基于改進故障樹的站場靜設備風險評價技術研究

陳文賢，鄧琳納，陸瀟，劉畑，祁慶芳，梁昌晶

(1. 國家管網集團聯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及高風險區均已實現定量風險評價，但油氣站場的風險評價研究發展較慢。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、分離器等非轉動類設備，是油氣田開發生產的重要組成部分，約占站場設備的70%以上。該類設備經長時間服役，容易發生腐蝕穿孔、設備老化、機械損傷等缺陷，造成不必要的經濟損失和環境污染。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及降溫作業，故檢測周期無法保證，風險評價結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，并對比基于規范的失效概率計算結果，以期為站場完整性管理提供理論依據和實際參考。

1 改進故障樹模型

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

故障樹的定性分析是利用布爾代數表達式，查清系統從基本事件到頂事件的發展途徑，求出引起頂事件發生的最少事件組合，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生的影響程度即結構重要度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。

定量分析是根據各基本事件的失效概率求出頂事件發生的概率函數g，采用最小割集進行計算，如式(2)所示，并與統計分析或現場檢測得到的可能性等級進行對比，如兩者不符，則需要重新構建故障樹模型；根據頂事件的失效概率，進一步計算各基本事件的概率重要度系數，由于g屬于多重線性函數，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生的概率即可降低頂事件發生的概率。

(2)

式中：NG——最小割集數量；r——最小割集序數；j——基本事件序數；qj——第j個基本事件發生概率。

(3)

結構重要度的計算結果取決于故障樹模型構建的準確性，與現場數據、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據，但國內目前尚未建立長期有效的失效數據庫，在數據共享方面欠缺較多，一般參照國外石化行業的失效數據庫，但不同國家的統計標準不一致，無法直接應用到國內。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、數據包絡分析法等，但專家判斷需要通過現場收集資料，根據經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合，進行主客觀賦權，提高結果的客觀性和準確性。層次分析法用于對不同專家的權重進行賦值，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，將自然語言轉化成模糊數，給出圖1對照的隸屬度函數表達式如式(4)所示：

(4)

式中：a，b——自然語言模糊數的上、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)

根據式(4)～(6)計算左、右隸屬度函數的可能性值FPSL(w)，FPSR(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等都可能使儲罐在日常的運行中產生問題，根據文獻數據和相關的資料，可以了解到儲罐各部位的失效模式。一是環境開裂，它的表現形式為罐體破裂、滲透，主要發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，在大氣環境的作用下誘發應力開裂。二是失穩失效，它的表現形式為整體傾斜式滑移、凹陷、罐頂塌陷，主要發生部位為罐壁、罐頂。三是腐蝕失效，腐蝕形態為均勻腐蝕、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，外部環境和罐內介質的共同作用會導致儲罐的不同部位發生腐蝕，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生電化學腐蝕，根據歷史大修數據，因腐蝕原因造成的儲罐停產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，軟件可以自動生成故障樹分析計算結果表、失效概率定量分析計算結果表和風險評價分析計算結果表，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位來自現場的操作和技術專家(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位專家的權重進行賦值。通過分析，3位專家的能力權重分別為： 0.331，0.367，0.302。

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

經計算，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生有130種可能性。據此，各機構管理、操作人員可以根據130個最小割集中基本事件的特性及其可能發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。根據重要度排序，絕緣涂層問題是重要度較高的因素，包括粘結力低、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，應隨時監控電位，防止出現電位不足的情況。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程》的相關規定。

2.3 結果對比

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

表3 儲罐計算結果對比

8個儲罐中利用軟件計算的失效可能性等級和檢測結果相同，和利用規范分析得到的結果也相同。根據評價結果，8個儲罐的腐蝕減薄情況并不嚴重，可以繼續監控使用。

3 結束語

將層次分析法和模糊概率法結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，失效可能性計算結果與標準規范和無損檢測結果相符，根據概率重要度排序，可針對重要度較高的事件提出風險減緩措施。