油氣田管道完整性管理效益評估

梅海粟，周潤智，張衛朋，谷 壇，胡 敏，陳思錠，趙 飛，劉 杰

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院，北京 100083；2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000）

0 前 言

管道完整性管理是目前股份公司極力推進的風險管理模式，配套標準逐步建立并分階段完善。目前，完整性管理工作已在股份公司層面持續推進了5 年，各油田深耕細作后，完整性管理技術得到了有效運用和長足發展，工作也已日趨常態化。然而在提質增效的企業大背景下，亟需從效益角度考察完整性工作成效，進而鞏固工作基礎，提升工作效能[1]。各油田對完整性管理效益評估已有了一定探索但未能實現工作常態化，亟待從股份公司層面進行規范指引。

管道完整性管理在股份公司統籌下，16 家油氣田具體落實各項工作，每年資金投入巨大，需要從效益上說明其合理性。目前，由于效益評估模型缺失，導致效益數據只能依靠統計上報，缺乏了科學性；完整性成效只從失效率降低的風險層面進行說明，失去了市場生命力。效能評價、審核、年度總結等常態化工作缺乏相應的評估工具，阻礙了工作開展。效益評估標準對完整性管理將起到融會貫通的作用，從經濟上打通各環節聯系。

1 效益評估現狀

1.1 國內現狀

目前國內各油田企業的完整性管理工作雖廣泛且深入，但普遍缺乏科學有效的效益評估方法從經濟角度評判成效，這很大程度上制約了其后續發展。因此，制定效益評估方法標準，促使國內油氣田領域達成統一的經濟考核指標刻不容緩。現階段，國內國際油氣田領域管道完整性效益計算尚未形成以失效費用節支作為充分必要條件，以維護改造費用下降、管道使用壽命延長為輔助依據，貨幣化考核完整性管理工作機制的效益評估方法。

在國家標準方面，圍繞完整性管理領域核心標準GB 32167—2015 進行了相關10 項標準的布置，主要強調完整性管理技術應用而非效益[2]。在企業標準方面，目前中國石油天然氣集團有限公司企業標準Q/SY 01039第6部分《效能評價與審核》僅考慮了管道更新維護改造費用，不是完整性管理效益計算方法的標準。國內類似的標準有：《油田/氣田開發方案及調整方案效益計算技術要求》、《油(氣)田開發建設項目效益計算》、《海上油（氣）天開發項目效益計算方法》和《石油企業節能技措項目效益評估方法》[3-4]。這些標準普遍采用了財務凈現值（FNPV）的計算方法對項目投資進行經濟測算，用財務內部收益率（FIRR）的計算方法對期待收益率進行評價，同時各標準規定了本框架下所允許的極值。

1.2 國外現狀

在國際標準方面，API 1160《有害液體管道系統完整性管理》和ASME B31.8《氣體管道系統完整性管理》均未對管道效益評估提出要求，僅在ISO 19345-1《陸上管道全生命周期完整性管理》中提到了管道完整性管理的經濟可行性評價[5-6]，包括經濟性比對(換管和管道延壽的比對、低輸送狀態的不同輸送方法的比對)、最小年度平均費用法（僅從運行成本上進行考慮，適用于上游資源充足下游需求穩定的情況）、成本-收益法（僅包含管道運行收益和費用，適用于經濟模型不穩定的情況），但也不是效益評估標準。從應用情況來分析，美國交通運輸部PHMSA 在管道失效發生后對事故、事件的定級和停輸造成的經濟直接、間接損失上有具體的指導算法。

與管道完整性管理類似的是金融保險行業，同樣需要量化風險，其將風險貨幣化的過程對完整性管理效益評估有借鑒意義。國外工程保險厘定，會根據項目的危險程度、保險期、損失概率和責任劃分來厘定費率，是一種風險對沖的服務，一般是通過行業協會或者精算在考慮了承保的接受能力后，基于大數據分析制定出風險對沖費率[7]。

