基于GO法-貝葉斯網絡的站場工藝流程可靠性分析

摘" " 要：為保證油氣站場的安全生產和運行，提高站場完整性管理水平。基于RBI、RCM技術對靜設備和動設備的故障率進行計算，隨后將工藝流程圖轉化為GO圖，并根據操作符和信號流的邏輯關系將GO圖映射為貝葉斯網絡，完成故障率、維修率、平均維修時間、平均失效概率等站場可靠性參數的計算，并以某站場為例進行實例評價。結果表明，待評價站場中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐、閃蒸罐、再生塔、過濾器等設備的故障率較高；站場內工藝子系統及站場整體的可靠性與設備可用性、修復性和備用性等因素相關；站場整體的平均失效概率為4.59×10-2，大于任何一個工藝子系統的平均失效概率，說明風險按照工藝物流走向不斷增加，存在風險疊加隱患。

關鍵詞：RBI；RCM；GO法；貝葉斯網絡；可靠性；平均失效概率

Reliability analysis of process flow of station yard based on GO method and Bayesian network

ZHOU Tao

Erlian Filiale of Huabei Oilfield Company， CNPC， Xilinhot 026000， China

Abstract：In order to ensure the safe production and operation of the oil and gas station and yard and improve the integrity management level of the station yard， the failure rate of static equipment and dynamic equipment was calculated by risk based inspection （RBI） and reliability centered maintenance （RCM） technologies.Then， the process flow chart was converted into a goal-oriented （GO） diagram， and the GO diagram was mapped to a Bayesian network according to the logical relationship between operators and signal flows. The reliability parameters of the station yard， such as the failure rate， maintenance rate， average maintenance time， and average failure probability were calculated， and a station yard was taken as an example for evaluation. The results show that the failure rate of the metering separator， three-phase separator， oil heat exchanger， oil-water settling tank， flash tank， regeneration tower， filter， and other equipment in the station yard to be evaluated is high. The reliability of the process subsystem and the whole station yard is related to the availability， repairability， and stand-by of the equipment. The average failure probability of the whole station yard is 4.59×10?2， which is greater than that of any process subsystem， indicating that the risks continue to increase as process logistics develops， and there is a hidden danger of risk superposition.

Keywords：RBI; RCM; GO method; Bayesian network; reliability; average failure probability

隨著國民經濟的發展，我國油氣資源的勘探和開發逐漸向著陸地深層、深海及頁巖油氣等方向發展。為加強油氣產、供、銷體系的建設，我國建成了西氣東輸、中俄東線、川氣東送等一系列管道工程，逐漸形成了“全國一張網”的油氣新格局[1-2]。油氣集輸站場作為管道工程的重要組成部分，是負責油氣開采和加工的重要場所，具有壓力容器多、橇裝設備多、風險源多等特點，也是風險管控的重要區域。目前，關于站場風險評價已有諸多學者進行了研究[3-6]，但對象多為單一壓力容器或管道，站場工藝流程具有序貫性，設備對上、下游物流和其余設備節點的影響不同，因此將其進行割裂評價的結論具有局限性。鑒于此，通過基于風險的檢驗（Risk Based Inspection，RBI）和以可靠性為中心的維護（Reliability Centered Maintenance，RCM）分別計算站內靜設備、動設備的故障率，根據工藝流程將站場單元轉化為GO圖，并將GO圖映射至貝葉斯網絡，進而獲得站場的整體可靠性水平。

1" " 單體設備故障率計算

1.1" " 靜設備

對于儲罐、換熱器、空冷器、管道等靜設備，常通過采集介質數據、操作歷史和檢修記錄等信息，結合周邊環境及風險因素，采用RBI技術確定單體設備故障率。

由于每臺靜設備的運行工況、服役環境及管理方式均有所不同，故障率的計算應在確定同類基礎失效概率的基礎上，引入損傷系數和管理修正系數進行完善。API 581標準中規定了如硫化物應力開裂、硫化物應力導致氫致開裂、外部暴露腐蝕減薄、內部腐蝕減薄、保溫層下腐蝕減薄等一系列損傷機理，應根據現場情況選擇不同損傷機理對應的損傷系數計算方法[7-8]，最終公式如下：

1.2" " 動設備

對于泵、壓縮機、流量計、閥門等帶有零部件的轉動類設備，應在對主要功能部件進行失效模式影響分析的基礎上，明確故障模型、故障原因和故障影響，根據維修記錄統計故障周期，基于數理統計和RCM技術確定概率密度函數，并將故障時長眾數對應的概率密度函數值作為單體設備故障率[9]。

2" " 站場工藝流程可靠性分析

2.1" " GO法

GO法是一種以成功為導向的概率分析方法，可以將站場內不同區域的工藝流程通過原理圖或工程圖直接轉化為GO圖，有利于描述具有復雜時序的工藝狀態。GO圖由操作符和連接操作符的信號流組成，集輸站場常用的操作符有類型1（兩狀態單元）、類型2（或門）、類型5（信號發生器）、類型6（有信號而導通的元件）、類型10（與門）和類型11（M取K門）等。

