基于風(fēng)險的石化裝置失效頻率評估技術(shù)應(yīng)用研究

張德全

(中國石化安全監(jiān)管局，北京 100728)

0 引言

在石油化工裝置運行周期中，裝置工藝單元失效率呈現(xiàn)浴盆曲線(Bathtub Curve)，在其所描述的“耗損失效期”，裝置工藝單元的失效風(fēng)險逐漸呈現(xiàn)“集中化”的特征，這會直接導(dǎo)致過程安全風(fēng)險的提高，安全隱患的增加。

根據(jù)裝置單元的反應(yīng)工藝、介質(zhì)的物化屬性、運行環(huán)境等參數(shù)，可以量化計算在役裝置工藝單元的失效頻率，評估裝置工藝單元失效產(chǎn)生泄漏火災(zāi)爆炸的發(fā)生概率，但受介質(zhì)成分的復(fù)雜性、運行環(huán)境的不確定性等因素影響，會使得計算失效率多為通用頻率或評估結(jié)果較為保守，與真實工況存在一定偏差，因此需要再對影響失效率的主要因素進(jìn)行有針對性的修正，消減偏差，保證在役石油化工裝置失效風(fēng)險量化評估的科學(xué)性與實用性。

1 我國在役石油化工裝置安全運行現(xiàn)狀

1.1 在役石油化工裝置可靠性運行現(xiàn)狀

隨著石油石化行業(yè)裝置操作和維護(hù)管理技術(shù)水平的不斷提升，目前我國石化生產(chǎn)裝置的運行周期從最初的1年一修，到3年2修，直至目前的4年一修或5年一修，與國外石化裝置4～6年的運行周期逐漸靠近，但關(guān)鍵性的支撐技術(shù)較國外還有一定差距。加之近年我國進(jìn)口原油比例提高，物料含硫量增加，酸值不斷升高[1,2]，這些因素將加劇設(shè)備裝置的腐蝕風(fēng)險。

相對裝置運行可靠性風(fēng)險的提升，我國石化裝置的檢維修技術(shù)較為滯后。首先，不同企業(yè)、不同地域缺乏統(tǒng)一的裝置檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；其次，檢修作業(yè)過程中很多操作人員缺乏專業(yè)的檢修技術(shù)和安全知識，大多是憑借經(jīng)驗開展檢修作業(yè)，對于裝置整體的穩(wěn)定運行會造成很大的影響；第三，我國大多數(shù)企業(yè)對于裝置設(shè)備設(shè)施的檢測是定期的，對于檢測周期內(nèi)的問題隱患，無法及時發(fā)現(xiàn)，再加上作業(yè)過程中的工作疏忽，就會促使裝置設(shè)備的隱患不易被發(fā)現(xiàn)，對裝置工藝單元失效頻率和后果嚴(yán)重度都會產(chǎn)生不利影響[3,4]。

1.2 國內(nèi)石化裝置安全風(fēng)險檢驗評估技術(shù)

目前國內(nèi)外通用的風(fēng)險檢驗評估技術(shù)是由美國石油協(xié)會(API)在上世紀(jì)90年代推出的RBI技術(shù)(Risk-Based Inspection),該項技術(shù)是通過研判對象裝置和設(shè)備部件的失效機(jī)理、工藝環(huán)境和檢驗周期、檢驗有效性等情況,對裝置工藝單元的基礎(chǔ)失效頻率有針對性的量化修正，為科學(xué)合理評估裝置運行風(fēng)險、延長裝置運轉(zhuǎn)的周期提供科學(xué)的決策支持。根據(jù)國外大型石化公司的應(yīng)用經(jīng)驗,采用RBI技術(shù)后,一般可減少裝置檢修和維護(hù)費用15%～40%[5](檢維修費用一般占裝置工藝單元整個壽命周期的30%左右)。

2 裝置通用失效頻率計算

a)失效場景的初步評估。失效場景可以結(jié)合PID圖中的工藝單元的特性，根據(jù)裝置工藝單元失效時工藝前后所能關(guān)斷或緊急切斷的閥門位置，劃分裝置工藝單元的失效單元，作為裝置工藝單元基礎(chǔ)失效評估單元；在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)泄漏孔徑大小，具體可以分為幾類有代表性的泄漏場景。

表1 代表性泄漏場景孔徑 mm

根據(jù)泄漏孔徑與泄漏時間(破裂場景主要考慮泄漏量)，能夠?qū)A(chǔ)評估單元的探測和緊急切斷系統(tǒng)動作以及人員響應(yīng)的時間進(jìn)行初步評估計算。

b)裝置工藝單元失效頻率計算。根據(jù)裝置工藝單元基礎(chǔ)失效評估單元的劃分情況，可以進(jìn)一步細(xì)分評估單元的裝置工藝單元種類，如壓力容器、工藝管線、閥門、法蘭和泵等；其次，對不同裝置工藝單元的數(shù)量、輸送介質(zhì)、工藝運行環(huán)境等進(jìn)行統(tǒng)計分析；根據(jù)輸送介質(zhì)分類進(jìn)行失效頻率的計算[6]。

F初始=A×dc(1+mDk)

(1)

式中：d——泄漏孔徑,mm；

D——裝置工藝單元連接管線的管徑,mm；

A、c、m、k——常數(shù)。

3 多因素耦合修正評估模型

3.1 致因機(jī)理模型

該模型主要從腐蝕泄漏角度出發(fā)，如減薄、酸性水腐蝕、CO2腐蝕等。各個因素下所包含的具體計算要素如圖1所示。

圖1 裝置工藝單元修正因子計算體系

根據(jù)不同致因機(jī)理，對其建立不同的破壞因子計算模型進(jìn)行量化計算，得到該裝置總體修正得分。以減薄模型為例，進(jìn)行論述[5]。

(2)