總的來說，國際上完整性管理相關標準規范完全沒有涉及開展管道完整性管理后的效益評估，僅美國管道運營商監管單位根據事故經濟損失進行了測算定級；而國內GB 32167—2015 和Q/SY 01039這兩個標準和國際標準保持了高度一致，同樣尚無可參考執行項，也尚無企業標準頒布實施[8]。

2 理論與概念

2.1 頂層設計

效益評估在石油天然氣領域以節能技措項目經濟效益評價和開發建設項目投資預評價為代表為完整性管理樹立了理論對照模板，同為風險量化的金融保險行業在效益評估的數學模型建立上也積累了大量經驗和理論依據。實現管道完整性管理效益評估的過程也是充實完整性管理內涵的過程，需要充分借鑒相近行業同類型業務的運作模式，遵循管理規范，融合本領域的實際操作方法。效益評估的實施會使股份公司和油田企業新增量化管道完整性管理經濟效益的能力、整合提升管道完整性管理資源配置的能力和從效益角度支持管理層決策部署的能力。

油氣管道完整性管理效益評估方法對原完整性管理投入和產出提出貨幣化要求。通過該評估方法，可以明確各油田企業核算完整性管理經濟效益的口徑和依據，從經濟層面指引完整性管理工作，支撐完整性管理投資預算決策，從提質增效角度考察完整性管理。隨著完整性管理的不斷深入和拓展，全生命周期的完整性管理更需要管理者從投資開始考慮，從項目建設期入手，將現有的單一成本費用構成打破，回答投資收益的問題，而這離不開運行期管道失效大數據的收集和風險對沖模型的建立。而在運行期，對管道類型和風險等級的劃分是關鍵，依據完整性管理規定在股份公司層面對失效數據進行處理，油田公司負責本地區所轄管道的失效率和失效損失的平臺錄入工作。量化完整性管理工作風險控制價值，將經濟學思想納入完整性管理體系，將促使原有的純成本開支業務更好與企業經營融合。

2.2 效益評估的適用范圍

本研究中的效益評估規范化了整體評估方法、實施步驟、數據收集方法、效益指標和其計算方法，適用于國內陸上油氣田管道完整性管理效益評估。對于氣田管道而言[9-10]，覆蓋范圍如圖1所示；對于油田管道而言，按照集油系統的布站級數考慮，管道范圍如圖2所示。

圖1 氣田管道覆蓋范圍

圖2 油田管道覆蓋范圍

2.3 效益評估概念與定義

廣義上的效益包括了某主體得到的直接效益和主體引起的間接效益或者主體對國民經濟的貢獻，計算方法涵蓋了間接效益、間接費用、直接效益和直接費用[11]。就完整性管理的特點而言其中的效益是指完整性管理本身對國民經濟所作的貢獻，主要考慮直接費用（完整性管理活動使用和投入所形成，在具體項目范圍內計算的費用）和間接效益（完整性管理活動為社會做出了貢獻，而本身并未得到的那部分效益）。具體而言，在完整性管理中，如果工作成果大于消耗，效益為正；如果工作成果小于消耗，效益為負；效益為零的情況幾乎不存在。從不同高度考察效益，從股份公司層面、從油田公司級層面、從廠處級層面、從單個項目層面或者從單條管道層面都會得出不同的盈虧結論。廣義上的效益出發一般分為經濟效益、環境效益和社會效益三個大方面[12]，完整性管理目前需從經濟效益入手夯實基礎，后續優化納入社會效益和環境效益。從統計計算角度看，完整性管理經濟效益是指有和無相比較所增加的財富或減少的損失。按照經濟學原理，通常從3 個方面估算：①損失減免，用避免損失評估效益；②費用節支，用減免替代措施節省評估效益；③增加的收益，從給社會帶來的經濟增量計算。

