基于风险的油田油气集输管线维护决策优化方法.pdf

第 4 9 卷第 2 期 2 0 1 2年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME NTP I P I NG 、 ，o 1 ． 4 9 No ． 2 Apr ． 201 2 基于风险的油田油气集输管线维护决策优化方法 尹斌，陈健 飞，盛华 胜利油 田技术检测中心，山东 东营2 5 7 0 0 0 摘要将长输管道最优完整性维护决策方法一一损失函数法应用于油气集输管线的维护决策优化 。 该方法 以油田油气集输管线的风险检 测和风险评价结果为基础， 通过引入决策准则、 后果函数、 状 态集及决策集等 概念， 并对油气集输管线失效后果量化， 进而建立决策优化数学模型。 通过计算各决策的损失函数确定最优的 维护决策方案， 应用此方法对某原油外输管线进行了 维护决策优化， 达到了 较好的维护效果。 关键词油气集输；风险检测 压力管道；决策优化；损失函数 中图分类号T Q 0 5 0 ． 1 ；T H 1 8 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 3 2 8 1 2 O 1 2 O 2 一 o 0 5 5 一 O 5 作为油田开发建设的重要设备 ，油气集输管道 随着服役年限的增加，失效现象时有发生 ，大大影 响油田集输管道的正常运行 ，并造成极大经济损失。 提高集输管道安全经济地完成输送任务的能力，需 要大量的资金投入，受维护成本 的限制，管理者需 要将有限的资金最有效地用于降低管道的风险，以 提高管道运行的安全性、经济性。而人们往往有一 个错误的概念，认为风险越小越好，这是错误的。 因为减少风险是以资金的投入作为代价的。通常的 做法是把风险限定在一个可接受的水平上 ，然后研 究影响风险的各种 因素，再经过优化，找出最佳 的 维护方案 】 。 对 于长输 管道 已经有相 当成熟 的决策优化方 法，如有 限费用方法、效用 函数方法等 口 。 】 。由于 油田集输管道具有运输距离短、口径小、输送介质 多等特点，而且管体 内外腐蚀较为严重，再加上地 方上的打孔盗油行为屡禁不止，油 田的集输管道一 旦被破坏就会对油 田经济和地方环境造成极大地伤 害。采用决策优化方法能够使管道管理者在对高风 险管道进行必要的缓解措施基础上，使管道风险降 到一个合理的范围内。通过集输管道风险检测评估 可以给管道管理者科学的建议，使其在有限的资金 下采取最合理 的缓解措施 ，将集输管道的风险达到 预期的目标 。结合油田油气集输管道的特点，本文 将损失函数法引入该类管道的维护决策优化，并对 优化过程进行介绍及应用 。 1 油田油气集输管道决策优化数学模型 1 ． 1 决策优化系统组成 一 个决策系统具备五个条件 决策准则、 状态集、 决策集、概率分布、后果函数 [4 ] 。 1 决策准则。是决策者在作出决策时所追求 的目标或愿望，记作 在进行集输管道决策时，决 策者力争达到三个方面的目标经济损失最小、生命 损失最小、 环境破坏最小， 这是一个多准则决策问题。 对于各准则，应以决策者预期达到的目标作为其后果 的评估指标，此时，决策准则变成了 “ 使期望后果函 数的损失最小” ，即 ， ， 一 V _- M i n E n [ t7 t ， ] 1 式中 E I a j ， 0 J 损失函 数， 后面 将会介绍； 口 厂快 策编号； 广一 集输管道实施决策后所处的状态； u a ， 后果函数。 2 状态集。集输管道系统可能处于 的不同状 况称为状态。把状态数量化，称为状态变量，记为 ， 是决策者不能控制的变量。全体状态所构成的集合， 称为状态集，记为E l- 。集输管道决策优化系统中 的状态是指管道的失效状况，包括 断裂 、穿孔 、凝 管 和不失效 ，则 E ， ， 收稿日期 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 4 修回日 期2 0 1 1 ． 1 0 ． 2 1 作者简介尹斌 1 9 7 1 ，女，山东省乐陵市人，工程师。主要从 事特种设备检验检测工作。 化工设备与管道 第 4 9卷第 2期 ， J 。 3 决策集。为达到预想 目标而提出的每一个 方案，称为决策，将其数量化后称为决策变量，记 为 a ；其全体集合，称为决策集，记作 f 口 } ，是决 策者可 以控制 的变量 。 