2.2" " 貝葉斯網絡

考慮到GO法存在操作符眾多和計算復雜的問題，而貝葉斯網絡可實現多元信息融合，與GO法原理具有一致性，因此將GO圖向貝葉斯網絡圖進行映射和轉換[10]。映射邏輯如下：

1）將GO圖中的信號流進行逐一編號，將信號流i轉為根節點Si；

2）觀察信號流i的前驅操作符Oi類型，如Oi屬于類型5，則根據其本身的狀態概率建立根節點狀態概率分布；

3）如Oi屬于類型2、類型10、類型11等邏輯操作符，則將所有的輸入信號流作為父節點，將Si作為子節點，通過Oi邏輯關系確定條件概率表；

4）如Oi屬于類型1的功能操作符，則將輸入信號和操作符Oi轉化為根節點，Si作為子節點；

5）判斷Si是否為最終系統輸出信號，如i=n，則結束映射，如i≠n，則返回第2）步繼續轉換。

2.3" " 可靠性分析

基于RBI和RCM結果，確定單體設備的可靠性等級和檢驗周期，見表1。

[可靠性等級 故障率/（次/d） 檢驗周期 1 0～10-5 每5 a檢驗一次 2 10-5～10-4 3 10-4～10-3 每2～4 a檢驗一次 4 10-3～10-2 5 0.01～1 每1 a檢驗一次 ][表1" " 設備可靠性等級和檢驗周期]

根據貝葉斯網絡的正向計算能力，獲取處于穩定狀態下不同子系統的可靠性參數，包括故障率λ、維修率μ、平均維修時間t=1/μ、平均失效概率（穩態不可用度）A=λ/（λ+μ）和單位時間平均故障次數f=Aλ等[11]。

3" " 實例評價

3.1" " 基礎數據

某油田聯合站建于1977年，處理規模（純油）為300 × 104 t/a，負責5個斷塊油氣集輸、處理和加工，截至目前累計產液量4 931.88 × 104 t、產油量753.57 × 104 t，綜合含水95.78%。根據站場布局及功能劃分，將其分為油、氣、水三個工藝子系統。其中：油工藝子系統包括原油接收系統、原油處理系統、原油穩定系統、原油儲存系統、原油外輸系統、清管發送系統等；氣工藝子系統包括工藝氣及伴生氣接收系統、氣體脫水系統、氣體外輸系統、工藝放空系統；水工藝子系統包括除油沉降系統和分區增壓系統等。

3.2" " 設備可靠性分析

3.2.1" " 靜設備的故障率

利用RBI技術計算站內靜設備的故障率，結果見表2。其中，油工藝子系統中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐因涉及油、氣、水三相介質，在油水界面和油氣界面處的腐蝕速率較大，故損傷系數較大，單體設備故障率也較大，對照表1的可靠性等級均為3，建議每3 a檢驗一次。氣工藝子系統中閃蒸罐和再生塔塔頂空間因酸氣聚集，容易發生點蝕、氯化物應力腐蝕開裂或硫化物應力腐蝕開裂等；貧富液換熱器殼程中存在的H2S和CO2參與了腐蝕行為，且Cl-在點蝕坑中發生酸解自催化作用，這些設備的損傷系數均較大，對應可靠性等級為3，建議每2 a檢驗一次。水工藝子系統中，過濾器、氣浮裝置因懸浮物在裝置表面聚集，在較高的水處理溫度下，采出水中的活性分子數量增多，腐蝕性和結垢性離子的溶解度也增大，導致以內部腐蝕減薄為主的損傷系數較大，其對應的可靠性等級為4級，建議每1 a檢驗一次。

3.2.2" " 動設備的故障率

利用RCM技術計算站內動設備的故障率，以油工藝子系統的外輸泵為例進行分析。在此不區分不同部件的不同故障模式，以小時為單位統計無故障工作時間，見表3。對表中的數據進行線性擬合，并在顯著性水平0.05的條件下進行K-S檢驗，結果見表4。外輸泵故障數據服從所選的4種分布類型，從擬合優度和統計量看，威布爾分布的擬合優度最大、統計量最小，因此選擇威布爾分布作為故障數據最佳分布模型。

3.3" " 站場可靠性分析

以油工藝子系統中的原油穩定系統為例，從分離器或儲罐流出的原油進入換熱器復熱，隨后流入穩定塔，原油在塔內閃蒸，易揮發的組分在負壓作用下進入塔頂，塔底原油經一備一用的外輸泵增壓后外輸。按照上述流程建立GO圖，見圖2。圖2中的圓圈和三角形代表操作符，“5-1”中的“5”表示操作符類型、“1”表示操作符編號，箭頭線上的數字為信號流編號。GO圖操作符的可靠性數據見表6，表6中的故障率采用2.1節的計算結果。隨后，按照2.2節的映射規則，將圖2映射至貝葉斯網絡，建立原油穩定系統貝葉斯網絡拓撲圖，見圖3。圖3中每個節點只考慮成功和失敗兩種情況，節點Si和節點Oi分別對應信號流和操作符。

