注減氧空氣驅(qū)油注氣系統(tǒng)空壓機(jī)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析

王 典，史寶成，應(yīng)若蒙，潘建澎，張興凱，張引弟

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

空壓機(jī)作為注氣采油環(huán)節(jié)中的重要組成部件，其本身是存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的，若發(fā)生了爆炸，則會(huì)引起人員安全事故的發(fā)生和停產(chǎn)的發(fā)生。2011年11月14日，某印刷廠一臺小型可移動(dòng)式空壓機(jī)發(fā)生火災(zāi)，操作工迅速把火撲滅，未造成嚴(yán)重后果，后經(jīng)查明為內(nèi)部積碳燃爆引起[1]。2016年8月29日，某高壓空氣站5套美國卡麥隆(CAMERON)CFA34型活塞式空壓機(jī)組，2#壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中突然發(fā)生三級排氣管道內(nèi)部燃爆，后經(jīng)查明本次事故的主要原因?yàn)闈櫥偷淖⑷肓亢唾|(zhì)量有問題[2]。在注減氧空氣系統(tǒng)中，分析可能引起空壓機(jī)爆炸的因素，明確最應(yīng)該注意的事件，能有效減小空壓機(jī)發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備和人員的安全性，對于油田企業(yè)來說是很有必要的。

在目前的空壓機(jī)爆炸事故研究中，研究者根據(jù)已發(fā)生的事故或是可能潛在發(fā)生事故的方面進(jìn)行分析，并尋求相應(yīng)的解決方式[3]，但是沒有明確不同因素對事故發(fā)生的重要程度影響[4]，用事故樹分析法分析空壓機(jī)爆炸的文獻(xiàn)較少。事故樹分析法(Fault-Tree Analysis)是一種可以定性定量分析系統(tǒng)安全可靠性的方法，并在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如石油天然氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸、油庫火災(zāi)預(yù)防、航空航天部件失效、粉塵爆炸等。事故樹分析法，也被稱為故障樹分析法，通過建立事件之間的關(guān)系圖，分析能引起事故發(fā)生的各種途徑，找出系統(tǒng)主要的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性[5]。

1 空壓機(jī)爆炸事故樹構(gòu)建及分析

1.1 基本事件確立

影響空壓機(jī)安全的因素眾多，但是要造成空壓機(jī)爆炸往往是多種因素交叉結(jié)合在一起的結(jié)果。爆炸是一種劇烈的燃燒反應(yīng)，發(fā)生爆炸的基本條件是點(diǎn)火源、燃燒物和助燃劑這三點(diǎn)。因?yàn)榭諌簷C(jī)是在大氣環(huán)境中運(yùn)行的，會(huì)一直與空氣中的氧氣接觸，要防止爆炸的發(fā)生，只能從點(diǎn)火源和燃燒物這兩個(gè)方向著手。通過調(diào)研文獻(xiàn)和結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況可知，空壓機(jī)在運(yùn)行中，會(huì)有積碳的產(chǎn)生，積碳會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)放出熱量，當(dāng)其熱量超過散熱量時(shí)，溫度便會(huì)不斷升高，以至于發(fā)生自燃，引起排氣系統(tǒng)燃燒或爆炸[6]。空壓機(jī)在運(yùn)行的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，若冷卻不及時(shí)[7-8]，也會(huì)引起積碳的爆炸或燃燒。因而可以確定空壓機(jī)中的燃燒物主要為積碳，主要熱源為系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件的產(chǎn)熱。積碳產(chǎn)生的主要方式有潤滑油不良和空氣中的灰塵過多，而熱源產(chǎn)生的形式則較多，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高、排氣溫度高、冷卻不行等。通過調(diào)研文獻(xiàn)和結(jié)合一些現(xiàn)場實(shí)際情況，總結(jié)出能造成事故的15個(gè)中間事件，進(jìn)而細(xì)化到造成這些原因的基本事件有25個(gè)，如表1所示。

表1 空壓機(jī)爆炸事故的基本事件

1.2 空壓機(jī)爆炸事故樹的建立

事故樹分析法在分析系統(tǒng)的安全性和可靠性時(shí)是非常有效的，它以事故發(fā)生為目標(biāo)，尋找導(dǎo)致該事故發(fā)生的各種原因，并將其間的邏輯關(guān)系用樹形圖表示[9]。事故樹中的符號主要有事件符號和邏輯門符號兩大類[10]，頂上事件為要分析的事故，中間事件為導(dǎo)致事故發(fā)生的籠統(tǒng)因素，基本事件則為導(dǎo)致事故發(fā)生的最基礎(chǔ)原因，不可以再被細(xì)分。邏輯門符號則為層與層事件的連接關(guān)系，應(yīng)用最多的為與門和或門，與門表示某一事件下的全部子事件同時(shí)發(fā)生才能導(dǎo)致這一事件的發(fā)生，或門則表示該事件的任意一件子事件發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致這個(gè)事件發(fā)生。

