★機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所帥冰

★國家管網集團科學技術研究總院分公司陳朋超

★機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所劉瑤

★國家管網集團科學技術研究總院分公司李秋娟

★機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所施隋靖

★國家管網集團科學技術研究總院分公司刁宇

油氣管道是能源供給體系的重要組成部分，其安全高效運行事關國家能源供應安全。管道也是五大運輸方式與九大基礎設施網絡的重要組成部分，中國陸上85％原油與99％天然氣依靠管道輸送[1]。目前我國管道總里程達18萬公里，初步形成橫跨東西、縱貫南北、覆蓋全國、連通海外的油氣骨干管網。我國油氣管網是世界上跨越緯度最多的管網之一，管道沿線人口密度最大，自然地理及社會環境復雜多變，管網安全高效運行面臨重重挑戰。隨著大口徑高壓力管道的規模應用和社會對環境保護的日益重視，控制管道泄漏事故發生頻率和后果影響范圍的要求日益嚴苛。針對油氣泄漏和潛在火災爆炸等危險事件，盡早發現，及時報警，可減少管道事故對環境的影響，降低損失。

管網安全高效運行依賴全方位狀態精準感知，傳感器及傳感系統是關鍵抓手。亟需開展油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系的研究，以期明確管網傳感器基于復雜應用場景的具體指標，確保感知有效精確，實現油氣管網安全高效運行。

1　運行安全感知技術的應用

目前，各行業各場景借助安全感知技術實現運行監測和風險管控：在電力、石油等能源行業用于感知各項運行參數，在機場、地鐵等關鍵基礎設施用于感知監測異常人員或物品，在智慧城市與公共安全、智能交通等場景用于實現人群監控及災害預警。在感知技術應用過程中，傳感器為最核心要素之一，也是感知技術應用的第一棒。傳感器的性能及可靠性等會對各裝置和場站的安全平穩運行起到關鍵作用，將直接影響生產管控水平。

2　油氣管網的復雜應用場景

油氣管網遍布全國各地，涵蓋了很多復雜應用場景，其中中緬油氣管道與中俄原油管道又是極具特色的兩大核心管線。

中緬油氣管道是繼中亞油氣管道、中俄原油管道、海上通道之后的第四大能源進口通道。它包括原油管道和天然氣管道，可以使原油運輸不經過馬六甲海峽，從西南地區輸送到中國。

中俄原油管道起自俄羅斯遠東管道斯科沃羅季諾分輸站，經俄邊境加林達計量站穿越黑龍江，途經我國黑龍江省和內蒙古自治區的12個縣市，止于我國大慶末站。管道全長1030公里，設計年輸量1500萬噸。作為我國重要的能源戰略通道，這條管線的建設對保證國家能源安全具有重要作用。

中緬管道的典型應用場景特點：（1）沿線地形起伏劇烈，70％以上為V字形落差，且落差超過1000m的管段達到10處，管道運行水力參數變化大；（2）管道穿、跨越多，大中型河流穿越11處、山體隧道12處，管道本體安全風險大；（3）地震活動頻繁，穿越地震活動斷裂帶3處，地質災害風險高；（4）周邊環境敏感，國際河流多，安全環保任務重。

中俄管道的典型應用場景特點：（1）中俄油氣管道冬季最低溫度可達-50℃，地質環境復雜，通過季節性不穩定凍土區，這些地區的地貌冬季為凍土，夏季變沼澤，極易產生差異性凍脹、融沉、熱融滑塌等凍土災害；（2）水系、沼澤、濕地和丘陵間隔分布，穿越大型河流11條。常年凍土層的地下環境和寒冷氣候增大了管道陰保和外部防腐保溫層失效的風險；（3）極端低溫及季節性變化誘發的凍脹融沉地質災害會造成管道拱起或下沉，基線位移增加造成附加應力，導致管道彎曲斷裂失效。

3　油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系

3.1　指標體系的構建

為保障安全生產及應用需求，需構建油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系，意義在于為選型提供依據，確保傳感器匹配實際應用場景；為精度保障提供支撐：確保工作范圍符合要求，同時明確安全邊界，避免意外情況下的設備故障。

油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系應包括傳感器性能指標（含靜態性能指標、動態性能指標、環境適應性指標等）和可信性指標。通過可信性基礎方法的研究，明確建立可信性指標體系應包括的要素，即可靠性指標、可維護性指標、安全性指標。性能指標又可依據指標與應用環境關聯關系劃分為運行相關的性能指標（簡稱為“運行性能指標”）與環境相關的性能指標（簡稱為“環境性能指標”），其中運行性能指標指與工藝運行要求相強關的指標，如：頻率響應范圍、測量范圍；環境性能指標指與應用環境緊密相關的指標，如適用溫度范圍、適用濕度范圍、防爆等級等。

綜上，本研究建立的油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系的架構如圖1所示。

圖1 油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系架構

傳感器的性能指標如量程、響應時間、適應溫度范圍等可通過如資料查閱、現場調研多種方式獲取并進行匹配，構建滿足油氣管網傳感器及系統安全高效運行的狀態感知指標體系中的性能指標子體系。