經濟層面完整性管理成果不涉及收益的增加，而是風險有效管控后的損失減免以及技術提升后的費用節支。為了滿足股份公司和油田公司的評估需求，本研究在管道完整性管理效益評估的框架之下，對以下6 項中的1～2 項注入了數據需求，3～6 項賦予了全新理念。

（1）管道完整性管理費用節支，即搶維修費用節支、環境處置費用節支、泄露損失費用節支、生產延誤費用節支、特殊賠償費用節支和其他費用節支。

（2）累計投資和成本，是管道完整性管理實施以來的費用總投入。成本費用包括人員費、管理費、檢測評價費、維修維護費、完整性管理技術研發費和其他費用。

（3）完整性管理資金強度，即計算單位管道長度每年投入的完整性費用（說明完整性投入的周期性資金大小）。

（4）單位失效率下降完整性管理資金強度，即失效率在達到穩定狀態前，相較于上年度每下降1%所花費的資金量（宜用以從資金角度劃分完整性管理前中后期；同一失效率水平下的資金使用效率；同一失效率水平下結合間接效益后的，完整性管理資金合理性，現有技術和管理下資金投入的邊際效應）。

（5）效益平衡失效率，即完整性管理效益為零時的失效率（該失效率越低說明完整性管理的資金效能越高）。

（6）單位管道效益，即均攤到單位長度的評估對象所轄管道完整性管理效益值。

2.4 總體實施方法

效益評估以宏觀定量分析為主，微觀層面應統計日常單條管道失效費用和管理單元費用支出。本文研究的方法是基于完整性管理管道失效風險削減的間接經濟效益統計分析，對于單條管道完整性管理，數據采集是核心，微觀上由基層直接上報數據，宏觀上采用平均值的方法。計算模型方面，由于管理規定趨于涵蓋管道完整性管理功能的全生命周期，所以應采用動態評估的方法，局部底層宜采用靜態評估的方式。本研究的效益評估總體上遵照以下規則：

（1）以間接經濟效益為主，進行“有無對比”，分析有無完整性管理時的效益差異；

（2）采用平均值取代個體差異，進行分類全局計算；

（3）以價值量分析為主，兼顧實物量指標折現；

（4）以節支增量分析為主，兼顧資產壽命延長；

（5）以完整性管理財務分析和失效統計上報為主，暫不考慮社會效益；

（6）以動態分析為主，靜態分析由廠（站、隊）組織實施的小規模完整性管理；

（7）費用（成本、投資）與效益計算方法一致。

3 數學模型構建

3.1 數據規范與采集

完整性管理效益評估的基礎數據收集主要包含間接效益、失效率統計和完整性管理財務數據，其中間接效益和失效率需在完整性管理日常工作中進行收集，效益評估時調用；失效率統計用于計算完整性管理前后失效減緩差異，給定分類分區域管道完整性管理開展前隨時間失效分布。油氣集輸管道完整性管理項目產出是基于油氣集輸管道失效損失節約的成本，不是實際發生的直接收入，稅金可忽略不計。完整性管理建設期，費用投入（投資）按照全生命周期業務拓展實際情況和管理規定統計。完整性管理運行期，費用投入（成本）按照本文2.3章節中內容統計。本研究中數據收集依托“管道失效管理平臺”，平臺參照表見表1，同時結合風險管理標定和按照分類管理標定雙維度，進一步細化油田管道劃分，使得管道的風險對沖費率更加精準，劃分方式如下：

