基于多狀態(tài)的天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站功能可靠性評(píng)價(jià)方法

＊張宗杰 鞠峰 邱天 楊坤 劉季 王一廉

（中國(guó)石油西氣東輸管道公司 上海 200122）

基于多狀態(tài)的天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站功能可靠性評(píng)價(jià)方法

＊張宗杰 鞠峰 邱天 楊坤 劉季 王一廉

（中國(guó)石油西氣東輸管道公司 上海 200122）

確保分輸站功能可靠是保障天然氣長(zhǎng)輸管道正常供氣的基礎(chǔ)，目前尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站功能可靠性的定義與評(píng)價(jià)方法。目前針對(duì)油氣站場(chǎng)的可靠性方法一般基于“二態(tài)假設(shè)”，一定程度上與實(shí)際情況不符?；诖?，本文根據(jù)實(shí)際情況，定義了天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站的功能可靠性；應(yīng)用多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法，提出了分輸站的功能可靠性評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了其功能風(fēng)險(xiǎn)分析模型。

分輸站；功能可靠性；多狀態(tài)系統(tǒng)；風(fēng)險(xiǎn)分析

天然氣長(zhǎng)輸管道由管道、分輸站、壓氣站場(chǎng)等單元組成，每種單元在系統(tǒng)中承擔(dān)不同的任務(wù)，共同實(shí)現(xiàn)管道的供氣功能。分輸站是連接干線管道與下游用戶的樞紐，具有分離、計(jì)量、調(diào)壓等功能，其平穩(wěn)運(yùn)行是確保天然氣長(zhǎng)輸管道安全供氣的重要前提。然而，受運(yùn)行環(huán)境與人為因素影響，局部失效、性能退化、甚至站場(chǎng)失效等事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)西氣東輸管道的平穩(wěn)運(yùn)行造成負(fù)面影響。分輸站的運(yùn)行安全性與功能可靠性的重要意義正逐漸凸顯。

可靠性理論自20世紀(jì)50年代發(fā)源以來(lái)，得到了世界各地研究者的廣泛關(guān)注，并在眾多行業(yè)中被成功應(yīng)用。然而，隨著工程系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，傳統(tǒng)可靠性理論與方法的實(shí)用價(jià)值受到了質(zhì)疑。原因在于，具有先進(jìn)功能的機(jī)械設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施往往屬于復(fù)雜系統(tǒng)，這些復(fù)雜系統(tǒng)具有各自的物理過(guò)程和單元技術(shù)，且呈現(xiàn)出多狀態(tài)特征，這對(duì)傳統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法中的“二態(tài)假設(shè)”提出了挑戰(zhàn)。所謂二態(tài)假設(shè)即將系統(tǒng)或單元粗略地劃分為“正?！焙汀肮收稀眱煞N狀態(tài)，這種假設(shè)往往與實(shí)際情況不符。

本文建立了一個(gè)基于多狀態(tài)的分輸站運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)了天然氣長(zhǎng)輸管道中某分輸站的可靠性與安全性。該模型能夠根據(jù)實(shí)際情況，考慮分輸站系統(tǒng)的多狀態(tài)特性，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠更好地體現(xiàn)出評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)際工程意義。

1.研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)查閱大量國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)天然氣管道分輸站的可靠性評(píng)價(jià)方法。在相近領(lǐng)域，研究者對(duì)油氣管道站場(chǎng)及其相關(guān)配套設(shè)施的可靠性評(píng)價(jià)或風(fēng)險(xiǎn)分析開展了一些研究。為了滿足不同需求，研究者在進(jìn)行站場(chǎng)的可靠性評(píng)價(jià)或風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，采用定性與定量?jī)煞N方法。

定性分析的主要目的是分析站場(chǎng)失效的原因與后果之間的復(fù)雜關(guān)系。如楊培風(fēng)采用RCM方法，評(píng)估了西二線管道某天然氣站場(chǎng)的失效模式，并進(jìn)行了失效后果及其風(fēng)險(xiǎn)分析，得出了改站場(chǎng)中不同設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。蔣宏業(yè)等采用SHEL模型和Reason模型，建立了適用于壓氣站的SHELReason聯(lián)合模型，用于分析人為因素對(duì)壓氣站失效事件的影響。定性分析能夠比較清楚地反映失效因素、失效模式、失效后果間的邏輯關(guān)系，但是不能量化這種關(guān)系，也無(wú)法定量表征站場(chǎng)的可靠性水平。