可信性指標（可靠性、可維護性及安全性）與應用場景緊密相關。用于狀態感知的傳感器及系統在不同應用場景下的可信性指標水平通常是有區別的，因為不同應用場景的風險水平通常是不一樣的，例如應用于危險事件后果嚴重性較高場景的傳感器的可信性指標水平通常也高于后果嚴重性較低的風險場景。當前并無成熟的技術方法、算法可以借鑒，我們研究發現，可通過建立風險影響要素與可信性指標的關聯關系，基于不同場景的風險分析和計算對傳感器提出不同的可信性指標要求。

本研究結合風險分析技術基礎，針對復雜應力條件和復雜工況，建立場景化復合風險評價模型，研究誤操作、設備故障、外部攻擊、環境威脅與管網復雜場景下傳感器及系統運行狀態之間的關聯關系，建立復合風險因果事件鏈，提出不同類型傳感器在不同運行場景下的降險能力要求，并基于集團或公司的資產完整性管理制度要求，從而計算或提出傳感器及系統的安全性、可靠性及維修性指標要求，最終構建滿足油氣管網傳感器及系統安全高效運行的狀態感知指標體系中的可信性指標子體系。該體系整體技術路線圖如圖2所示。

圖2 油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系技術路線圖

3.2　感知指標體系表征參數

應使用具體的參數來表征體系中的各項指標：其中感知指標體系中的性能指標表征參數一般為：與應用具體工藝結合的性能指標，如精度、分辨率、量程、響應時間等；與應用環境結合的性能指標，如環境適應性指標（溫度、濕度）、防護等級、功耗與供電方式等。

感知指標體系中的可信性指標體系表征數據分別為：可靠性使用要求的平均危險失效概率（PFD）來表征，會綜合考慮傳感器及系統的不可檢測的危險失效率（λDU）、檢驗測試間隔（Ti）、冗余架構的共因失效因子（β）等；可維護性指標由平均恢復時間（MTTR）來表征，傳感器及系統的MTTR與備品備件和維檢修相關管理息息相關；安全性指標僅對承擔安全相關功能的傳感器及系統適用，使用安全完整性等級（SIL）來表征。

3.3　指標體系參數的分析與計算方法

（1）性能指標參數

傳感器性能指標各項參數通過結合工藝設計、應用場景來確定，可根據工藝運行的壓力、溫度運行范圍來確定傳感器及系統的量程，根據應用場合的溫度范圍、安裝位置等環境影響條件來確定傳感器及系統的適應性溫度指標及防護等級等各項特殊性能參數。

（2）可信性指標參數

可信性指標參數需結合復合風險評價方法分析計算確定。復合風險評價采用定性的危險與風險（HAZOP）分析與半定量的保護層分析（LOPA）方法相結合的方式，借助風險點-風險容忍標準計算得出各類傳感器及系統的可信性指標，其總體技術路線如圖3所示。復合風險評價以復合保護層分析方法為基礎，其風險矢量示意圖如圖4所示。

圖3基于傳感器應用場景開展復合風險評價得到可信性指標技術路線圖

圖4復合風險評價示意矢量圖

根據傳感器及系統在風險場景保護措施中所能發揮的作用將其劃分為：控制功能、報警功能和聯鎖功能。控制功能和報警功能適用的可信性指標包括可靠性和可維護性；聯鎖功能適用的可信性指標一般包括可靠性、可維護性。當聯鎖功能為安全相關功能時可信性指標還應包括安全性。

感知指標中的性能指標可通過結合現場應用調研獲得，可信性指標需通過分析計算獲得。本文就可信性指標的分析過程給出應用示例。

4　可信性指標分析方法的應用

本研究以中緬管道某原油儲罐上設置的液位高聯鎖保護功能中傳感子單元液位開關為對象，開展指標參數的分析。

儲罐液位高風險點的后果是嚴重時浮盤傾覆，滿罐溢流，油品泄漏至環境中，遇到點火源可能導致火災爆炸，引起人員傷亡、環境污染及經濟損失。

根據儲罐的容量、介質量、爆炸的范圍、周邊人員出現的個數等，結合管網風險矩陣確定人員、財產和聲譽影響程度為：

人員傷亡程度：4級，可接受頻率為≤1×10-6次/年；

財產損失程度：5級，可接受頻率為≤1×10-5次/年；

聲譽影響程度：5級，可接受頻率為≤1×10-5次/年。

當前站場儲罐運行模式為旁接模式，即一邊收油的同時一邊發油，儲罐內液位主要受到收油流量與發油流量差值的影響，經分析觸發本風險點的初始事件有：

（1）上游突然提量，未及時通知本站，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年；

（2）罐前電動閥誤關斷或異常截斷，本罐無法繼續發油，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年；

