管道指數安全評價法敏感性分析

胡燈明 羅 山蔣全龍

1.中國石油大學（北京） 城市配氣北京市重點實驗室 （北京 昌平 102249）

2．四川科宏石油天然氣工程有限公司 （四川 成都 610016）

3.中原油田 油氣儲運管理處 （河南 濮陽 457001）

管道指數安全評價法敏感性分析

胡燈明1羅 山2蔣全龍3

1.中國石油大學（北京） 城市配氣北京市重點實驗室 （北京 昌平 102249）

2．四川科宏石油天然氣工程有限公司 （四川 成都 610016）

3.中原油田 油氣儲運管理處 （河南 濮陽 457001）

采用多因素敏感性分析法，對W.Kent.Muhlbauer指數評價法模型本身的影響因素進行敏感性分析，確定各影響因素對管道評價指數影響的大小。通過分析，發現各因素評價分值權重與敏感性并不完全匹配，由此對模型分值權重提出了新的思考：分值權重多少不僅僅需要考慮因素本身的重要性大小，還需要結合實際工程情況，考慮影響因素的不確定變化特性或敏感性大小，以使整個評價模型和過程更具有實用性。

管道指數 安全評價 敏感性

W.Kent.Muhlbauer提出的管道指數評價法是目前經典的管道安全評價方法。該方法中，打分評價體系是核心，作者將造成管道事故的原因分為4類指數，即第三方破壞、腐蝕、設計和操作。每一類分配分數100分，總指數和在0～400分之間。每一類指數下面又包含若干影響因素，給各影響因素分配了不同的評價分值，并設定了不同的評價等級。各因素分配的分數多少大致與其引發事故危險性的大小一致。因素分配的權重越大，表示該因素越重要，在管道風險增加或減少方面起的作用也越大；分配的權重越少，表示該因素越不重要，在管道風險增加或減少方面起的作用也越小[1]。

然而，從油氣管道事故數據來看，模型因素的權重與事故原因統計的比例并不一致：EGIG對1970-2007年運行的輸氣管道事故統計，前三位主要因素分別是第三方破壞（占50%）、施工缺陷（占16%）和腐蝕（占15%）；而CONCAWE對1971-2006年運行的輸油管道事故統計，前三位主要因素分別是第三方破壞（占36%）、腐蝕（占29%）和機械失效（占28%）[2，3]。在實際評價過程中，部分評價因素主要由規范和法規來確定，且屬性一旦確定，發生變化的可能性和變化的程度非常小或幾乎不發生變化，其影響也是相對確定的，分配的分值權重大小并不能代表其對風險增加或減少所起的作用，所以需要分析各影響因素對評價指數的敏感性大小。管道敏感性分析就是在各類影響因素中，不確定性參數變化時，對管道安全評價指數的影響程度。不確定性是產生風險的根源，對安全指標影響程度較大的參數，其不確定性所產生的風險更大。 本文在 W.Kent. Muhlbauer模型的基礎上，對各評價因素的敏感性進行分析，即在4類主要評價指標下各因素對管道評價指數的敏感性大小關系。

敏感性分析

敏感性分析是經營決策中常用的一種不確定性分析方法。在影響決策目標的諸多因素中，其未來狀況常常處于不確定的變化狀態，而且各種因素的不確定性給目標帶來的風險程度也不一樣。敏感性分析的核心問題，就是從許多不確定因素中找出敏感因素，測出各個因素的變化對目標影響的程度，敏感性分析目標函數F=f(x1,x2,…,xn),（xi是影響因素）。根據研究影響因素發生變化的數量，分為單因素敏感性分析和多因素敏感性分析[4]。在管道指數評價法中，評價人員針對具體評價對象確定分值大小的時候，出現評分偏差變化的情況是多因素變化，故采用多因素敏感性分析。