事故樹分析法包括定性分析和定量分析。最小割集反應(yīng)了能引起頂上事件發(fā)生的途徑，其中基本事件較少的途徑則是需要重點(diǎn)關(guān)注的。最小徑集則是能避免事件發(fā)生的途徑，最小徑集的數(shù)越多，則說明能夠采取的預(yù)防措施越多。由于缺乏每個(gè)基本事件發(fā)生的概率，因而無法求出頂上事件發(fā)生的確切概率，在不知道基本事件發(fā)生的概率時(shí)，我們可以通過求解基本事件發(fā)生的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)[11]，得出基本事件對頂上事件的影響程度。

圖1 事件類型

圖2 關(guān)系類型

建立事故樹首先確定頂上事件，也即我們需要分析的問題。選取“空壓機(jī)爆炸”作為頂上事件，選取“積碳引燃”、“積碳自燃”、“溫度高”、“積碳厚”、“發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高”、“排氣溫度高”、“產(chǎn)生火花”等為中間事件。建立如圖3所示的事故樹圖。

圖3 空壓機(jī)爆炸事故樹圖

圖中各符號所代表的事件如表2所示。

表2 各符號代表的事件

1.3 空壓機(jī)事故樹定性分析

1.3.1 最小割集

最小割集是能引起空壓機(jī)發(fā)生爆炸的最低途徑，最小割集的數(shù)量反應(yīng)了引起頂上事件發(fā)生的途徑的多少。利用等效的布爾代數(shù)方程法可以求得事故樹得最小割集。對空壓機(jī)爆炸事故樹運(yùn)用布爾代數(shù)方程法可得：

T=M1+M2=M3·M4+M2=(M5+M6+M7+X1)M4+(M4·X1X2X3)=(M5+M6+M7+X1+X1X2X3)M4=(X5+X6+X7+X8X9X10M9+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=(X5+X6+X7+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=X4(X9+X14+X15+X16X17)(X1+X5+X6+X7+X11+X12+X13+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+ X1X2X3)

由此可知該事故樹得最小割集共68項(xiàng)，如表3所示。

表3 最小割集

這68項(xiàng)最小割集都是能引起空壓機(jī)爆炸的基本途徑，特別其中基本事件越少的割集越容易引起頂上事件的發(fā)生。在割集中出現(xiàn)頻率越高的事件，越是能引起事故發(fā)生的事件，即為我們需要重點(diǎn)關(guān)注的事件。如{X1，X4，X9}為當(dāng)周圍溫度高時(shí)，積碳清理不及時(shí)，且潤滑油品質(zhì)低，這個(gè)情況下就容易導(dǎo)致空壓機(jī)發(fā)生爆炸事故。只需要這3個(gè)事件同時(shí)發(fā)生就能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生，因而需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.3.2 最小徑集

求最小徑集是將事故樹轉(zhuǎn)換為成功數(shù)，運(yùn)用簡化的布爾代數(shù)法求解。如果最小徑集的數(shù)量越多，說明解決的途徑也就越多，頂上事件也就越不容易發(fā)生。求解出的最小徑集有42組，如表4所示。

表4 最小徑集

T=M1M2=(M3+M4)(M4+X1+X2+X3)=(M5M6M7X1+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(M9+X8+X9+X10)+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(X18X18X19X20X21X22X23X24X25+X8+X9+X10)+X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17)(X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17+X1+X2+X3)

表明在預(yù)防空壓機(jī)爆炸上我們能采取的途徑很多，如{X3，X4}為“積碳空隙小”、“積碳清理不及時(shí)”這兩個(gè)事件都不發(fā)生時(shí)就不會(huì)引起空壓機(jī)事故的發(fā)生。

1.3.3 基本事件結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

目前我們不知道每個(gè)基本事件發(fā)生的概率分別是多少，因而假設(shè)他們發(fā)生的概率都是相同的。那么這時(shí)我們求解事故樹的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，它反應(yīng)的是基本事件對頂上事件的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)越高，則說明這個(gè)基本事件導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性越大，這個(gè)事件也就需要被更加的重視。基本事件結(jié)構(gòu)的重要度系數(shù)可用公式(1)計(jì)算[12]：

(1)

式中：Iφ(i)為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

nj——第i個(gè)基本事件所在Ej中各基本事件總數(shù)

計(jì)算可得：Iφ(1)=0.7053、Iφ(2)=Iφ(3)=0.2018、Iφ(4)=0.9993、Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=0.6309、Iφ(8)=Iφ(10)=0.3909