集输管道决策优化系统的决策变量就是 “ 为减 少管段风险而采取的措施” ，决策变量中要考虑到维 护方式、维护资金、维护和检测周期等因素。设油气 集输管道决策集论域为 则 { 决策 ／ 为减少风 险而采取的措施 } 。 每一管道的决策集 A c V 。在确定 中元素时， 为减少工作量，首先要对那些基本措施以及组合进行 初步筛选，去除那些没有可行性的、对风险降低贡献 不大而又需要付出大的代价的、或者措施代价明显远 远高于收益的决策。这样，决策集 中的元素就大 大减少。如果经过初步考虑，决策者对一管道列出 了， 个降低风险的方案，则决策集为 ，a ，⋯， ，⋯， } 。 4 概率分布。在某一决策下系统处在的某种 状态，称为该决策下系统出现的后果，记为 c -- a ， 。 后果出现的可能性，称为后果发生概率，记为p a ， 。在某一决策 a 下， 所有状态的概率分布称为展望， 记 作 ，C ；P 2 ，C 2 ；⋯； P J ，c j ，其 中结果 c j 口 ， 表示在决策 a 下的第 种状态， ， 。 在油 田集输管道维护决策优化系统中，状态的 发生概率是在一个维护决策 a 下，集输管道出现断 裂 0 ． 、穿孔 、凝管 或不失效 四种状态的可能 性，分别表示为 P fl 口 f ， 1 ； P 2 口 f ， ； P f 3 f ， ； p a ， ，显然最后得到P 2 p f 3 f4 1 。 5 后果函数 。反映决策对应后果的数量 指标，记为 口 ， 。在同一决策 a 下，以各后 果的发生概率为权数，将各后果函数进行加权，则得 到该决策下的期望后果函数，即 ， ] s a ， ， 0 ， 0 ， f ，0 3 f3 4 a f ， 4 f4 在油田集输管道维护中，后果函数是决策者所 选择的管道维护措施 a 和维护后管道所处状态 ， 的 函数，其后果函数记为 ， ， ， i 1 ，2 ，⋯， ， ； ， 一 1 ，2 ，⋯， 。其 中， 为可供选择的维护措施 的总数； 为集输管道状态总数。在集输管道维护决 策 a 下，管道出现断裂 0 、穿透 、凝管 和不失 效 等状态 的后果函数分别表示为S i l “ ，0 1 、 s i2 u a f ，0 2 、S i 3 ld a i ，0 3 、S i4 u a f ，o 4 。 在 维 护 措 施 a 下，管道的期望后果函数为 E a E ， ， 0 4 a f ， 2 f ， 0 j ij 3 4 a ， 现行的决策分析中，常用的后果 函数有损失函 数和效用函数等。 管线维护中，后果函数是决策者所选择的管道 维护措施 口 和维护后管道所处状态 的函数，记为 啦， ，卢1 ，2 ，⋯，， ； 产 1 ，2 ，⋯， 。其 中 为可供选择的维护措施的总数； 为管道状态总数。 1 ． 2 管道失效后果量化 对管道管理公司来说，管线的失效后果损失一 般从经济损失、生命损失和环境破坏 损失三个方 面进行考虑。经济损失的货币化度量要考虑到损坏资 产和设备、泄漏介质产值、因为失效引起停产等方面 的价值。这部分损失的货币化度量相对容易，这里主 要介绍生命损失和环境破坏损失的货币度量 [ 5 - 7 ] o 1 ． 2 ． 1 生命损失的量化 对生命损失的货币度量要从人员死亡和伤残两 部分来考虑。 1 人员死亡要考虑的因素包括按有关规定 给予的赔偿金和抚恤金；后事处理费用；对家属的安 排费用；信誉影响损失相应费用等。对管道事故引起 的过早死亡的赔偿费用常用人力资本法计算。对管道 事故引起的过早死亡的赔偿费用根据各地不同的生 活标准及工资水平综合考虑。 2 人员伤残要考虑的因素包括按有关规定 给予的赔偿金；医疗费用；营养费用；善后费用人 员伤残的误工费；信誉影响损失相应费用等。 1 ． 2 ． 2 环境破坏损失的量化 油气介质泄漏对环境的破坏属于人类活动的间 接影响，因此，其环境破坏损失按评价 目标可分为对 人类健康影响的损失和对生态资源影响的损失。环境 破坏损失按评价 目标可分为对人类健康影响的损失 和对生态资源影响的损失。 1 人类健康影响的损失。油气介质对人体健 康危害的评价中主要是根据油气的化学特性和毒性 特性来评估其可能造成的，并对其给人群健康造成的 后果 热辐射、噪音、急性病、慢性致癌等进行货 2 0 1 2年 4月 尹斌，等． 基于风险的油田油气集输管线维护决策优化方法 币量化 。 2 生态资源破坏的损失。生态资源的特点直 接影响对生态资源破坏的货币计量。由于间接经济损 失恢复费用的计算是生态破坏经济损失计算的核心。 只要确定了资源之间相互作用引起源破坏的范围，结 合相应的市场价格就可以确定相应的生态资源破坏 的经济损失。 