基于改進故障樹的站場靜設備風險評價技術(shù)研究

陳文賢，鄧琳納，陸瀟，劉畑，祁慶芳，梁昌晶

(1. 國家管網(wǎng)集團聯(lián)合管道有限責任公司 西部塔里木輸油氣分公司，新疆 庫爾勒 841000；2. 中油國際管道有限公司，北京 100029；3. 中國石油長慶油田分公司 第十一采油廠，陜西 西安 710016；4. 中國石油新疆油田分公司 油氣儲運公司，新疆 昌吉 831100；5. 中國石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000；6. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設計有限公司，河北 任丘 062552)

對油氣管道及站場設備進行風險評價，將事后處理轉(zhuǎn)為事前處理，已成為完整性管理的重要組成部分。目前針對長輸管道完整性的風險評價研究開展較早也較成熟，中國大部分長輸管道的高后果區(qū)及高風險區(qū)均已實現(xiàn)定量風險評價，但油氣站場的風險評價研究發(fā)展較慢。站場設備按照功能可分為靜設備、動設備和安全儀表系統(tǒng)三類，其中靜設備主要包括： 儲罐、換熱器、工藝管線、分離器等非轉(zhuǎn)動類設備，是油氣田開發(fā)生產(chǎn)的重要組成部分，約占站場設備的70%以上。該類設備經(jīng)長時間服役，容易發(fā)生腐蝕穿孔、設備老化、機械損傷等缺陷，造成不必要的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。該類設備的日常無損檢測通常需要拆除外部保溫層并進行停產(chǎn)及降溫作業(yè)，故檢測周期無法保證，風險評價結(jié)果無法及時反饋給管理者，因此有必要建立基于站場靜設備的失效分析模型。在此采用改進的故障樹分析模型，通過編制軟件實時分析失效可能性，重點排查重要度較高的因素，并對比基于規(guī)范的失效概率計算結(jié)果，以期為站場完整性管理提供理論依據(jù)和實際參考。

1 改進故障樹模型

故障樹通過對事故內(nèi)在邏輯的推理和演繹，從根本上找到防止事故發(fā)生的方法和措施，是由邏輯與門、或門連接的樹圖結(jié)構(gòu)。以人們所不期望發(fā)生的事件作為分析的對象事件，如火災、爆炸、中毒事件等，通過調(diào)查事件發(fā)生的原因，包括同一設備或同一類型設備的事故經(jīng)驗，并加以整理，從頂事件出發(fā)，通過推理演繹，按照邏輯關系將其連接構(gòu)成故障樹模型。

故障樹的定性分析是利用布爾代數(shù)表達式，查清系統(tǒng)從基本事件到頂事件的發(fā)展途徑，求出引起頂事件發(fā)生的最少事件組合，通過計算最小割集和最小徑集，得到各基本事件對頂事件發(fā)生的影響程度即結(jié)構(gòu)重要度I?(j)，并對其進行排序如式(1)所示：

(1)

式中：xj∈Gr——基本事件xj屬于最小割集Gr；nj——基本事件xj所在的最小割集或徑集中包括的基本事件個數(shù)。

定量分析是根據(jù)各基本事件的失效概率求出頂事件發(fā)生的概率函數(shù)g，采用最小割集進行計算，如式(2)所示，并與統(tǒng)計分析或現(xiàn)場檢測得到的可能性等級進行對比，如兩者不符，則需要重新構(gòu)建故障樹模型；根據(jù)頂事件的失效概率，進一步計算各基本事件的概率重要度系數(shù)，由于g屬于多重線性函數(shù)，因此對qj求一階偏導后可得到概率重要度Ig，如式(3)所示，可知道降低哪個基本事件發(fā)生的概率即可降低頂事件發(fā)生的概率。

(2)

式中：NG——最小割集數(shù)量；r——最小割集序數(shù)；j——基本事件序數(shù)；qj——第j個基本事件發(fā)生概率。

(3)