目前，對(duì)油氣站場(chǎng)可靠性或風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)一般基于經(jīng)典可靠性理論中的“二態(tài)假設(shè)”。故障樹是一種常用的站場(chǎng)可靠性定量評(píng)價(jià)方法，在故障樹中，設(shè)備只有正常和故障兩種狀態(tài)。此外，其它方法中，“二態(tài)假設(shè)”被廣泛接受。例如，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)被應(yīng)用于輸氣站場(chǎng)的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其失效概率計(jì)算模塊的基礎(chǔ)就是“二態(tài)假設(shè)”。

但是，基于“二態(tài)假設(shè)”的傳統(tǒng)可靠性方法已不能滿足天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站的可靠性評(píng)價(jià)的需求。分輸站系統(tǒng)及其組成單元在壽命周期內(nèi)具有退化特性，其故障往往呈現(xiàn)多狀態(tài)特征，“二態(tài)假設(shè)”難以準(zhǔn)確描述這類系統(tǒng)故障規(guī)律。目前，尚未有研究者提出一種能夠考慮這種多狀態(tài)特征的天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站可靠性評(píng)價(jià)方法。然而，在系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究中，研究者已提出了若干適用于多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性分析方法。

2.基于多狀態(tài)的天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站可靠性評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法通常基于“二態(tài)假設(shè)”，即評(píng)價(jià)對(duì)象只存在“正?！迸c“失效”兩種狀態(tài)。目前應(yīng)用于油氣站場(chǎng)的可靠性評(píng)價(jià)方法也大多以此為基礎(chǔ)。然而，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站系統(tǒng)往往會(huì)經(jīng)歷一個(gè)退化過(guò)程，因此其功能一般存在多個(gè)中間狀態(tài)。這種情況導(dǎo)致基于“二態(tài)假設(shè)”的傳統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法在一定程度上不能滿足分輸站的評(píng)價(jià)目的。為此，需根據(jù)分輸站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實(shí)際需求建立滿足多狀態(tài)的可靠性評(píng)價(jià)方法。

本文將天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站定義為一個(gè)由分離單元、計(jì)量單元、調(diào)壓?jiǎn)卧獦?gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。這種假設(shè)既滿足可靠性評(píng)價(jià)的需要，也符合工程經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站系統(tǒng)及其組件在運(yùn)行過(guò)程中往往具有明顯的退化特性，其故障規(guī)律呈現(xiàn)出多種狀態(tài)，即在正常工作狀態(tài)與完全失效工作狀態(tài)間，存在多個(gè)中間狀態(tài)。顯然，傳統(tǒng)可靠性理論的“二態(tài)假設(shè)”難以準(zhǔn)確描述這種情況。為了分析這種多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性，本文做出以下假設(shè)：

①分輸站系統(tǒng)的可靠性狀態(tài)隨時(shí)間退化；

②在退化過(guò)程中，系統(tǒng)的可靠性狀態(tài)只能向更差的狀態(tài)逐漸改變；

③這些系統(tǒng)狀態(tài)是離散的。

分輸站系統(tǒng)的退化過(guò)程如圖1所示：

圖1 分輸站系統(tǒng)及其組件的狀態(tài)變化圖

(1)天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模型

為了加強(qiáng)對(duì)分輸站運(yùn)行效能與安全性的重視，須根據(jù)實(shí)際情況分析該分輸站系統(tǒng)及其單元的可靠性狀態(tài)。本文考慮了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的觀點(diǎn)，并基于文中對(duì)分輸站功能的定義，區(qū)分了分輸站系統(tǒng)及其組件的三種可靠性狀態(tài)：

