輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析及評價方法研究

姚安林曾明友曾明勇

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院 成都 610500) (2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610500)

輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析及評價方法研究

姚安林1，2曾明友1曾明勇1

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院 成都 610500) (2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610500)

本文在總結(jié)國內(nèi)外輸油站場風(fēng)險(xiǎn)評價技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，將風(fēng)險(xiǎn)評價的時間節(jié)點(diǎn)前移到系統(tǒng)各個單元發(fā)生故障之前，通過辨識輸油站場在運(yùn)行期間所面臨的故障誘因，結(jié)合不同故障模式可能產(chǎn)生的后果，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法建立起輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價模型。首先采用故障樹分析法（FTA）對輸油站場各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識，從而明確故障風(fēng)險(xiǎn)要素；然后采用專家評分的方式對各風(fēng)險(xiǎn)要素和故障模式影響后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行評價，得出各個區(qū)塊的故障發(fā)生可能性等級和后果嚴(yán)重度等級，將所得到的等級對應(yīng)到風(fēng)險(xiǎn)矩陣中即可得出各區(qū)塊的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級；最后根據(jù)各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊的分配權(quán)重判斷出輸油站場整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平。

輸油站場 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn) 風(fēng)險(xiǎn)源辨識 風(fēng)險(xiǎn)評價 FTA

輸油站場作為長輸管道系統(tǒng)的核心部位，承擔(dān)著向管輸原油提供熱量和壓力的任務(wù)。我國油氣站場風(fēng)險(xiǎn)評價技術(shù)尚處于探索階段，由于站場設(shè)備眾多、工藝復(fù)雜、主輔設(shè)備的失效概率相差很大，使得進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價的難度增大，所以傳統(tǒng)的站場風(fēng)險(xiǎn)評價基本上是基于站內(nèi)主體設(shè)備發(fā)生完全失效事故的臨界點(diǎn)來建立的評價模型[1，2]。這樣的評價結(jié)果由于缺乏考慮站場輔助設(shè)備事故對站場風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)影響，所以無法實(shí)現(xiàn)對站場運(yùn)行故障的預(yù)警，顯然喪失了風(fēng)險(xiǎn)評價對大量輕微事故的預(yù)報(bào)功能。然而無論從海因里希安全法則[3]，還是從完整性管理的基本理念[4-5]來看，及時排除輕微事故或事故隱患都是預(yù)防嚴(yán)重事故發(fā)生的最有效和最節(jié)省的辦法。因此進(jìn)行輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析的目的就是期望通過辨識出可能導(dǎo)致站場輕微事故的隱患，實(shí)現(xiàn)輸油站場安全管理的關(guān)口前移，從而達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)管控成本，保證輸油站場持續(xù)安全運(yùn)行的目的。

鑒于上述原因，本文在總結(jié)輸油站場風(fēng)險(xiǎn)評價研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，將研究重點(diǎn)放在輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析上，把風(fēng)險(xiǎn)評價的時間節(jié)點(diǎn)向前推移到各個系統(tǒng)單元發(fā)生故障之前。采用故障樹分析方法對輸油站場各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識和敏感性分析，結(jié)合各種故障模式可能導(dǎo)致的人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞的影響后，在采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對輸油站場風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行定性評價，為輸油站場管理人員實(shí)時管控輸油站運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素提供決策依據(jù)。

1 輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析及評價基本思路

運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與傳統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)分析的區(qū)別在于[6]：運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析著眼于系統(tǒng)發(fā)生故障的狀態(tài)，分析重點(diǎn)除系統(tǒng)中的關(guān)鍵主體設(shè)備之外，還需要更多地關(guān)注配套輔助設(shè)備發(fā)生故障或者失效導(dǎo)致主體設(shè)備不能正常運(yùn)行的情況，這種故障往往在較短時間內(nèi)具有可修復(fù)性；傳統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)分析的著眼點(diǎn)是站場主體設(shè)備發(fā)生失效，甚至發(fā)生火災(zāi)爆炸等嚴(yán)重事故，達(dá)到這一臨界點(diǎn)的事故往往在短期內(nèi)是難以修復(fù)的。

本文首先按照風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊劃分原則，依據(jù)原油流向把輸油站場劃分為清管器收發(fā)裝置區(qū)、加熱爐區(qū)、輸油泵機(jī)組區(qū)、閥組區(qū)四個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊，采用故障樹分析方法對各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識后，辨識出各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊的重大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源，采用專家評分的方式對各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，最后依據(jù)工程實(shí)際賦予各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊不同的權(quán)重，得出輸油站的整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值，具體分析過程如圖1所示。