2 油田油气集输管道决策优化方法 2 ． 1 基本方法 定义在决策系统 中，报酬值是对应选取的决 策 a 与可能出现的状态 两者的结果或效益，称为报 酬 函数，记作 口 ， 。当表示损失值时，也 叫 损失函数，记作 l l ， 。讨论损失问题时，决策 的目的是选取方案使期望损失 z ， 最小，假定 使 ， a ， 期望值最小的决策 a 存在。 在同一决策 a 下，以各后果的发生概率为权数， 将各后果的报酬 或损失函数进行加权平均，则得 到该决策下的期望报酬 损失函数，即 e [r a ， ] ，． ， r a ， ⋯ ． r a i,0 ， 壹 r ， j l 当 为连续型随机变量，其后果发生概率密度 函数为f 时 ，有 E r e [r a ， ] f ， 5 油田集输管道维护中，考虑的是损失函数，它是 决策者所选择的管道维护措施 a 和维护后管道所处 状态 的函数，记为 ， ，i 1 ，2 ，⋯， ．， 1 ，2 ，⋯，， ． 产1 ，2 ，⋯， 其中 为可供 选择的维护措施的总数； 为管段状态总数。已经知道 管道的状态有四种 断裂、穿孔、凝管、不失效。则 在维护决策 a i 下，损失函数分别表示为l i l ， ， 、『 j 2 ， ，0 2 、l i 3 ， 口 ， 和 ， a i ， ， 此决策的期望损失函数为 E ， E D ， 臼 ] l a ， ， t a f ， 2 f2 ， f ， 3 f 3 6 l a f ， 4 f4 2 ． 2 优化过程 对管道采取维护措施，可降低管道失效概率， 从而降低管道风险和减少失效损失。不同维护措施的 成本是不同的，可降低的风险值和相应的失效损失也 不同。因此，确定最优维护决策应该从措施的成本和 失效损失两方面来考虑，力求寻找将两者最优结合的 决策， 即最优决策。具体优化某条或某段集输管道时， 损失函数优化方法过程如下 1 制定决策准则。油田油气集输管道在决策时， 决策者所追求的目标和愿望是在集输管道决策优化之 后使措施的成本和决策之后管道失效损失到达最低。 2 确定状态集。根据集输管道风险分析，集输 管道的失效情况有断裂、穿孔、凝管，管道正常运行 过程就是不失效情况，把这四种情况作为油田油气集 输管道的四个状态， 组合为集输管道的状态集 E ， ， 2 ， 3， 4 。 3 确定决策集。根据集输管道 的风险排序， 得到对集输管道失效贡献度的基本事件排序，对靠前 的几个基本事件进行维护，能够得到较大地降低管道 失效的可能。贡献度大的基本事件对应的缓解措施进 行组合，得到决策集 A a ，a ，⋯，a i 。 4 计算概率分布。集输管道采取了决策优化 之后，集输管道必然处在断裂、穿孑 L 、凝管和不失效 四个状态之一中， 集输管道所处状态的可能性 。让专家重新对相应的基本事件进行评判，根据 前面介绍的失效概率计算方法，分别得到集输管道决 策后的四种状态的概率。 5 确定决策集费用。集输管道决策集费用即 集输管道的维护决策费用。图 1 为决策优化过程。 风险值排序 卜_ ． { 风险影响因素卜 _ _ ． { 维修措施 l 墨 塞 I __ 1 篁 璺 望 望 l _ I曼 笪 卜 _ _ _ 1 壁 兰 簦 墨l 图1 决策优化过程 6 决策后状态损失。在确定集输管道概率分 布之后，需要确定集输管道各个状态下的损失，并对 其进行货币量化。根据前面介绍的方法分别确定各状 态下损失，最终得到该决策集实施后集输管道失效期 望损失。 7 确定决策总费用。从前面的分析可知，管 道的损失函数是决策和状态的函数，即E 口 ， 。 其损失函数的货币度量值是 由决策费用和所对应失 效后果损失费用两部分组成。则有 E 日 ， Y m 7 其中y 一失效后果期望损失费用的货币度量，元 人 民币 ； 化工设备与管道 第 4 9卷第 2期 结合以上各点对该管道进行改造后，消除了此 类安全隐患，管道正常运行 。 参 考 文 献 [ 1 】 C J J 3 4 --2 0 0 2 ，城市热力网设计规范 【 s ] ． [ 2 ] C J J 2 8 --2 0 0 4 ，城镇供热管网工程施工及验收规范 [ s 】 ． [ 3 ] H G 2 O 5 7 0 9 5 ，工艺系统工艺设计技术规定 [ s ] ． [ 4 ] 王玉玄，高百争，刘德平．蒸汽管道暖管过程对固定支座 的冲击 [ J ]J．煤气与热力，2 0 1 0 ， 3 0 5 1 4 ． 1 6 ． [ 5 ] 李炜 ． 