Iφ(9)=0.9427、Iφ(14)=Iφ(15)=0.9060、Iφ(18)=0.1991

Iφ(19)=Iφ(20)=Iφ(21)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)=Iφ(25)=0.1051

由此可見Iφ(4)結(jié)構(gòu)重要系數(shù)最大，其次是Iφ(9)，再然后是Iφ(14)、Iφ(15)，即最為重要的基本事件為積碳清理不及時(shí)、潤滑油品質(zhì)低、潤滑油溫度高、潤滑油過多。周圍溫度高、空氣中灰塵多、過濾效果差為次重要事件，也需要多注意。供水太少、給水指示器故障、設(shè)計(jì)不合理、已達(dá)使用壽命、潤滑油供給少、冷卻器質(zhì)量不合格、水垢太厚這些事件則為非重點(diǎn)事件，不需要重點(diǎn)關(guān)注。

2 安全對策措施

通過對事故樹及其定性分析得到了引起空壓機(jī)爆炸的主要因素，在一定程度上給現(xiàn)場施工操作人員改進(jìn)操作方式提供了依據(jù)。由結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的排序可以得出，積碳清理不及時(shí)、潤滑油品質(zhì)低、潤滑油溫度高、潤滑油過多這4個(gè)因素是容易引起空壓機(jī)爆炸的最主要原因，再其次就是周圍溫度高、空氣中灰塵多和過濾效果差。冷卻不良、潤滑油過少、壓縮比高、機(jī)械沖擊、積碳氧化、靜電放電這些因素造成的影響比較小，相對來說不用花主要的時(shí)間。而像供水太少、給水指示器故障、設(shè)計(jì)不合理、已達(dá)到使用壽命、潤滑油供給少、冷卻器質(zhì)量不合格、水垢太厚則很難引起空壓機(jī)爆炸事故的發(fā)生，這些低概率事件可以不用重點(diǎn)關(guān)注。

在考慮安全對策措施建議時(shí)，要優(yōu)先考慮解決主要矛盾，將最重要的事情優(yōu)先解決。由結(jié)構(gòu)重要度可得解決主要矛盾的優(yōu)先關(guān)系應(yīng)該為：制定合適的積碳清理周期，以保證及時(shí)的清理積碳；選用抗氧化性品質(zhì)較高的專用潤滑油，注意潤滑油的使用量不要過多；然后要注意空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和保證空壓機(jī)周圍環(huán)境的干凈。

為此建議采取以下措施：

(1)選用抗氧化安定性高的潤滑油(康式殘?zhí)恐?3%)；供油量≤105 g/h；排氣溫度在150 ℃以下。

(2)注意冷卻水運(yùn)行時(shí)的溫度和壓力，冷卻水閥后入口處的給水壓力不宜大于2×105Pa或小于0.7×105Pa。同時(shí)注意冷卻水的進(jìn)口溫度小于25 ℃；排水溫度小于65 ℃。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)計(jì)量溫度高于規(guī)定的溫度時(shí)要及時(shí)檢查，查明原因以解除潛在威脅。

(3)保證冷卻水的品質(zhì)，水質(zhì)要求pH值在6.5～9.5之間；硬度不大于4.3×10-3mol/L；懸浮物不大于100 mg/L；含油量不大于5 mg/L；有機(jī)物含量不大于25 mg/L。

(4)在空壓機(jī)運(yùn)行過程中要注意周圍環(huán)境、可安裝溫度計(jì)時(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)在空壓機(jī)周圍安裝防塵網(wǎng)，避免灰塵的積累。

3 結(jié) 論

(1)引入事故樹分析法分析注減氧空氣驅(qū)油注氣系統(tǒng)空壓機(jī)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，以“空壓機(jī)爆炸”為頂上事件建立了事故樹，分析了可能引發(fā)事故的25個(gè)基本事件，得到了引起事故的68個(gè)基本途徑。這些引起事故的基本途徑定性地描述了空壓機(jī)爆炸的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)通過對基本事件的結(jié)構(gòu)重要度分析，得到引起空壓機(jī)爆炸的主控因數(shù)4個(gè)，重要度排序?yàn)椋悍e碳清理不及時(shí)、潤滑油品質(zhì)低、潤滑油溫度高、潤滑油過多。

(3)針對分析的到的4個(gè)主控因數(shù)，采用保證主要因素安全的分析法，提出了選取合適的潤滑油、保證冷卻水的品質(zhì)和溫度、對周圍環(huán)境實(shí)時(shí)檢測等相應(yīng)的防護(hù)措施。可以為現(xiàn)場的工作人員在空壓機(jī)的運(yùn)行維護(hù)方面提供指導(dǎo)意見。