圖 1 輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析及定性評價技術(shù)路線圖

2 輸油站場區(qū)塊運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析

本文在此以輸油站的加熱爐區(qū)為例，采用故障樹分析方法對其進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識。其余風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊按相同方法進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源分析，限于篇幅這里不再詳述。

目前，長輸管道的原油加熱方式有直接加熱和間接加熱兩種[7]。直接加熱是原油直接流經(jīng)加熱爐，吸收燃料燃燒放出的熱量；間接加熱是原油通過中間介質(zhì)在換熱器中吸收熱量，達(dá)到升溫的目的。

本文僅研究長輸管道中使用較多的直接加熱方式。直接加熱方式最常見的設(shè)備是管式加熱爐。本文以管式加熱爐及其輔助儀器儀表為主要研究對象，采用故障樹分析方法對加熱爐區(qū)進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.1 加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹建立

根據(jù)安全理論，使用故障樹分析方法，將加熱爐運(yùn)行故障作為頂事件，從頂事件開始，分析加熱爐運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的故障模式及其原因作為中間事件或基本事件，運(yùn)用邏輯推理方法，分析導(dǎo)致起因的中間事件與基本事件的關(guān)系，最后判斷出加熱爐運(yùn)行故障的各種影響因素。根據(jù)加熱爐在輸油站工藝流程中的作用，建立起加熱爐運(yùn)行故障樹，如圖2所示，圖2中符號所代表的事件見表1。

圖2 加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹

表1 加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹事件表

2.2 加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹最小割集分析

在加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹中，能夠?qū)е马斒录l(fā)生的基本事件的集合稱為割集。能引起頂事件失效的基本事件的最小組合稱為最小割集，最小割集能夠指出發(fā)生哪一種基本事件或組合時就會發(fā)生事故，因而可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)[8]。

本文采用布爾代數(shù)求解：

T=F1+F9+F19

=X1+X2X3+X2X4+X2X5+X6+X7+X8+X3X9+ X4X9+X5X9+X10+X11+X12+X13+X14X15X16+X17 +X18+X19+X20+X21+X22+X23X24+X25+X26+X27 +X28+X29+X30+X31+X32

從上述分析可知，加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹共有30個最小割集，其中一階最小割集22個占總數(shù)的73.3%，二階最小割集7個占總數(shù)的23.3%，三階最小割集1個占總數(shù)的3.4%，以一階最小割集為主。

2.3 加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹底事件的結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度是指不考慮基本事件自身的發(fā)生概率，或者說假定各基本事件的發(fā)生概率相等，僅從結(jié)構(gòu)上分析各個基本事件對頂上事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度反映了底事件對頂事件發(fā)生所做貢獻(xiàn)大小的量度[9]。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)可用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

kj——第j個最小割集；

Nj(j∈kj)——底事件i位于kj的底事件數(shù)；

xi∈kj——第i個底事件屬于第j個最小割集；

Ii——第i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹基本事件結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算結(jié)果如下：

I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22=I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32=1.0

I2=I9=0.875

I3=I4=I5=0.75

I23=I24=0.5

I14=I15=I16=0.25

根據(jù)上述故障樹底事件結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，按照相對重要程度對各底事件進(jìn)行排序，結(jié)果如下：

（I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22=I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32）＞（I2=I9）＞（I3=I4=I5）＞（I23=I24）＞（I14=I15=I16）

從加熱爐區(qū)運(yùn)行故障樹的底事件結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序結(jié)果可以得出：X1、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X17、X18、X19、X20、X21、X22、X25、X26、X27、X28、X29、X30、X31和 X32的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大，其次是X2和X9，然后是X3、X4和X5，接著是X23和X24，最后是X14、X15和X16。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)越大，對應(yīng)的底事件對加熱爐運(yùn)行故障的影響越大。由此可見，為了在隨后的風(fēng)險(xiǎn)評價中抓住主要矛盾，可選取結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大的22個底事件作為分析加熱爐區(qū)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的基本風(fēng)險(xiǎn)因素。

3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣評價法

風(fēng)險(xiǎn)具有兩維性，對于一個給定的設(shè)備，其風(fēng)險(xiǎn)的大小由該設(shè)備事件發(fā)生的概率和事件相聯(lián)系的后果來確定[10]。風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)表示式為：風(fēng)險(xiǎn)=失效概率×失效后果[11]。對于輸油站的單個區(qū)塊運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)RBI技術(shù)，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法進(jìn)行表征[12]。該方法是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的定義，將評價的結(jié)果放入5×5的矩陣，按高、較高、中等、較低及低風(fēng)險(xiǎn)來分級，水平軸代表故障發(fā)生可能性的等級，垂直軸代表失效后果的嚴(yán)重程度等級，其中嚴(yán)重程度分為人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞三個維度，由于這三類后果不具有可疊加性，所以在實(shí)際評價中可選取三類后果中最高級別的作為后果嚴(yán)重程度等級來判定區(qū)塊運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本文建立如圖3所示的風(fēng)險(xiǎn)矩陣。