表1 油氣田管道失效率和失效費率數據上報平臺參照表

（1）按照管道風險管理規定將失效概率劃分為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%五個等級；

（2）按照管道風險管理規定將失效后果劃分為低、中、高3個等級；

（3）按照股份公司油氣田集輸管道管理規定分為I、II、III類管道；

（4）按照介質類型分為油、氣、水；

（5）按照管道本體材料分為金屬和非金屬管道；

（6）按地區分為西北地區、西南地區、東北地區、華北地區、陜甘蒙地區和海南自貿區；

（7）依據管道日常失效管理統計數據和分類分區原則，輸出管道生命周期內失效率模型。

3.2 模型搭建

3.2.1 宏觀架構

設X1，X2，…，Xn是由相互獨立的隨機變量所構成的序列，每一隨機變量都有有限方差，并且方差都有最大值，即D(X1)≤C,D(X2)≤C, …,D(Xn)≤C[13]。

則對于任意的ε> 0

大數法則的結論運用在本研究中說明，當各類型管道失效樣本數量足夠大時，管道實際失效的費率與風險評估出的費率期望值相等，且其波動趨于平緩。同時也表明在宏觀統計層面，可根據失效率和失效費率計算得出對應的風險對沖費用。而該費用的下降減去各項成本就等于完整性管理的效益，下式計算的是完整性管理開展以來取得的累積效益，各年度計算或其他需求可參考

式中：E——完整性開展以來的總效益；

Mn——完整性管理開展第n年風險對沖費用；

M0——完整性管理原始年份風險對沖費用；

C——各年成本總和。

3.2.2 微觀組成

在管道完整性管理效益評估中，宏觀的評估分析是日常積累的單條管道微觀失效數據累積而成的。微觀層面，單條管道的效益評估模型設計是本研究的核心。規模間接效益和失效率、管道規模、單次失效費率強相關。本質上是單條管道失效時按照標定項目（引入管道類型、時間、地區等多維度數據標記單條管道失效，按照表1沿時間軸大數統計失效率分部情況）統計，根據管道所標記的屬性和權重份額更新該類型管道的年度失效率和對應的失效費率，效益評估時調用失效管理平臺數據庫進行計算即可。需要注意的是，維度屬性過多可能導致無法收斂，需要按實際情況減小維度，例如減小到：地區和管道類型兩個維度。按年度比較管道歷史失效率，發現失效率下降，再結合該類型管道失效費率得出該年度該條管道完整性管理絕對效益，管道完整性管理單條管道動態效益評估模型如圖3所示。依照股份公司完整性管理前移要求，本次研究包含完整性管理功能建成前期，功能建成后，可收集數據用于前期投資對比，就可以按照傳統投資項目經濟評價方法對單條管道建設進行評估。而在完整性管理實踐中，功能實際終止期可能和功能設計終止期不同，推遲按照功能實際終止年份計算管道延壽效益，提前則按照功能實際終止年份根據屬性和權重份額更新數據庫。

圖3 管道完整性管理單條管道動態效益評估模型示意圖

3.2.3 具體指標計算

（1）管道失效控制率

管道失效控制率是指管道按照材質、介質、地區、類別和風險等級5種屬性進行標定劃分后統計出的實際失效率和原始失效率之差（根據屬性組合收斂程度，選定統計屬性）。其計算公式為