（3）給油泵入口過濾器堵塞，發油流量下降，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年；

（4）給油泵故障停，發油流量下降，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年；

（5）外輸油泵故障停，發油流量下降，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年；

（6）下游異常截斷，發油流量下降，收油流量與發油流量差值增大；發生頻率為0.1次/年。

適用于初始事件（2）至（6）的使能條件為：長時間累積，給予修正值為0.1。

對本風險點有效的保護措施有：

（1）液位計LIT-1高報警，人員遠程控制收油操作，該措施要求時危險失效概率賦值為0.1；

（2）液位開關LSHH-2高高聯鎖關閉入口管線電動切斷閥（為待分析液位開關）；

（3）設置罐頂火焰探測器和罐底可燃氣體探測器，并設置有聯鎖，該措施要求時危險失效概率賦值為0.1。

條件修正：

（1）點火概率：綜合考慮介質、環境及管理，賦值為0.3；

（2）人員暴露概率：綜合考慮人員個數、停留時間及人員崗位等，賦值為0.1；

（3）致死概率：考慮火災的熱輻射范圍和爆炸沖擊波的能量對人員造成的傷害，賦值為1。

根據以上分析內容可以繪制出管網某場站原油儲罐液位高風險點的矢量圖，如圖5所示。

說明：僅為表達風險發展鏈路，具體文字表述有所簡化。

圖5原油儲罐液位高風險點復合風險評價矢量圖

基于以上信息，計算該風險點最嚴重后果的發生頻率為：

人員傷亡如式（1）所示：

財產損失如式（2）所示：

聲譽影響如式（3）所示：

將實際風險水平與風險控制目標對比可知：人員傷亡后果發生頻率4.8×10-5>1×10-6，財產損失發生頻率4.8×10-4>1×10-5，聲譽影響發生頻率4.8×10-5>1×10-5，因此距離風險控制目標還需要完成的風險降低由保護措施：液位開關LSHH-2高高聯鎖關閉入口管線電動切斷閥來實現，計算可知為滿足風險可容忍標準，其應滿足PFD≤0.0208。

根據相關統計和HG/T22820，由傳感單元、邏輯單元和執行單元組成的功能，其失效概率PFD的貢獻分布基本上維持在傳感單元35%、邏輯單元10%和執行單元55%，且當前液位開關的檢驗測試周期為1年，傳感單元的表決為1oo1。基于上述假設及調研計算可信性指標子體系中的三個參數：

可靠性：液位高高聯鎖的液位開關應滿足PFD≤7.28×10^-3，液位開關的λ≤1.662×10-6/50%/50%=6.648×10-6，MTTF≥150412.09小時，也即17.17年。

可維護性：當前液位高高聯鎖使用的液位開關屬于關鍵設備，根據企業管理規定，其故障級別為重大故障，因此應滿足MTTR≤2小時，其修復率μ≥0.5。

安全性：由于液位開關承擔有安全功能，因此具有安全性指標，PFD≤7.28×10-3對應的安全性指標為SIL2。

5　結論

本文提出了一種包括可信性指標與性能指標的油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系架構，并結合具體應用場景給出了確定傳感器可信性指標的方法示例。下一步，需對照油氣管網傳感器譜系，確定管網不同應用場景下需用到的傳感器，根據本文方法確定各傳感器性能指標和可信性指標，最終構成油氣管網安全高效運行狀態感知指標體系，為管網構建基于應用場景的感知指標體系提供參考。

★基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2022YFB3207600）。

作者簡介：

帥　冰（1986-），女，江西人，高級工程師，碩士，現就職于機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所功能安全中心，長期從事功能安全相關技術研究工作，承擔多項功能安全相關國家課題研究與標準制定工作。

陳朋超（1975-），男，教授級高級工程師，學士，現就職于國家管網集團科學技術研究總院分公司，主要從事油氣管道安全高效與智能化技術研究及工程應用。

劉　瑤（1987-），女，江蘇泰興人，正高級工程師，現就職于機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，負責功能安全系統評估、自動化系統評估相關工作。

李秋娟（1980-），女，山東臨沭人，高級工程師，碩士，現就職于國家管網集團科學技術研究總院分公司，主要從事油氣管道人工智能技術、功能安全技術和成果推廣工作相關技術研究。

施隋靖（1992-），男，山西呂梁人，碩士，現就職于儀綜所功能安全中心，長期從事功能安全相關研究工作，參與多項功能安全相關國家標準制定工作。

刁　宇（1988-），男，高級工程師，碩士，現就職于國家管網集團科學技術研究總院分公司，主要從事油氣管道智能決策與控制、功能安全方向的研究工作。

參考文獻：

[1]陳朋超.油氣管網安全狀態監測傳感系統構建與創新發展[J].油氣儲運,2023,42(9):998-1008.

[2]GB/T21109.過程工業領域安全儀表系統的功能安全[S].

[3]GB/T32857.保護層分析(LOPA)應用指南[S].

[4]美國化工過程安全中心(CCPS).保護層分析:使能條件與修正因子導則[M].北京:化學工業出版社.2015

摘自《自動化博覽》2025年11月刊