新建管道最优投资成本预算模型研究

杨 超 刘延峰 彭锡文 鞠梓宸 王芫芫

1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心 山东东营 257000；

2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司设备管理部 山东东营 257000

目前长输管道工程设计一般采用基于缺陷评估、应变和全寿命三种设计方法。基于缺陷评估和应变的两种设计方法主要考虑了长输管道在建设和运行中的局部损伤（包括腐蚀、应力及局部穿孔等），即高后果区的识别和应对。而全寿命周期设计方法从能源和环境的角度，考虑了管道从生产、建造与运输、运行与维护直到报废与处理的全寿命过程，综合考虑了管道运行周期内的人文、生态、环境、技术、功能和经济效益等各个方面，更符合目前强调安全/ 经济学共存的要求[1]。Gido[2]将项目生命周期分为“识别需求、提出解决方案、执行项目、项目结束”四个阶段。相对于长输管道的建设来说，管道路由的设计、选材等方面属于识别需求和提出解决方案两个阶段，属于固定成本投资。需要投入力量（资金）最多的是执行项目阶段，主要包括前期的管道运输、敷设等一次性投资，以及后期的运行、检测、维修等持续性投资，其所需要投入的力量（资金）在整个项目中占绝对的比重。

对于我国长输管道建设来说，一次性投资主要包括管道、设备等购置费及相关的敷设、运送费等，而持续性的检测、维修维护费用会随着管道运行时间（在设计年限内）的增长而增大。因此，在满足设计要求的基础上，实现建设投资的最小化，获得最大的项目收益就显得尤为重要。因此，本研究以技术经济学中的总费用估算模型为基准，根据长输管道建设项目的特点，将总投资分为建设费用和运行费用两部分着重考虑，不考虑投资收益率等时间变量[3]，引入了管道长度和站间距两个变量，建立了适用于长输管道建设的总费用估算模型；并根据已有长输管道建设项目，提出了新建管道的最优站间距参数。管道工程的全寿命设计可分为3 个主要阶段：工程可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。对主要过程（包括使用寿命设计、环境生态设计、性能设计、施工过程控制设计、检测/ 监测与维护设计和成本分析等6 大过程）采用各种恰当的方法和措施进行设计，最终实现管道工程良好的全寿命周期质量的目标[4]。从全寿命周期设计长输管道的总费用来看[5]，主要可以分为前期设计费用、中期管道建设费用和后期运行管理费用，而前期的设计费用基本为一个固定值，因此本研究针对管道建设费用和运行管理费用进行了讨论[6]。

1 建设费用

长输管道建设过程（执行阶段）中的固定成本主要是在管道建设过程中发生的所有的一次性费用，包括设备费（管道及防腐层加工、阀室及设备、阴极保护、相关的实时监测设备费用等）、施工费（穿跨越、开挖/ 回填等）、运行调试费及人工费等。其费用支出占整个管道项目在全寿命周期内总费用的70%～80%。因此，针对长输管道路由设计，形成合理、经济的设计方案，估算其总费用支出就显得尤为重要。

一般来说，根据项目的生产规模，可通过式（1）对新建项目的初期总投资进行估算[7]。

式中：K1、K2——已知/ 新建项目的投资（估算）；

Q1、Q2——已知/ 新建工程的生产规模；

α——工程能力指数。

在长输管道的建设期投资方面，占主要支出的为管道和阀室/ 阴保站的建设费用。而在方程（1）中只针对管道的设计数量为变量，也就是管道建设费用为主要的研究对象，其中包含了由于设计数量不同而引起的管道材质、管径、壁厚及防腐层材质/ 等级等方面投资的差异，而未考虑站间距不同引起的阀室/ 阴保站及附属设施的费用。因此，在方程（1）的基础上，假设K1为一定设计输量Q1下的管道建设费用，那么对于设计数量为Q2的新建管道的估算费用可以通过方程（2）来描述。