結(jié)構(gòu)重要度的計算結(jié)果取決于故障樹模型構(gòu)建的準確性，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)、專家判斷的準確性相關；而概率重要度是通過定義各基本事件的失效概率進行計算，故關鍵在于基本事件初始失效概率的選取。目前，失效概率計算主要有主觀法和客觀法兩種。客觀法基于歷史失效數(shù)據(jù)，但國內(nèi)目前尚未建立長期有效的失效數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)共享方面欠缺較多，一般參照國外石化行業(yè)的失效數(shù)據(jù)庫，但不同國家的統(tǒng)計標準不一致，無法直接應用到國內(nèi)。因此，多采用基于專家知識判斷的主觀評價法，如層次分析法、模糊綜合評價法、集對分析法、數(shù)據(jù)包絡分析法等，但專家判斷需要通過現(xiàn)場收集資料，根據(jù)經(jīng)驗判斷設備失效的實際情況，對所評價對象熟悉程度要求較高，主觀性較強。在此，將主觀層次分析法和客觀模糊概率法相結(jié)合，進行主客觀賦權(quán)，提高結(jié)果的客觀性和準確性。層次分析法用于對不同專家的權(quán)重進行賦值，在以往文獻中介紹較多，在此只介紹模糊概率法的計算步驟。

專家在進行經(jīng)驗判斷時，不會給出具體的失效概率，而采用自然語言代替，將基本事件發(fā)生的可能性進行細分，從很小到很大設置5個等級。自然語言模糊數(shù)如圖1所示。

首先，選擇站場設計、施工、安裝、維修、改造、管理等方面的專家組成專家組，對各基本事件發(fā)放概率意見表，對可能性做出判斷，可能性設置按照自然語言設置；其次，將自然語言轉(zhuǎn)化成模糊數(shù)，給出圖1對照的隸屬度函數(shù)表達式如式(4)所示：

(4)

式中：a，b——自然語言模糊數(shù)的上、下限。

利用左右模糊排序算法計算最大隸屬度fmax(x)和最小隸屬度fmin(x)如式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

根據(jù)式(4)～(6)計算左、右隸屬度函數(shù)的可能性值FPSL(w)，F(xiàn)PSR(w)如式(7)和式(8)所示：

FPSL(w)=sup[fw(x)∧fmin(x)]

(7)

FPSR(w)=sup[fw(x)∧fmax(x)]

(8)

計算總隸屬度的可能性值FPS，并轉(zhuǎn)化為失效概率FFR，如式(9)和式(10)所示：

FPS=[FPSR(w)+1-FPSL(w)]/2

(9)

(10)

2 案例分析

采用本文所介紹的方法，對某站場原油儲罐腐蝕穿孔事件進行失效分析。

2.1 失效模式分析

儲油罐是油品原材料、中間產(chǎn)物以及成品儲存或備用的主要設備。工況條件惡劣、人員維護不當和操作不當?shù)榷伎赡苁箖拊谌粘５倪\行中產(chǎn)生問題，根據(jù)文獻數(shù)據(jù)和相關的資料，可以了解到儲罐各部位的失效模式。一是環(huán)境開裂，它的表現(xiàn)形式為罐體破裂、滲透，主要發(fā)生部位為罐壁下部焊縫處或罐底焊縫處，這是由于對接焊縫處的力學因素造成應力集中，在大氣環(huán)境的作用下誘發(fā)應力開裂。二是失穩(wěn)失效，它的表現(xiàn)形式為整體傾斜式滑移、凹陷、罐頂塌陷，主要發(fā)生部位為罐壁、罐頂。三是腐蝕失效，腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕、局部腐蝕、點蝕、坑蝕或臺地腐蝕等。其中，腐蝕是引起儲罐失效的重要原因之一，外部環(huán)境和罐內(nèi)介質(zhì)的共同作用會導致儲罐的不同部位發(fā)生腐蝕，包括罐頂、罐壁和罐底都會受到一定程度的影響。按照油、氣、水三相分層，頂板和壁板上部為氣相腐蝕，壁板中部為油相腐蝕，而罐底和壁板下部為水相腐蝕。其中，罐底的腐蝕是最為嚴重的，這是由于游離水大部分沉積在罐底發(fā)生電化學腐蝕，根據(jù)歷史大修數(shù)據(jù)，因腐蝕原因造成的儲罐停產(chǎn)事故中底板腐蝕占較大比例。

