基于貝葉斯定性定量對塔頂冷凝系統安全風險評價

鄧捷，林晨，趙魯迪，馬玉波

（沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142）

石油化工在國民經濟中占著舉足輕重的作用，而原油蒸餾是煉油加工流程中最重要的工序[1]。其中，常減壓裝置作為煉油廠中腐蝕最嚴重的系統之一，具有系統結構復雜，影響因素多，安全風險高，安全隱患大等特點。

針對腐蝕失效診斷領域的不確定性特點，提出一種新的失效診斷因果表法。將貝葉斯方法和確定性因子法聯系起來，建立基于因果表的不確定性推理模型，使用該模型對常減壓蒸餾裝置塔項冷凝系統的設備進行評估，找出系統中失效風險最大的腐蝕類型。對設備安全風險進行評價和控制，既有利于設備管理，又能有效防止非計劃性停工。因此，研究常壓塔塔頂冷凝系統腐蝕對目前煉油和化學工業具有重要的意義。

1 常壓塔系統腐蝕問題

煉油加工設備故障的主要原因是設備腐蝕，為保證設備安全和正常運行，確定導致設備故障的腐蝕機制并采取相應的保護措施是極為重要的。由于煉油廠腐蝕因素復雜，設備在多種因素相互作用下具有以下幾個方面的不確定性:

1.1 原油的不穩定性

我國高度依賴原油進口，由于罐容有限，同一品種或產地的原油無法連續到港，導致塔頂系統的腐蝕會受到原油品種較大的影響。但即使是同一產地的原油，由于采油過程中使用的注入劑不同，原油的特性也會發生變化，原料特性的變化容易導致常壓塔頂系統腐蝕的不確定性。由于缺水減排要求，電脫鹽注水、冷卻水等都需要循環利用，水中的雜質也導致腐蝕存在不確定性[2]。

1.2 工藝的不穩定性

電脫鹽操作受到原油不確定性的影響，其中部分原油易乳化，脫鹽困難；部分原油比重高，不易脫水；甚至一些含水量較高的原油會直接造成系統跳閘故障，造成裝置進料含鹽量和含水量波動大，常壓塔頂腐蝕情況惡化[3]。

1.3 腐蝕分布的不均勻性

塔頂系統的溫度場、介質濃度場、流速場存在著明顯差異，以及汽液相變會伴隨著固體顆粒析出。并且由于工藝管道和設備的不同，腐蝕也表現出明顯的不均勻性。在實際工程過程中，雖然泄漏總是先發生在最薄弱的地方，但嚴重腐蝕是不均勻的分布在設備和管道上的，因此在裝置運行管理中，很難準確把握全部的安全薄弱環節[4]。

2 貝葉斯理論與確定性因子方法研究

針對石油煉制行業設備腐蝕問題，基于貝葉斯理論的腐蝕失效診斷方法，由于腐蝕類型與腐蝕影響因素的多樣性而引起的不確定性，必須結合不同的方法來糾正單一方法的局限性。因此，將貝葉斯方法[5]和確定性因素方法相結合，可以將腐蝕失效診斷知識作為一種基于因果圖的知識表達方法進行轉換和推理。具體步驟如下：

步驟1：收集相關證據。推理之前通過各種渠道收集證據，證據要準確完整，提高推理結論的合理性。根據收集的證據信息，可以確定因果表中每個Ej的存在狀態，在此，用可信度因子Pb(Ej|ej)表示證據Ej的存在狀態。具體地，若證據Ej存在，則設Pb(Ej|ej) =1；若證據Ej不存在，則設Pb(Ej|ej) =0;若證據Ej未知，則設Pb(Ej|ej)=0.5。通過該步驟可得到證據的狀態集PbES。

步驟2：計算結論iH在證據jE所處狀態下的可信度因子：

步驟3：將可信度因子Pb(Hi|ej)轉換為確定性因子CF(Hi,ej)=2Pb(Hi|ej) -1

步驟4：計算結論集中每個結論的確定性因子CF(Hi,e)利用確定性因子方法中的組合函數計算因果表中各結論的確定性因子。

由上式得出CF(Hi,e)1,2后，再將CF(Hi,e)1,2與CF(H,e3)帶入式1-4 計算，依次類推，直至計算出結論Hi最終的確定性因子CF(Hi,e)。

步驟5：將確定性因子CF(Hi,e)轉換為可信度因子Pb(Hi|e)

步驟6：找出最有可能發生的結論HL，將步驟5 轉換得到的所有結論的可信度因子按大小排序，取其中最大值對應的結論為最終推理結果。

3 常壓塔頂安全風險評價

在煉油設備諸多的腐蝕失效問題當中，環境致裂是最為危險的一種。它是設備材料在特定環境以及應力的共同作用下發生的脆性破壞現象，由于設備在發生環境致裂之前，一般沒有明顯的整厚損失，僅在設備表面出現不易察覺的裂紋，使得環境致裂具有穩蔽性和突發性特點，更容易造成嚴重的安全事故。煉油設備的環境致裂機理多種多樣，損傷形態又比較相似，較難識別。為此，運用上述所提出的因果表方法，建立了煉油設備環境致裂機理的推理模型，并通過實際案例進行了驗證。

利用該模型對某石化企業原油蒸餾裝置常壓塔頂管道失效進行了分析。通過形貌觀察，發現管道破壞區域存在微小裂紋，初步判斷為環境裂紋。為進一步確認具體的失效機理，對管道和流經管道的介質分別取樣分析，分析結果見表1。

表1 實例的失效管道相關信息

表中的內容作為因果表推理的證據信息，得到證據狀態集：

利用本文中得到的計算公式可以計算出各環境致裂機理的可信度因子，結果如表2 所示。

表2 實例的失效管道的分析結果

續表2

4 結束語

本文以常壓塔系統腐蝕問題為例，對其進行研究，運用前文所提到的因果表方法建立煉油設備環境致裂機理推理模型，并將其運用到現實中對實際案例進行分析對比，證明該模型可準確推斷出設備的腐蝕失效機理，因果表法在腐蝕故障診斷中的應用是可行的。該方法滿足不確定性推理，并可與其他方法相結合，以彌補單一方法的局限性。隨著社會科學技術的發展和人民安全意識的提高，對煉油和化學工業的系統安全風險進行評價已經極為廣泛。我們還需要進行深入研究，以便在化工產業的各項系統中更加普遍得運用該方法。對工廠的設備進行安全風險評價和控制,這一舉措，既利于工廠設備管理，又可有效防止計劃外停工,更加高效安全得進行化工生產和加工。