新建管道最優投資成本預算模型研究

楊 超 劉延峰 彭錫文 鞠梓宸 王芫芫

1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心 山東東營 257000；

2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司設備管理部 山東東營 257000

目前長輸管道工程設計一般采用基于缺陷評估、應變和全壽命三種設計方法。基于缺陷評估和應變的兩種設計方法主要考慮了長輸管道在建設和運行中的局部損傷（包括腐蝕、應力及局部穿孔等），即高后果區的識別和應對。而全壽命周期設計方法從能源和環境的角度，考慮了管道從生產、建造與運輸、運行與維護直到報廢與處理的全壽命過程，綜合考慮了管道運行周期內的人文、生態、環境、技術、功能和經濟效益等各個方面，更符合目前強調安全/ 經濟學共存的要求[1]。Gido[2]將項目生命周期分為“識別需求、提出解決方案、執行項目、項目結束”四個階段。相對于長輸管道的建設來說，管道路由的設計、選材等方面屬于識別需求和提出解決方案兩個階段，屬于固定成本投資。需要投入力量（資金）最多的是執行項目階段，主要包括前期的管道運輸、敷設等一次性投資，以及后期的運行、檢測、維修等持續性投資，其所需要投入的力量（資金）在整個項目中占絕對的比重。

對于我國長輸管道建設來說，一次性投資主要包括管道、設備等購置費及相關的敷設、運送費等，而持續性的檢測、維修維護費用會隨著管道運行時間（在設計年限內）的增長而增大。因此，在滿足設計要求的基礎上，實現建設投資的最小化，獲得最大的項目收益就顯得尤為重要。因此，本研究以技術經濟學中的總費用估算模型為基準，根據長輸管道建設項目的特點，將總投資分為建設費用和運行費用兩部分著重考慮，不考慮投資收益率等時間變量[3]，引入了管道長度和站間距兩個變量，建立了適用于長輸管道建設的總費用估算模型；并根據已有長輸管道建設項目，提出了新建管道的最優站間距參數。管道工程的全壽命設計可分為3 個主要階段：工程可行性研究階段、初步設計階段和施工圖設計階段。對主要過程（包括使用壽命設計、環境生態設計、性能設計、施工過程控制設計、檢測/ 監測與維護設計和成本分析等6 大過程）采用各種恰當的方法和措施進行設計，最終實現管道工程良好的全壽命周期質量的目標[4]。從全壽命周期設計長輸管道的總費用來看[5]，主要可以分為前期設計費用、中期管道建設費用和后期運行管理費用，而前期的設計費用基本為一個固定值，因此本研究針對管道建設費用和運行管理費用進行了討論[6]。

1 建設費用

長輸管道建設過程（執行階段）中的固定成本主要是在管道建設過程中發生的所有的一次性費用，包括設備費（管道及防腐層加工、閥室及設備、陰極保護、相關的實時監測設備費用等）、施工費（穿跨越、開挖/ 回填等）、運行調試費及人工費等。其費用支出占整個管道項目在全壽命周期內總費用的70%～80%。因此，針對長輸管道路由設計，形成合理、經濟的設計方案，估算其總費用支出就顯得尤為重要。

一般來說，根據項目的生產規模，可通過式（1）對新建項目的初期總投資進行估算[7]。

式中：K1、K2——已知/ 新建項目的投資（估算）；

Q1、Q2——已知/ 新建工程的生產規模；

α——工程能力指數。

在長輸管道的建設期投資方面，占主要支出的為管道和閥室/ 陰保站的建設費用。而在方程（1）中只針對管道的設計數量為變量，也就是管道建設費用為主要的研究對象，其中包含了由于設計數量不同而引起的管道材質、管徑、壁厚及防腐層材質/ 等級等方面投資的差異，而未考慮站間距不同引起的閥室/ 陰保站及附屬設施的費用。因此，在方程（1）的基礎上，假設K1為一定設計輸量Q1下的管道建設費用，那么對于設計數量為Q2的新建管道的估算費用可以通過方程（2）來描述。

