管道失效数据库，提出了中国石油管道线路失效定义及油气管道失效数据库界限，建立了具有自身特点的失效数据库架构[3]。

失效频率的修正方法暂未统一，众多学者进行了有益尝试，一类是引入修正因子，如张华兵[4]、帅健[5]基于失效数据库，结合具体评价目标管道的自身特点，建立了天然气管道失效频率计算模型。另一类 是利用已有的管道失效记录进行线性回归或数学模型预测，如王海清[6]对EGIG失效数据进行了线性回归分析，并综合考虑管道环境和运行条件，提出了管道第三方损坏失效概率预测模型。孙传青等[7]将信息扩散理论引入到管道第三方损坏模型中，给出了第三方损坏发生次数的概率预测。

1.3 数学分析法

数学分析法可分为三类，即结构可靠度、概率图谱（例如故障树、贝叶斯网络）和模糊逻辑法。

结构可靠度的方法即依据强度－应力理论将管道的强度和应力视为随机变量，在给定失效模式和参数概率分布情况下，建立管道承受荷载与管道抗力的极限状态方程进行求解。国内外对此进行了大量研究，并相继出台了相应标准规范进行了技术要求，如ISO16708《石油天然气工业管道输送系统—基于可靠性的极限状态方法》、 CSAZ662《油气管道系统》附录O。 Nessim介绍了该方法中关键公式和参数的标准取值及安全系数的确定，并进行了评估。

概率图谱是表示影响管道运行安全各事件之间的逻辑关系，主要包括故障树和贝叶斯网络。两者的不同之处在于，故障树通过基本事件的“与”“或”门求解顶上事件发生的概率，贝叶斯网络则通过基本事件之间的条件概率确定。如Qishi Chen[8]给出了一种综合考虑管道预防第三方损坏措施的具有9个层级29个基本事件的事故树模型，该模型细化了减缓措施，能够更好的量化减缓措施的有效性。曹斌等[9]针对川渝地区的输气管道，建立了管道第三方损坏故障树。Smitha D. Koduru[10]提出了一种基于故障树的第三方损坏冲击频率评估的贝叶斯网络，阐述了故障树向贝叶斯网络转化的全过程。

模糊逻辑的方法多与故障树联合使用，用于解决管道量化评价中的不确定性问题。如李军[11]等基于层次分析法和模糊数学理论，计算了燃气管道第三方损坏风险的失效可能性。由于与概率分析模型相比模糊评判理论并没有较大优势，因此目前该方法并未大规模推广应用。

2 各方法优缺点对比

以上三种方法均在一定程度上解决了实际问题，指标体系法简单易用但受主观影响较大。基于历史数据统计修正法，易用性及复杂程度居中，得到了广泛认可，但修正因子方法的确定不统一限制了进一步发展。数学分析法能够解决不同失效模式的失效问题，能应用于更精确的风险评估，但模型复杂难以理解，可操作性低。三种方法的对比及优缺点如表1所示。

3 结论

针对油气管道第三方损坏作用下失效概率的计算问题，对比研究了目前常用的指标体系法、基于历史 失效数据统计修正方法、数学分析法等的计算模型，总结了三种方法存在的优缺点及应用注意事项。实际应用中可根据现实的需求组合使用不同方法，形成互补，进行不同方法的结果对比研究，可使评估结果更加准确。

参考文献：

[1] W.Kent Muhlbauer. Pipeline Risk Management ManualIdeas,Techniques and Resourses[M]. 200 Wheeler Road,Burlington, MA01803 USA: Gulf Professional Publishing, 2006.

[2] Hong Lu,Allison Denby. A Decision Making Methodof Pipeline Risk Assessment[C].Proceedings ofthe 2010 8th International Pipeline Conference.IPC2010-31193,2010.

[3] 王婷，王新，李在蓉，等.国内外长输油气管道失效对比[J]．油气储运， 2017， 36(11)： 1258-1264．

[4] 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].北京：中国地质大学(北京)， 2006.

[5] 帅健，单克.基于失效数据的油气管道定量风险评价方法[J].天然气工业， 2018， 38(09)： 129-138.

[6] 王海清，曹斌，丁楠.浙江省天然气管道第三方破坏失效概率计算方法探讨[J].内蒙古石油化工，2014(14)： 36-38.

[7] 孙传青，姚安林.基于信息扩散理论的管道第三方破坏概率模型研究及应用[J].石油工业技术监督，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，罗敏，杨红.川渝地区管道高后果区第三方破坏因素分析[J].天然气与石油， 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] 李军，张宏，梁海滨，等.基于模糊综合评价的燃气管道第三方破坏失效研究[J].中国安全生产科学技术， 2016， 12(8)： 140-145.

作者：张强，硕士，毕业于中国地质大学（武汉）安全技术及工程专业，现任职于中国石油管道科技研究中心，主要从事管道风险评价及管道完整性相关研究工作。