根據W.Kent.Muhlbauer評價模型，管道指數評價法中的總指數和包含的若干因素，每一因素含有若干評分水平，每一因素在不同水平下，作者都確定了相應的等級和評分分值，最終求和來確定總指數。不同的評價人員在評判的時候，由于經驗、專業、知識結構、心理因素等影響，可能對評價對象選擇不同的分值或對照相應的等級進行評分，這種評分的偏差圍繞設定的評分分值變化。其評價的過程和結果可以通過多因素試驗來模擬，每一因素的每一水平對應一個評價分值，由作者已經確定，這個分值就是試驗結果的參考值，即對管道指數評價法模型利用多因素試驗思想進行敏感性分析。

以指數總和作為分析目標，通過這些影響因素在不同評分水平組合下分析評價分數的變化程度，據此找出敏感因素。但多因素敏感性分析工作量很大，如第三方損害指數有6個影響因素，每個因素設有5種評分等級，則需要進行56次敏感性分析。為了減少工作量又不影響分析結果，本文引入正交試驗理論[4，5]。

正交試驗[4，5]

正交設計方法是一種處理多因素試驗的科學方法，它利用正交表來安排多因素試驗，并對結果進行統計分析。正交試驗代替全面試驗，具有水平均勻性和搭配均勻性，即：①每一因素占據一列位置，其不同水平參加試驗次數相同；②任兩列不同因素水平所構成序偶數相等，相同序偶數出現次數在兩列內也相同。

根據管道4類評價指數下的各因素和所處的不同水平，選擇正交表LK（PJ）進行試驗，L表示正交表符號，K表示試驗次數，即正交表行數；P表示因素的水平數；J表示因素個數，即正交表的列數。由正交試驗進行計算確定評價指數和，然后采用極差分析方法對正交計算數據進行分析，以確定各影響因素對所考察指標影響大小順序。管道指數評價法敏感性分析可采用線形模型如下：

式中 β0—常數項；

βn—自變量；

Xn—回歸系數；

ε—隨機誤差服從標準正態分布。

在模型中，令某些因素主效應或交互效應為0，而其余效應最小二乘法估計不受影響，以保證對每個效應估計不受到其他效應的影響，則設計矩陣須滿足如下條件：

式中，S11，S22，...Snn都是方陣，每一方陣對應于一組效應。對于某個因素Xi對指標Y的顯著性次序分析，不做定量結論，只要求自變量Xi對因變量Y的顯著性影響次序，對式1中的回歸系數不用求解，只需要按照上式2進行試驗。

設a，b，...表示不同影響因素，m為因素評分水平數，ai表示因素a的第i水平（i=1，2...m）；Xij表示因素j的第i水平值，在Xij下進行試驗得到因素j的第i水平的試驗結果指標Yij，Yij服從正態分布的隨機變量。在Xij下做n次試驗得到n個試驗結果，分別為Yijk（k=1，2，...n）。計算：

式中 Kij—因素j的第i水平值下的統計參數；

N—因素j的第i水平下的實驗次數；

Yijk—因素j在i水平值第k個試驗結果指標值。

根據計算結果，利用極差分析因素敏感性。

評價指數敏感性分析

1 第三方破壞因素

第三方破壞包括6種因素，不同的因素分值水平不完全相同，需要按照實際情況進行調整。如，管道埋深分數=13.1×C（C表示深度），管道設計規范要求埋地管道，管頂覆土最小深度不能小于0.8m，取10分；最大深度為1.6m，若再增加深度無減少風險效果，取值20分?；顒映潭仍谠瓉硭O水平基礎上，增加一個水平等級（18分）。地面設施評分水平在原來的基礎上進行了綜合，設置為5個等級。公共教育在原來基礎上，用插值法增加兩個水平等級15分和25分。管道標志評分水平按照作者定義，沒有變化。巡線頻率按原要求有7個評價級別，排開不存在不巡線情況（0分），并對每周4次（12分）和每天巡線（15分）評價等級進行。第三方破壞影響調整后的影響因素——水平表如表1所示。