式中：T2——新建長輸管道系統的總費用；

K1——長度為L1 的已知管道建設費用；

L1、L2——已知/ 新建長輸管道的干線長度；

l1、l2——已知/ 新建長輸管道的平均站場/ 閥室間距；

α——工程能力指數，在長輸管道建設方面，0.8～1.0；

E1——已知管道站場/ 閥室建設的總費用。

2 運行費用

當然，管道的建設不能僅僅只從建設投資成本的角度來考慮，還要從管道運行過程中的安全性及經濟損失的考慮。當長輸管道達到使用年限后，根據相關檢測標準進行判廢審定，一般為最小剩余壁厚、危險截面和殘余強度三步評價方法。事實上，在管道報廢之前，其每年的檢測、維修維護費用逐年增加，并且管道失效概率也逐漸增大。因此，在對長輸管道建設項目進行全壽命周期的費用預算時，應考慮其單價費用隨時間的變化問題[8]。

管道在運行過程中的經濟損失可以設為失效概率和失效后果的函數[9]，其檢測維修費用是運行時間的函數。那么在管道的設計周期內，其管道運行產生的費用可由公式（4）和（5）求得。

式中：R1——管道失效造成的經濟損失，包管道停輸的機會成本、人員傷亡費、維修等由于管道失效造成的所有費用；

R2——管道的檢測維修費；

n——管道的運行時間；

N——管道的全壽命周期；pi——管道的失效概率，假設在管道設計使用壽命N 終止時一定報廢，并且其失效概率與運行時間n成正比，即pi=n/ N；

C1——單位長度管道失效造成的經濟損失；

qi——管道檢測與維修費用系數，qi=1+n/ N；

C2——單位長度管道運行第一年的檢測費用；

l——站間距，假設兩站場之間的管道失效不影響其他管段和站場；

L——管道長度。管道失效的原因主要包括外腐蝕、第三方破壞、誤操作及設計因素四個方面。其中外腐蝕失效的原因包括雜散電流、防腐層失效等，主要由環境因素引起的，在本研究中體現在維修/ 維護費用上；第三方破壞引起的管道失效與運行時間無關，主要與管道周圍的人口密集程度有關；誤操作（檢測/ 維修）及設計因素造成的管道失效在相關的案例中較少，因此在本研究中不作考慮。從上述分析可以發現，在本研究建立的模型中，引起管道失效的主要因素為第三方破壞，其失效概率可根據相關的國內外統計數據庫來確定。事實上，管道失效概率的確定應針對管道不同的特征參數（外腐蝕參數、人口密集度等）劃分成具有明顯區別的風險評價單元來分段評價[10]，可以理解為整條管道失效的平均概念，從而對管道的運行維護費用來進行估算。

站場的運行費用主要與日常檢測與維修維護有關，見式（6）。

式中：R3——站場的檢測維修費用；

C3——單個站場的檢測維修費用。

因此，管道系統的運行費用可以表達為方程（7）。

3 總投資

全壽命周期設計長輸管道的總投資主要可以分為前期的設計費用、中期的管道建設費用和后期的運行管理費用，如公式（8）所示。

式中：I——全壽命周期設計長輸管道的總費用，分為前期的設計費用、中期的管道建設費用和后期的運行管理費用；

C——前期的設計費用，為固定值；

j——價差系數，即報告期與基期價格的差異。

4 結論與建議

以技術經濟學中的總費用預算模型為基礎，參考已建管道的數量和總費用，引入管道長度和站間距兩個變量，針對長輸管道建設中前期的一次性投資和后期維修維護費用估算問題進行了探討，并確定了費用最小（經濟）條件下的最優站間距。

（1）對于建設期的一次投資問題，提出了站場建設與站間距之間的費用換算系數；根據設計輸量與已建管道輸量的關系，確定了建設費用最經濟時的最優站間距。

（2）對于運行期的維修維護及投資問題，引入管道失效概率和失效成本，提出管道的失效概率與管道運行年限成正比，檢測和維修費用與運行年限成正相關。綜合考慮管道失效費用、檢測維修費用及站場維修維護費用，提出了運行期費用最經濟時的站間距。

（3）最優站間距的選擇不僅僅是考慮管道建設的總費用問題，還應按照現場實際的路由、地形、建設站場的難易程度來進行選擇，并且全線站場的建設費用一般取最大值，在本研究中僅從理論上提出了最優站間距的選擇方式。