選擇儲罐腐蝕穿孔作為頂事件，建立了故障樹如圖2所示，對應各基本事件名稱見表1所列。

圖2 儲罐腐蝕穿孔故障樹示意

表1 儲罐腐蝕穿孔故障樹的基本事件

2.2 軟件計算

站場靜設備失效分析軟件在VS環(huán)境下用C#編程語言完成編制。軟件的主體框架由工程管理、故障樹分析、失效概率定量分析、風險評價、結(jié)果輸出和幫助六大模塊組成。用戶輸入計算所需的基本參數(shù)，軟件可以自動生成故障樹分析計算結(jié)果表、失效概率定量分析計算結(jié)果表和風險評價分析計算結(jié)果表，并可以自行導出使用。

以某常壓油罐為例，類型為立式圓筒型，罐頂形式為浮頂。邀請3位來自現(xiàn)場的操作和技術(shù)專家(主要為油氣集輸、油氣儲運、腐蝕防護方向)，運用層次分析法對3位專家的權(quán)重進行賦值。通過分析，3位專家的能力權(quán)重分別為： 0.331，0.367，0.302。

根據(jù)專家判斷的自然語言和權(quán)重，計算各基本事件的發(fā)生概率、概率重要度系數(shù)、重要度排序和頂事件失效概率，并根據(jù)失效概率判定失效可能性等級。儲罐故障樹計算結(jié)果(部分)見表2所列。

經(jīng)計算，該故障樹有全部最小割集130個，其中三階最小割集有100個，四階最小割集有30個，說明導致儲罐腐蝕穿孔事件發(fā)生有130種可能性。據(jù)此，各機構(gòu)管理、操作人員可以根據(jù)130個最小割集中基本事件的特性及其可能發(fā)生的條件作出比較全面的預防措施，從而保證工程運行過程中的安全性。

經(jīng)計算，儲罐腐蝕穿孔頂事件的失效概率為5.5×10-11，參照GB/T 26610.4—2014《承壓設備系統(tǒng)基于風險的檢驗實施導則》中的失效可能性等級劃分為1級。根據(jù)重要度排序，絕緣涂層問題是重要度較高的因素，包括粘結(jié)力低、破損、老化問題；陰極保護問題也是重要度較高的因素，包括電位不足、材料失效、保護方式不當。因此，應加強絕緣涂層的檢測，必要時進行修復。陰極保護方式推薦為外加電流的保護方式，應隨時監(jiān)控電位，防止出現(xiàn)電位不足的情況。同時，推薦日常檢測的間隔時間為1次/年。日常檢測方法為宏觀檢查和壁厚測定。其中，宏觀檢查以容器銘牌、漆色、標記，本體裂紋、變形，異常振動、結(jié)露情況，焊接接頭裂紋、泄漏，排污裝置的檢查為重點。修復時，具體參照SY/T 6220—2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》和 SY/T 5921—2011《立式圓筒形鋼制焊接原油罐操作維護修理規(guī)程》的相關規(guī)定。

2.3 結(jié)果對比

以采用軟件計算的8個儲罐為例，將軟件計算結(jié)果與現(xiàn)場采用磁粉無損檢測方法的結(jié)果對比，同時將軟件計算結(jié)果與GB/T 26610.4—2014的分析結(jié)果對比，見表3所列。

表3 儲罐計算結(jié)果對比

8個儲罐中利用軟件計算的失效可能性等級和檢測結(jié)果相同，和利用規(guī)范分析得到的結(jié)果也相同。根據(jù)評價結(jié)果，8個儲罐的腐蝕減薄情況并不嚴重，可以繼續(xù)監(jiān)控使用。

3 結(jié)束語

將層次分析法和模糊概率法結(jié)合計算基本事件失效概率，由此計算頂事件失效概率，該方法可降低主觀判斷的影響；通過編寫失效分析軟件，以原油儲罐為例進行計算，失效可能性計算結(jié)果與標準規(guī)范和無損檢測結(jié)果相符，根據(jù)概率重要度排序，可針對重要度較高的事件提出風險減緩措施。