對這些因素下不同水平的評價進行正交分析，建立正交試驗表（表2）。

表2中，A(i)～F(i)（i=1，2，3，4，5）表示 6類影響因素下的不同評價水平）。結合上述，對第三方破壞分數的評分過程和結果采用多因素正交試驗，共計得到25個評價數據，將所得的觀測數據按從小到大的順序排列，利用正態檢驗紙繪圖進行正態性檢驗[6]。如圖1所示，除最小試驗值點外，其余各點基本滿足正態分布。根據管道指數法評價模型的評分原則，對影響因素滿足作者評判模型要求的程度給出評價分數，越滿足評判條件，評價分數越高；越不滿足評判條件，評價分數越低。同理，其他3項指數的試驗值也應符合正態分布。

表1 第三方破壞6因素5水平表

表2 6因素5水平正交試驗表

經過正交試驗，得到各因素敏感性大小，為了便于比較，將各因素敏感性大小進行歸一化處理，得到各因素敏感性權重百分比，與模型各因素分配的分值權重曲線在同一圖中表示（圖2）。各影響因素敏感程度大小順序為：活動程度=公共教育＞巡線頻率＞管道埋深＞地面設施＞管道標志。其中，活動程度和公共教育兩類因素，作者給定的權重雖然不一樣，但是兩者對第三方破壞的敏感性影響是一致的，即兩類因素的變化對管道指數的影響是一致的。巡線頻率屬于可變因素，對管道指數的敏感性較大，高頻率的巡線頻率能有效降低第三方破壞。值得注意的是，管道埋深指數屬于非可變因素，主要根據設計規范確定，埋深一旦確定后，各管段都能獲得相應的評價分數，對第三方破壞的影響卻很小，而作者給此因素分配20%的權重，在權重分配上沒有結合實際工程情況，缺乏合理性和評價準確性。

2 腐蝕影響指數

腐蝕影響指數包括13類影響因素，根據如上第三方破壞指數調整方法，建立管道腐蝕指數13因素3水平試驗表，編程對13因素3水平正交試驗計算后進行分析，得到結果如圖3所示。

其中，各影響因素可分為：內腐蝕包括介質腐蝕和內保護，權重占30%；外腐蝕主要由陰極保護、涂層、土壤、使用年限、金屬埋設物、電流干擾和應力腐蝕7個部分組成，占權重70%[7]。為了便于分析，此處將陰極保護 （包括陰極保護設計是否符合規范要求和陰極保護的檢查）和涂層（包括涂層的種類和質量、涂層的施工、涂層的檢驗和涂層缺陷修補）的二級影響因素一并進行分析。從圖3中可以看出，外腐蝕涂層的敏感性最大，其次是內腐蝕和外腐蝕的陰極保護。各影響因素敏感程度大小順序為：產品腐蝕＞內保護=陰極保護＞陰保檢查＞涂層種類和質量＞涂層檢驗＞涂層施工=缺陷修補=土壤腐蝕=電流干擾=應力腐蝕＞金屬埋設＞使用年限。

3 設計影響指數

設計影響指數包括6種因素，每種因素設置5種評價水平，通過建立6因素5水平正交試驗進行計算，分析結果如圖4所示，敏感性大小與各因素分值權重差不多接近。

設計影響指數各因素的敏感性影響大小為：水壓試驗＞鋼管因素＞系統安全因素＞疲勞因素＞水擊因素=土壤移動。水壓試驗是可變因素，提高試驗可以更多地排除管道焊接和管材本身的缺陷，對設計指數的敏感性影響大。系統安全系數和鋼管因素雖在評價分數權重上相等（都是20%），但是敏感性卻不一致。鋼管因素和系統安全系數都屬于非可變因素，一旦確定后，不易受外界影響發生變化。鋼管因素的分值大小由鋼管實際厚度和設計厚度的比值來確定，比值越大則分數越高；系統安全因素的大小由最大允許操作壓力與實際操作壓力的比值來確定，比值越大分值越高。水擊因素雖然屬于可變因素，但在管道設計和施工過程中，都安裝有卸壓閥或采取超前保護裝置，所以敏感性影響小。土壤移動評價分數受線路走向、管道埋深和外界自然氣候因素等影響，在線路勘測和設計中，對走向的地理環境和管道埋深都有要求，均能有效降低其風險影響，所以土壤移動因素主要受外界自然氣候的影響，對設計指數敏感性影響小。