水力计算手册 [ M] ． 2 版 ． 北京中国水利水电出版社， 2 0 0 6． 赵乱 城 ． 蒸 汽 管道 中的水 击 [ J ] ． 西 北建 筑 工 程学 院学 报， 1 9 9 1 ， 8 1 6 0 6 3 ． 陈贵清， 王维军， 周红星， 等 ． 压力管道水击危害及其防治 [ J ] ． 河北理工学院学报 ，2 0 0 6 ， 2 8 1 1 2 8 1 3 1 ． 林宗虎．气液两相流和沸腾传热 [ M】 ．西安西安交通大学 出版社 ，2 0 0 3 ． 王树人．水击理论与水击计算 [ M] ．北京 清华大学出版社， 1 98 1 ． 杨建东 ． 空化理论与汽液两相流瞬态过程的研究 [ D ] ． 武汉 武汉水利水 电学 院，1 9 8 8 ． Ana l y s i s o n a n Ac c i de nt o f t h e Co l l a ps e o f t he S t e a m Pi pe s BI AN J i a n- z ho ng， XI A Li n - mi ng， XU Li a n r on g， XI ANG Xi a - n a n Hu z h o u S p e c i a l E q u ip m e n t I n s p e c t i o n C e n t e r , Hu z h o u , z h e j i a n g 3 1 3 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t T h i s t h e s i s t r i e s t o a n a l y z e t h e c o l l a ps e o f o n e p o we r p l a n t ’ S s t r e a m p i p e s i n t h e p r o c e s s o f h e a t i n g p i p e s f r o m t h e p e r s p e c t i v e s o f d e s i g n ， i n s t a l l a t i o n a n d o p e r a t i o n ． F r o m t h e a n a l y s i s and d i s c u s s i o n ， we b e l i e v e t h a t t h e ma i n r e a s o n s t h a t l e a d t o t h i s a c c i d e n t a r e t h e r a p i d s p e e d i n h e a t i n g p i p e s a n d t h e wa t e r h a mme r ． P u t f o r w a r d j o i n t h e a r i n g o f a n e x p e r t a s s e s s me n t o f t h e d e s i g n ， i mp r o v e t h e p i p e c o mp o n e n t s q u a l i t y a n d i n s t a l l a t i o n q u a l i ty, a n d t o d e v e l o p a s c i e n t i fic h e a t i n g p i p e s r u l e ， b y i mp l e me n t i n g t h e a b o v e me a s u r e s t o e l i m i n a t e t h e s e s e c u r i t y ris k s ， t h e p i p e l i n e wi l l b e n o r m a l o p e r a t i o n． Ke y wo r d s S t e a m p i p e s ； c o l l a p s e ； h e a t i n g p i p e s ； wa t e r h a mme r 上接 第 5 8页 [ 8] T S G D0 0 0 1 -- 2 0 0 9 ，压力管道安全技术监察规程工业管 道 [ s 】 ． [ 9] 张范 辉 ．油气长输 管道风 险评 价研究 [ D] ．中 国海洋 大学 ， 2 0 0 8 ． 【 1 0 ] 杨筱蘅．输油管道设计与管理 [ M] ．