①可靠性狀態(tài)3：分輸站能夠按規(guī)定完成功能；

②可靠性狀態(tài)2：分輸站功能輕微退化，如分離不徹底等；

③可靠性狀態(tài)1：分輸站功能嚴(yán)重退化；

④可靠性狀態(tài)0：分輸站完全失效。

為了以數(shù)學(xué)形式描述分輸站的可靠性狀態(tài)，本文定義了分輸站的系統(tǒng)多狀態(tài)可靠性函數(shù)，形式如下：

其中，R(t,u)=P(S(t))≥u∣S(0)=3)=P(T(u)＞t),

式中，R(t,u)為分輸站系統(tǒng)在t時(shí)刻的可靠性狀態(tài)處于狀態(tài)子集｛u,u+1,…,3｝，且在初始時(shí)刻分輸站處于完好狀態(tài)的概率。R(t,u)也稱為系統(tǒng)的多狀態(tài)條件可靠性函數(shù)坐標(biāo)。T(u)為一個(gè)隨機(jī)變量，代表系統(tǒng)的可靠性狀態(tài)處于狀態(tài)子集｛u,u+1,…,3｝的時(shí)間，且在初始時(shí)刻分輸站處于完好狀態(tài)。一般情況下，采用歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與可靠性理論可以得到可靠度分布函數(shù)。因此，需分析可靠度分布函數(shù)、T(u)及R(t,u)之間的關(guān)系，結(jié)果如下：

根據(jù)式（1）與式（2）可以得到以下結(jié)論：

接下來(lái)，做出定義如下：

定義式（5）為分輸站系統(tǒng)在t時(shí)刻處于可靠性狀態(tài)u且初始時(shí)刻系統(tǒng)處于完好狀態(tài)的概率。根據(jù)上述定義，可以得出以下結(jié)論：

式(1)—式(6)定義了基于多狀態(tài)的分輸站的運(yùn)行可靠性，并給出了不同狀態(tài)下的可靠性計(jì)算方法。但是，在實(shí)際工程上，通常采用平均壽命來(lái)反映系統(tǒng)的可靠性水平。根據(jù)上文中的定義與闡述，基于多狀態(tài)的分輸站平均壽命評(píng)價(jià)模型如下：

其中，μ(u)為分輸站系 統(tǒng) 在 可 靠 性 狀 態(tài) 子集｛u,u+1,…,3｝中的平均壽命。另外，根據(jù)式(6)的定義，可以推算系統(tǒng)在不同可靠性狀態(tài)中的平均壽命，計(jì)算方法如式8)所示。

其中，μ(u)為分輸站處于可靠性狀態(tài)u的平均壽命。

此外，根據(jù)式（6）中的結(jié)論，可以進(jìn)一步得到以下關(guān)系：

(2)基于多狀態(tài)的分輸站系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析方法

本文通過(guò)建立壓氣站的多狀態(tài)可靠性評(píng)價(jià)模型，突破了傳統(tǒng)可靠性理論中“非此即彼”的二態(tài)假設(shè)，細(xì)化了評(píng)價(jià)結(jié)果。但是，這種細(xì)化的評(píng)價(jià)結(jié)果在一定程度上增加了分析難度。為了便于將該方法應(yīng)用于工程實(shí)踐，筆者在分輸站運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于多狀態(tài)的分輸站系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)，如式(10)所示。

式中，r(t)為在系統(tǒng)初始時(shí)刻完好的前提下，分輸站系統(tǒng)可靠性狀態(tài)處于臨界狀態(tài)r以下的概率。根據(jù)上述定義，分輸站的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)可以通過(guò)以下方式求解：

根據(jù)式(11)可知，分輸站的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)與可靠性函數(shù)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)上文分析，分輸站可以看作由分離單元、計(jì)量單元及調(diào)壓?jiǎn)卧獦?gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)傳統(tǒng)可靠性理論，串聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：

其中，Ti(u)為單元i在初始狀態(tài)完好前提下，可靠性狀態(tài)處于｛u,u+1,…,3｝的時(shí)間。因此，基于式(2)、式(12)與串聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分輸站系統(tǒng)可靠性函數(shù)求解方法如下：

其中，F(xiàn)i(t,u)為分輸站中，第i個(gè)單元的可靠度分布函數(shù)。

根據(jù)本文對(duì)分輸站可靠性的定義，確保單元的功能完好是保障系統(tǒng)可靠性的前提。在本文中，假設(shè)計(jì)量單元、分離單元及調(diào)壓?jiǎn)卧哂兄笖?shù)形式的可靠度分布函數(shù)。同時(shí)，根據(jù)某分輸站的失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)推斷方法，在式(3)的基礎(chǔ)上，可以得到每個(gè)單元的條件可靠度函數(shù)坐標(biāo)如下。