4 誤操作影響指數

誤操作影響指數主要由設計誤操作、施工誤操作、運營誤操作和維護誤操作4類誤操作指數構成，其中每類又包括若干二級影響因素，共計21項。采用同樣的方法，對各項影響因素的評價水平進行整理，確定每種因素有4種評價水平。通過建立21因素4水平正交試驗，編程進行計算、繪圖。一級指數敏感性分析如圖5所示，二級指數敏感性分析如圖6所示。

從圖5可知，誤操作指數下一級影響因素的分值權重與敏感性相接近。對二級影響因素的敏感性進行分析，敏感性影響較大的因素為：達到MAZOP可能性＞安全系統＞施工檢驗＞維護規程＞運行操作培訓＞失誤預防＞SCADA通信＞工藝規程。其余因素對誤操作敏感性影響相對較小，且影響程度相近。

總結與討論

根據對管道指數評價法本身敏感性分析可以看出，影響因素所占的權重與其相對重要性并不完全匹配。即賦予分值權重大的評價因素，對風險增加或減少所起的作用并不一定就大于賦予分值權重小的評價因素，對風險增加或減少所起的作用并不一定就小。在若干的評價因素中，有的影響因素是可變的，因素受自身屬性或外界影響處于不確定性變化狀態，而不確定性是風險發生的根源。所以，這些更容易發生變化的因素在評價指數法中應該結合其敏感性重新分配分值權重。有的影響因素是非可變的，此類因素根據規范、標準等明確后，一般處于確定性狀態，受外界和自身屬性影響較小，在評價模型中即使賦予相當的分值權重，但是由于其相對確定性的狀態，發生變化的可能性很小，對管道的風險影響也很小，此時同樣需要結合敏感性重新分配分值評價權重。否則，在安全評價時，就容易出現相對指數高的管段，并不是危險性相對較低反而是危險性較高，使此評價方法缺乏說服力。

本文利用敏感性分析，確定各影響因素對評價指數的敏感性大小，這種敏感性分析是對指數評價法模型本身的分析，各因素評價分值權重與敏感性并不完全匹配，由此對模型分值權重提出了新的思考：分值權重多少不僅僅需要考慮因素本身的重要性大小，還需要結合實際工程經驗，考慮影響因素的不確定變化特性或敏感性大小，以使整個評價模型和過程更具有實用性。

[1]W.Kent Muhlbauer.Pipeline Risk Management Manual(Second Edition)[M].Houston，Texas：Gulf Publishing Company，1996.

[2]7th Report of the European Gas pipeline Incident Data Group, 1970-2007.December,2008.

[3]Performance of European cross country oil pipelines-Statistical summary of reported spillages in 2006 and since 1971.CONCAWE, August,2007.

[4]白新桂.數據分析與試驗優化設計[M].北京：清華大學出版社，1986.

[5]李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]梁小筠.正態性檢驗[J].上海統計，2000.

[7]潘家華.油氣管道風險分析[J].油氣儲運,1995：14（3～4）.

The sensitive analysis methods of multifactors are applied to the sensitive analysis of influencing factors about the model of W.Kent.Muhlbauer's index evaluation,in order to define the degree of every factors influencing pipeline evaluation index.Based on the above analysis,it is found that the weight of evaluation value of every factors don't match their sensitivity completely.Therefore, some new idea about the weight of model value is presented that the size of value weight not only needs considering the importance extent of factors themselves,but also the characteristics of uncertain changes or the degree of sensitivity according to the practical engineering state,so as to make the whole evaluation model and process possess more practicality.

pipeline index;safety evaluation;sensitivity

胡燈明（1981-）,男，在讀碩士，國家注冊安全工程師，現從事油氣管道安全預評價方法研究。

2009-09-13