采用GeNie分析軟件，將故障率和維修率（根據現場維搶修記錄確定）代入模型，計算原油穩定系統物流流通成功或失敗的概率，得到該系統的故障率為6.27 × 10-4次/d，維修率為4.00 次/d，平均維修時間為0.25 d，平均失效概率為1.56 ×10-4，單位時間平均故障次數為9.82 × 10-8 次/d。隨后，計算油工藝子系統下屬其余系統的可靠性參數，再將其按照邏輯關系連接，得到油工藝子系統的整體可靠性參數。同理，得到氣工藝子系統和水工藝子系統的可靠性參數，進而獲得站場整體可靠性參數，貝葉斯網絡結構見圖4，可靠性結果見表7。

油工藝子系統中原油接收系統和原油處理系統的平均失效概率較大，這與來油含水率高，設備和管道腐蝕嚴重有關；原油儲存系統的平均失效概率最低，該站按照投產初期規劃和建設的儲罐區，目前產量只有設計時的1/3，50%的儲罐處于備用或閑置狀態，可以在其余儲罐檢修時予以利用，故現場基本沒有出現過儲罐檢修導致的停產；清管發送系統的平均失效概率也較低，這與清管存在一定周期有關，可在清管周期內完成設備檢修。氣工藝子系統中的平均失效概率均較高，這與工藝中涉及諸多復雜塔器、換熱器及閥門有關，失效概率大于油工藝子系統的失效概率。

隨著工藝流程的推進，站場整體平均失效概率為4.59 × 10-2，大于任何一個工藝子系統的平均失效概率，說明風險存在疊加作用，這與多米諾效應的原理一致，評價結果與現場實際相符，證明了本文模型的可靠性。

4" " 結論

1）基于RBI、RCM技術對站內單體設備失效率進行了評價，其中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐、閃蒸罐、再生塔、過濾器等設備的故障率較高，并根據故障率制訂了完善的檢測周期。

2）基于GO法和貝葉斯網絡完成了站場內工藝子系統及站場整體的可靠性評價，平均失效概率的大小與設備可用性、修復性和備用性等相關，建議平均失效概率較高的子系統縮短檢驗周期，并增設備用設備。

3）站場整體的平均失效概率為4.59×10-2，大于任何一個工藝子系統的平均失效概率，說明風險按照工藝物流走向不斷增加，存在風險疊加隱患。

參考文獻

[1]" 王輝，紀翔，洪亮.基于優化貝葉斯網絡的油氣管道失效風險安全評價[J].化工安全與環境，2023，36（1）：35-40.

[2]" 何文萱，唐海亮.天然氣站場關鍵靜設備失效規律分析[J].管道技術與設備，2023（3）：14-18，41.

[3]" 馬軍鵬，趙方琪，杜宇，等.基于人因可靠性分析的油氣站場SIL等級驗證[J].石油化工自動化，2022，58（4）：83-86.

[4]" 賈偉杰，張偉江，南婧怡，等.基于DEMATEL-SD模型的油氣站場系統風險評價和動態分析[J].石油工程建設，2023，49（5）：27-31.

[5]" 白媛媛，靳勇，聞偉，等.基于保護層效應的油氣站場罐區多米諾事故概率計算方法[J].石油工程建設，2023，49（2）：25-30.

[6]" 劉斌，賈志偉，劉萬斗，等.基于SIL分析的輸氣站場安全儀表系統定級與驗證[J].石油化工自動化，2022，58（3）：47-51.

[7]" 周然，李祥鋒，凌愛軍，等.基于API 581標準的海上壓力容器腐蝕定量風險評估[J].腐蝕與防護，2019，40（11）：826-830.

[8]" 周然，張曉蕾，李祥鋒，等.海上壓力容器腐蝕行為的風險與檢驗研究[J].中國腐蝕與防護學報，2020，40（6）：592-598.

[9]" 陸瀟，李鵬，龔繼明，等.基于RCM的離心式壓縮機維修策略研究[J].石油工業技術監督，2023，39（6）：1-5，19.

[10] 劉啟新，楊立，白旭，等.基于GO-貝葉斯方法的自主船舶操縱系統可靠性分析[J].中國造船，2023，64（4）：186-193.

[11] 姚安林，黃亮亮，徐濤龍.基于GO法的輸氣站場可靠性分析[J].石油學報，2016，37（5）：688-694.

作者簡介：

周" " 濤（1980—），男，四川廣安人，工程師，2010年畢業于西南石油大學石油工程專業，現主要從事采油基礎管理工作。

Email：592103039@qq.com

收稿日期：2024-05-15