圖3 輸油站場運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價矩陣示意圖

3.1 運(yùn)行故障可能性評價

這里僅對所有結(jié)構(gòu)重要度最大的基本事件進(jìn)行分析，由于缺乏可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，本文在此采用專家打分的方法對各個故障可能性進(jìn)行評分（滿分100分），根據(jù)故障發(fā)生的可能性將其分為五個等級：[0，20]為不可能發(fā)生，（20，40]為極少發(fā)生，（40，60]為有時發(fā)生，（60，80]為很可能發(fā)生，（80，100]為頻繁發(fā)生，見表2。

表2 輸油站場運(yùn)行故障可能性評價指標(biāo)表

組織一支對輸油站場非常熟悉的5位專家組成的專家評價小組，對某輸油站加熱爐區(qū)運(yùn)行故障發(fā)生可能性影響因素進(jìn)行評價。按照每個專家的評分結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均后得到該站加熱爐區(qū)故障發(fā)生可能性評分見表3。

表3 輸油站加熱爐區(qū)故障可能性專家評分表

綜合各個一階最小割集的邏輯關(guān)系，對導(dǎo)致加熱爐區(qū)四種故障模式的基本事件的可能性評分進(jìn)行加權(quán)平均后，得出加熱爐區(qū)發(fā)生四種主要故障模式的可能性評分見表4。

表4 輸油站加熱爐區(qū)故障可能性專家評分表

同時組織專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)同類輸油站歷史故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定各個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊的權(quán)重，并據(jù)此計(jì)算出整個輸油站場運(yùn)行故障可能性評分見表5。

表5 輸油各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊故障可能性專家評分表

3.2 運(yùn)行故障嚴(yán)重性評價

由專家組對于每個風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊分別按照人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境破壞三個評價指標(biāo)對其后果嚴(yán)重程度進(jìn)行評價，結(jié)果見表6。

表 6 輸油站各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊運(yùn)行故障后果嚴(yán)重度評價表

以各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊在人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞三類后果中最高級別的作為該區(qū)塊的運(yùn)行故障后果嚴(yán)重度等級；以輸油站場各個區(qū)塊中級別最高的作為站場整體運(yùn)行故障后果嚴(yán)重性等級，依據(jù)圖3所示的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖可得綜合評價結(jié)果見表7。

表 7 輸油站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級

4 結(jié)論

1）利用故障樹分析方法辨識輸油站場在運(yùn)行過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素有助于明確引起運(yùn)行故障的主要誘因，從而節(jié)省風(fēng)險(xiǎn)評價的成本。

2）雖然運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素一般不會直接導(dǎo)致輸油站發(fā)生重大安全事故，但是如不加以管控，隨著輸油站場運(yùn)行時間的延長，極有可能誘發(fā)站場的重大安全事故。

3）站場管理人員依據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)來制定站場設(shè)備的安全維護(hù)計(jì)劃有助于進(jìn)一步將預(yù)防站場事故的關(guān)口前移，提高安全管理措施的針對性，真正體現(xiàn)完整性管理策略中“治早、治小”的管理理念。

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[國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題：2011BAK06B01-11]

Analysis of Risk Factors in Oil Transmission Station Operation and its Assessment Methodology

Yao Anlin1,2Zeng Mingyou1Zeng Mingyong1
(1. Petroleum & Natural Gas Engineering Institute, Southwest Petroleum University Chengdu 610500) (2. Oil & Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province Chengdu 610500)

Based on the summarizing of research on the oil station risk assessment technology at home and abroad, in this paper, the risk evaluation time is forwarded to the time before each unit fails in the system; by the identification of the fault cause in oil transmission station operation, combining with the probable result of different failure modes, the oil station operation risk assessment model is established using risk matrix method. Firstly, this paper use fault tree analysis (FTA) to recognize the risk sources of various risk module in oil transmission stations operation, and clears failure risk factors. Then, with the method of expert evaluation on various risk factors and failure modes to evaluate the severity of the consequences, the failure possibility of various blocks and consequences severity level is concluded, the getting level is corresponded to the risk matrix to obtain operation risk level of each block. According to the risk allocation weights of different blocks, the overall risk level of oil station is estimated.

Oil transmission station Operation risk Risk source identification Risk assessment Fault tree analysis

X933.4

B

1673-257X(2015)09-0019-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.09.005

姚安林(1959～),男，教授，長期從事油氣儲運(yùn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價與完整性管理技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。

2015-07-04）