式中：Si,j,k,m,n,f——某類型管道第n年失效率控制值；

Yi,j,k,m,n,f——某類型管道第n年基礎失效率；

Xi,j,k,m,n,f——某類型管道第n年實際失效率。

（2）管道單次失效費率

管道單次失效費率是完整性管理過程中對管道失效產生費用的統計加成平均。其計算公式為

式中：Gi,j,k,m,f——管道單次平均失效費率；

qi,j,k,m,f——管道單次平均搶維修費用；

hi,j,k,m,f——管道單次平均環境處置費用；

xi,j,k,m,f——管道單次平均泄露損失費用；

si,j,k,m,f——管道單次平均生產延誤費用；

ti,j,k,m,f——管道單次平均特殊賠償費用；

li,j,k,m,f——管道單次平均其它費用。

（3）管道年度間接效益

管道年度間接效益由管道規模、失效控制率和單次失效費率乘積得出，各類型統計數據用以支撐分類分區間接效益的計算。其計算公式為

式中：Pi,j,k,m,n,f——管道年度間接效益；

Li,j,k,m,n,f——管道總長度。

（4）延壽年度間接效益

管道延壽年度間接效益由管道延壽、該管道建設費用、設計壽命計算得出。其計算公式為

式中：Exi,j,k,m,n,f——管道延壽年度間接效益；

Cxi,j,k,m,n,f——管道建設完整性管理總投資；

dn——管道設計年限。

（5）年度總間接效益

年度總間接效益是對所有類型管道產生的年度間接效益累加求和，需注意的是當下管道壽命不盡相同，故需用n表示，這也是動態評估的一大優勢。其計算公式為

式中：Ptoti——管道完整性管理年度總間接效益。

（6）年度總成本

管道完整性管理年度總成本公式為

式中：C——管道完整性管理年度總成本；

r——年度完整性管理人員費；

u——年度完整性管理管理費；

b——年度完整性管理檢測評價費；

a——年度完整性管理維修維護費；

d——年度完整性管理完整性技術研發費；

c——年度完整性管理的其他費用。

（7）年度效益

管道完整性管理年度總效益公式為

式中：Ptot——管道完整性管理年度總效益。

（8）資金強度

完整性管理資金強度是用以衡量單位管道長度所對應的完整性管理成本費用，按照統計口徑進行評估，如果成本統計沒有考慮管道類型則不必細分。其公式為

式中：ρ——管道完整性管理資金強度；

L——管道總里程。

（9）失效率控制資金強度

失效率控制資金強度是指失效率每下降1%所對應的管道完整性管理資金投入量。失效率控制資金強度公式為

式中：ρsn——特定年度失效率控制資金強度，失效率相較于上年度每下降1%所需資金投入；

Cn——特定年度管道完整性總成本；

Sn——特定年度管道失效率；

Sn-1——上年度管道失效率。

需要注意的是，當Sn-1

（10）單位管道效益

單位管道效益公式為

式中：Pu——單位管道均攤的完整性管理效益。

（11）效益平衡失效率

計算效益平衡失效率可以在對標時得出完整性管理投入資金與失效率的轉化效率高低。完整性管理效益為零時的原始失效率，該失效率越低說明完整性管理的資金效能越高。

式中：Bi,j,k,m,n,f——某類型管道失效率控制值；

Xi,j,k,m,n,f——某類型管道實際失效率。

（12）投入產出比

油氣集輸管道完整性管理項目投入產出比指油氣集輸管道完整性管理產出與投入的比值，用來判斷項目經濟效益，當投入產出比大于1 時，說明項目可行。投入產出比計算公式為

油氣集輸管道是油氣田開發項目的一部分，在新建油氣田開發項目經濟評價中，考慮油氣集輸管道完整性管理費用，對油氣開發項目進行整體效益評價，并進行油氣集輸管道完整性管理投入效益分析。管道完整性管理運行后，選定管道完整性管理項目，按照公式（14）之前內容計算年度效益作為收入，年度完整性管理支出作為成本，對投資進行評估分析。

（13）總投資（Ip）

總投資等于完整性管理建設性投資（機構、平臺、管道和設施等）和建設投資利息之和，即

（14）總投資收益率（ROI）

總投資收益率等于管道完整性管理綜合效益與總投資的比率，即

（15）投資回收期（Pt）

投資回收期指項目的凈收益抵償全部投資所需要的時間[14]，即

（16）內部收益率（IRR）

管道完整性管理評價期內，能夠使其基于初始年的凈現值等于零的折現率[15]，其表達式為

（17）凈現值（NPV）

管道完整性管理各年資金流量已經發生，故NPV是按預定的折現率折現到評估當年（第z年）年末的現有價值和之前實際發生凈費用之和，即

4 執行流程

根據年度完整性審核、效能評價具體需求，依據效益評估對象選取適用的數據范圍。選定范圍后，按照評估流程，如圖4所示，效應評估主要步驟包含：①提取完整性管理財務數據；②對完整性管理帶來的間接效益進行分析統計；③根據業務需求選取效益評估指標進行計算[13]。基于此，建議管道完整性管理單位做好以下4點：