①分離單元的條件可靠性函數(shù)：

R1(t，1)=exp(-0．00008t)，

R1(t，2)=exp(-0．00009t)，

R1(t，3)=exp(-0．00009t)；

②計(jì)量單元的條件可靠性函數(shù)：

R2(t，1)=exp(-0．00011t)，

R2(t，2)=exp(-0．00013t)，

R2(t，3)=exp(-0．00015t)，

③調(diào)壓?jiǎn)卧臈l件可靠性函數(shù)：

R3(t，1)=exp(-0．00044t)，

R3(t，2)=exp(-0．00044t)，

R3(t，3)=exp(-0．0005t)，

基于此，可得到某分輸站系統(tǒng)的運(yùn)行可靠度函R(t,·)數(shù)圖像以及分輸站系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)的概率，如圖2、3所示。圖中結(jié)果反映了該系統(tǒng)處于不同可靠性狀態(tài)子集中的概率。通過(guò)分析結(jié)果的數(shù)值特征，可初步判斷分輸站在退化進(jìn)程中的可靠性。

圖2 基于多狀態(tài)的分輸站系統(tǒng)可靠度函數(shù)坐標(biāo)圖

圖3 分輸站系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)的概率

根據(jù)圖3中的結(jié)果，分輸站系統(tǒng)運(yùn)行至1000小時(shí)左右，完全失效的概率開始高于系統(tǒng)功能完好的概率；同時(shí)，圖形顯示在此處系統(tǒng)發(fā)生退化的概率最高。因此，可將圖2中的R點(diǎn)作為對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站進(jìn)性維護(hù)的參考依據(jù)。

3.小結(jié)

(1)本文提出了天然氣長(zhǎng)輸管道分輸站的功能可靠性定義，建立了基于多狀態(tài)的分輸站功能可靠性評(píng)價(jià)方法，改進(jìn)了基于“二態(tài)假設(shè)”的運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)方法，考慮了分輸站可能經(jīng)歷的多種功能狀態(tài)，提高了評(píng)價(jià)方法的適用性。

(2)結(jié)合理論分析與工程經(jīng)驗(yàn)，本文應(yīng)用所建立的方法評(píng)價(jià)了天然氣長(zhǎng)輸管道某分輸站的功能可靠性。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，分析了該分輸站目前的可靠性狀態(tài)，給出了相應(yīng)建議。同時(shí)，基于分輸站的多狀態(tài)特性，定義了其功能風(fēng)險(xiǎn)，并做出預(yù)測(cè)。

[1]楊培風(fēng)．長(zhǎng)輸天然氣站場(chǎng)基于RCM分析的實(shí)踐[J]．科技風(fēng), 2014(13): 80-80．

[2]蔣宏業(yè),姚安林,毛建等．輸氣管道壓氣站事故人為因素研究[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(3):17-19．

[3]王勇．普光輸氣站場(chǎng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D]．四川:西南石油大學(xué),2012．

[4]鄭明,姚安林,葉沖等．基于RBI的輸氣站場(chǎng)分離器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(6):120-126．

[5]Amari S V, Misra R B． Comment on: dynamic reliability analysis of coherent multistate system[J]． IEEE Trans Reliab, 1997, 46: 460-461．

[6]Avent T． Reliability evaluation of multistate systems with multistate components[J]． IEEE Trans Reliab, 1985, 34: 473-479．

[7]Ko owrocki K, Soszyńska-Budny J． Reliability and Safety of Complex Technical Systems and Processes: Modeling–Identification–Prediction-Optimization[M]． Springer Science & Business Media, 2011．

[8]Kotowrocki K． Reliability and risk evaluation of complex systems in their operation processes[J]． Optical Coherence Tomography in Cardiovascular Research, 2007: 1109．

張宗杰（1990～），男，中國(guó)石油西氣東輸管道公司，研究方向：干線天然氣管道運(yùn)行可靠性研究。

(責(zé)任編輯牛玉娟）

Functional reliability evaluation method for long distance transmission pipeline of natural gas based on multi state

Zhang Zongjie, Ju Feng, Qiu Tian, Yang Kun, Liu Ji, Wang Yilian
(China Petroleum west east gas pipeline company, Shanghai, 200122)

To ensure reliable delivery stations is a foundation to ensure the normal supply of natural gas transmission pipeline, has not yet been found for long distance gas pipeline station definition and evaluation method of functional reliability. The oil station general reliability method based on the "two state hypothesis", to a certain extent inconsistent with the actual situation based on this, according to the actual situation, the definition of natural gas distribution station function reliability of pipeline; reliability of multi state system evaluation method, put forward the distribution function method for reliability evaluation of station, establishes the function model of risk analysis.

sub station；functional reliability；multi state system；risk analysis

TE

A