北京中国石油大学出 版社，2 0 0 6 2 2 4 2 3 0 ． [ 1 1 ] 杨筱蘅．油气管道安全工程 [ M] ．北京中国石化出版社， 2 0 0 5 5 6 7 4． Ri s k Ba s e d Opt i m um M e t ho d Us e d i n M a i n t e na nc e De c i s i o n f o r Oi l a n d Ga s Pi pe l i ne i n Oi l Fi e l d YI N Bi n， CHEN Ji a n - f e i ， S HENG Hua T e c h n o l o g y I n s p e c t i o n C e n t e r o f S h e n g l i O i l F i e l d , Do n gyi n g 2 5 7 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , l o s s fi mc t i o n me t h o d ， wh i c h i s o n e o f o p t i mu m d e c i s i o n ma k i n g me t h o d s for i n t e g rity ma i n t a i n o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e ， i s a p p l i e d t o p r e s e r v a t i o n d e c i s i o n o p t i m i z a t i o n o f t h e o i l a n d g a s g a the r i n g p i p e l ine ． Ba s e d o n r i s k b a s e d i n s p e c t i o n a n d r i s k a s s e s s me n t for o i l an d g a s g a t h e rin g p i p e l i n e ， a n d i n t r o d u c i n g d e c i s i o n c r i t e ria ， c o n s e q u e n c e f u n c t i o n ， s t a t e s e t a n d d e c i s i o n s e t ， a n d q u a n t i f y i n g t h e c o n s e q u e n c e s o f f a i l u r e s o c c u r r e d i n o i l a n d g a s g a t h e ri n g l i n e ， t h e d e c i s i o n o p t i mi z a t i o n ma t h mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ． T h r o u g h t h e c a l c u l a t i o n o f e a c h l o s s f u n c t i o n s ， o p t i mu m ma i n t a i n i n g s c h e me c a n b e o b t a i n e d ． T h e g o o d e ffe c t h a s b e e n o b t a i n e d f r o m t h e u s e o f t h i s me t h o d i n ma i n t a i n i n g d e c i s i o n o p t i mi z a t i o n for c rud e o i l p i p e l i n e o u t o f o i l fi e l d ． Ke y wo r d s o i l a n d g a s g a t h e r i n g t r a n s p o r t a t i o n ； r i s k b a s e d i n s p e c t i o n ； p r e s s u r e p i p i n g ； d e c i s i o n o p t i mi z a t i o n ； l o s s f u n c t i o n 6 7 8 9