圖4 效益評估執行流程

（1）完整性管理財務分析→運行期劃分完整性成本、建設期劃分完整性投資。

（2）完整性管理產出分析→間接經濟效益計算：失效減緩效益（節支）和資產延壽效益（增收）。

（3）選取評估指標→對于完整性管理功能還未建成的應按照投資來進行評估；對于完整性管理功能建成投用的計算已投用年份效益，預估設計期限效益。

（4）效益評估指標→按照具體管理需求選取評估指標：計算資金強度、單位管道效益、年度總效益、單位失效率控制成本、內部收益率、投資凈現值、投資回收期等，固定資產平均年成本、年成本節約額等。

5 油田應用

管道失效管理平臺對于失效費率和失效率關于管道屬性的數據采集功能尚未建立，油田根據自身情況展開了效益評估工作，以下闡述兩種典型的油田現場應用以及其應用結果。

第一種適應現場的應用模式：油田針對實際情況結合本研究采用了基于失效率的靜態效益評估模式，以油田級平均值作為計算依據。該模式是基于歷史數據的有無對比分析，沒有引入資金的時間成本，無法預估潛在的效益，且新建管道對失效率數據的沖擊較大。第二種適應現場的應用模式：油田針對實際情況結合本研究采用基于維修維護的靜態效益評估模式，以實際統計的維修維護工作量為基礎，結合單點的平均泄漏損失費用，評估節約費用，該模式默認檢驗檢測缺陷如不經修復立即失效，未定義缺陷的擴展時間，造成評估不準確，且檢驗檢測與維修維護不能說明完整性管理的全部內容。兩種模式相較于本研究提出的方法，改進方向是以結果為導向，待平臺數據完善后調整為動態分析，細化失效統計口徑。

根據現有數據條件，油田應用的結果如圖5所示，分析現場數據并對比本研究提出的效益評估方法，普遍存在以下共性問題：

圖5 2021年度油田公司級管道完整性效益評估實際應用

（1）新建管道是主要的誤差來源，新建管道失效率低，失效控制率對新建管道施加，抬高了效益數據；

（2）管道檢驗檢測缺陷失效缺失時變性（默認缺陷立即失效），引入缺陷發展可以避免誤差，但實際操作難度大，最根本的解決方法是從風險控制的結果（失效下降）入手；

（3）以檢驗檢測為核心開展的完整性管理效益評估缺乏融入完整性其他工作，未能體現綜合管理效益；

（4）完整性管理措施和成效存在一定延遲，投入往往不能在第二年產生效益。由于此，未能引入時間概念的年度效益評估較易疊加既往效益，如圖5所示，2021年前C 油田完整性管理年度效益評估出現虧損，完整性管理收益在2021年集中體現。

6 結論與建議

（1）目前各油氣田企業對管道完整性管理已得到了深入發展，完整性管理者的目光開始聚焦提質增效，從經濟層面賦予完整性管理新內涵。

（2）風險管控是完整性管理的核心，任何形式的效益評估應以此為導向，從問題解決的根本源頭對完整性管理效果進行評估。

（3）管道完整性管理效益評估工作尚處于起步階段，配套的標準亟待新立，配套功能軟件有待上線運行，完整性管理主管單位可依據簡版的效益評估方法執行。

（4）開展完整性管理前的管道原始失效率統計由于歷史上缺乏數據收集方式沒有開展，要以整體失效率下降進行數據挖掘。

（5）效益評估作為完整性管理深化的一種，目前在廣大基層乃至機關單位還未形成有效認識，需要從標準層面指引。效益評估的基礎在現場基層，標準實施的準確度很大程度取決于概念普及。