式中：T2——新建长输管道系统的总费用；

K1——长度为L1 的已知管道建设费用；

L1、L2——已知/ 新建长输管道的干线长度；

l1、l2——已知/ 新建长输管道的平均站场/ 阀室间距；

α——工程能力指数，在长输管道建设方面，0.8～1.0；

E1——已知管道站场/ 阀室建设的总费用。

2 运行费用

当然，管道的建设不能仅仅只从建设投资成本的角度来考虑，还要从管道运行过程中的安全性及经济损失的考虑。当长输管道达到使用年限后，根据相关检测标准进行判废审定，一般为最小剩余壁厚、危险截面和残余强度三步评价方法。事实上，在管道报废之前，其每年的检测、维修维护费用逐年增加，并且管道失效概率也逐渐增大。因此，在对长输管道建设项目进行全寿命周期的费用预算时，应考虑其单价费用随时间的变化问题[8]。

管道在运行过程中的经济损失可以设为失效概率和失效后果的函数[9]，其检测维修费用是运行时间的函数。那么在管道的设计周期内，其管道运行产生的费用可由公式（4）和（5）求得。

式中：R1——管道失效造成的经济损失，包管道停输的机会成本、人员伤亡费、维修等由于管道失效造成的所有费用；

R2——管道的检测维修费；

n——管道的运行时间；

N——管道的全寿命周期；pi——管道的失效概率，假设在管道设计使用寿命N 终止时一定报废，并且其失效概率与运行时间n成正比，即pi=n/ N；

C1——单位长度管道失效造成的经济损失；

qi——管道检测与维修费用系数，qi=1+n/ N；

C2——单位长度管道运行第一年的检测费用；

l——站间距，假设两站场之间的管道失效不影响其他管段和站场；

L——管道长度。管道失效的原因主要包括外腐蚀、第三方破坏、误操作及设计因素四个方面。其中外腐蚀失效的原因包括杂散电流、防腐层失效等，主要由环境因素引起的，在本研究中体现在维修/ 维护费用上；第三方破坏引起的管道失效与运行时间无关，主要与管道周围的人口密集程度有关；误操作（检测/ 维修）及设计因素造成的管道失效在相关的案例中较少，因此在本研究中不作考虑。从上述分析可以发现，在本研究建立的模型中，引起管道失效的主要因素为第三方破坏，其失效概率可根据相关的国内外统计数据库来确定。事实上，管道失效概率的确定应针对管道不同的特征参数（外腐蚀参数、人口密集度等）划分成具有明显区别的风险评价单元来分段评价[10]，可以理解为整条管道失效的平均概念，从而对管道的运行维护费用来进行估算。

站场的运行费用主要与日常检测与维修维护有关，见式（6）。

式中：R3——站场的检测维修费用；

C3——单个站场的检测维修费用。

因此，管道系统的运行费用可以表达为方程（7）。

3 总投资

全寿命周期设计长输管道的总投资主要可以分为前期的设计费用、中期的管道建设费用和后期的运行管理费用，如公式（8）所示。

式中：I——全寿命周期设计长输管道的总费用，分为前期的设计费用、中期的管道建设费用和后期的运行管理费用；

C——前期的设计费用，为固定值；

j——价差系数，即报告期与基期价格的差异。

4 结论与建议

以技术经济学中的总费用预算模型为基础，参考已建管道的数量和总费用，引入管道长度和站间距两个变量，针对长输管道建设中前期的一次性投资和后期维修维护费用估算问题进行了探讨，并确定了费用最小（经济）条件下的最优站间距。

（1）对于建设期的一次投资问题，提出了站场建设与站间距之间的费用换算系数；根据设计输量与已建管道输量的关系，确定了建设费用最经济时的最优站间距。

（2）对于运行期的维修维护及投资问题，引入管道失效概率和失效成本，提出管道的失效概率与管道运行年限成正比，检测和维修费用与运行年限成正相关。综合考虑管道失效费用、检测维修费用及站场维修维护费用，提出了运行期费用最经济时的站间距。

（3）最优站间距的选择不仅仅是考虑管道建设的总费用问题，还应按照现场实际的路由、地形、建设站场的难易程度来进行选择，并且全线站场的建设费用一般取最大值，在本研究中仅从理论上提出了最优站间距的选择方式。