FIP——取2；

FDL——管段檢測因子；

FWD——常壓罐焊接檢測因子；

FAM——常壓罐維護(hù)因子；

FSM——常壓罐沉降因子；

FOM——在線監(jiān)測有效性因子。

(3)

式中：a——裝置運行壽命，a；

r——裝置腐蝕速率，mm/a；

t——裝置最新一次測厚值,mm。

此外，對于FOM的計算，需要根據(jù)裝置日常檢驗的有效性和檢驗周期進(jìn)行半定量的分析。根據(jù)裝置檢驗方式和完成度，可以對裝置各設(shè)備檢驗有效性進(jìn)行半定量的等級劃分，參見表2。

表2 檢驗有效性分類[8]

考慮到裝置某設(shè)備損傷速率較大或檢驗有效性差時，總體得分可能會很高，故設(shè)計以下規(guī)則換算，得到裝置工藝單元修正因子FE。如表3所示。

表3 裝置工藝單元修正因子換算規(guī)則

根據(jù)裝置失效頻率的計算公式，帶入裝置修正因子FE：

F致因=F初始×FE

(4)

可以得到裝置在致因機(jī)理下的失效風(fēng)險值，進(jìn)而初步量化對象裝置可靠性的安全運行水平。

3.2 點火概率修正模型

對于可燃?xì)怏w或閃蒸的可燃液體加壓泄漏，要考慮時間、氣液相態(tài)、泄漏壓力等因素。典型修正模型[9,10]見圖2。

圖2 計算可燃物質(zhì)泄漏后不同影響因素下的失效場景

各種場景的發(fā)生頻率計算見下式：

Fexplosin=Fleak×(1-Pimm,ign)×(Pdel,ign)×(Pexp/g/ign)

(4)

Ffire=Fleak×Pimm,ign+Fleak×(1-Pimm,ign)×(Pdel,ign)×(1-Pexp/g/ign)

(5)

Fenv=Fleak×(1-Pimm,ign)×(1-Pdel,ign)

(6)

式中：Fleak——初始泄漏頻率，次/a；

Pimm,ign——立即點火概率；

Pdel,ign——延遲點火概率；

Pexp/g/ign——延遲點火導(dǎo)致爆炸的概率。

針對不同泄漏場景的修正因子，帶入致因機(jī)理修正后的失效頻率值，可以進(jìn)一步量化實際工況下的裝置失效頻率。

F最終=F致因×Fenv/Fexplosin/Ffire

(7)

4 基于風(fēng)險的裝置失效頻率評估技術(shù)應(yīng)用實例

某石化企業(yè)罐區(qū)儲罐受運行時間久、儲存介質(zhì)為液態(tài)烴、氣候環(huán)境多雨水高溫等因素的綜合影響，罐底及管線存在減薄等情況較為嚴(yán)重，但目前未發(fā)生過安全事故，因此結(jié)合裝置工藝單元泄漏及修正評估技術(shù)，對該罐區(qū)進(jìn)行整體的裝置工藝單元失效風(fēng)險評估，為進(jìn)一步的事故后果模擬提供分析數(shù)據(jù)和構(gòu)建模擬場景?，F(xiàn)以其中一個工藝單元的裝置工藝單元失效評估為例進(jìn)行論述。

4.1 裝置工藝單元通用失效頻率計算

對液態(tài)烴罐區(qū)的裝置某工藝單元失效頻率分析，根據(jù)罐區(qū)提供的PID圖對主要工藝單元劃分基礎(chǔ)失效評估單元，并統(tǒng)計該單元下的裝置工藝單元類型、尺寸、數(shù)量和介質(zhì)物化屬性等，根據(jù)評估對象關(guān)注的失效場景，對某評估單元進(jìn)行中孔(6-50 mm)泄漏的失效分析，得到分析參數(shù)如表4。

表4 液態(tài)烴罐泄漏分析參數(shù)

根據(jù)以上情況，本單元的工藝物料為液相，根據(jù)其數(shù)據(jù)代入計算基礎(chǔ)失效頻率如表5。

表5 液態(tài)烴罐泄漏失效頻率 次/a

4.2 多因素耦合修正評估計算

4.2.1致因機(jī)理修正基礎(chǔ)泄漏頻率

根據(jù)罐區(qū)提供的測厚報告中名義厚度、實測厚度和運行壽命，計算得到泄漏單元防腐層的腐蝕速率cc：

(5)

式中：t——名義厚度,mm；

trd——實測厚度,mm；

age——運行壽命,a。

即cc=(1.653-1.637)/6=0.0027 mm/a

a×r/t=19×0.0027÷1.653=0.03

因此，根據(jù)基礎(chǔ)泄漏頻率和致因機(jī)理失效修正系數(shù)，綜合代入公式(4)可以得到該儲罐的泄漏風(fēng)險值。

F最終=0.006 5×0.225=0.001 5(次/a)

4.2.2點火概率修正泄漏風(fēng)險

根據(jù)致因機(jī)理修正基礎(chǔ)泄漏頻率后，再利用點火概率修正模型對泄漏風(fēng)險進(jìn)一步修正，作為裝置整性水平的基礎(chǔ)風(fēng)險發(fā)生頻率值使用。

針對該儲罐的現(xiàn)有保護(hù)層情況，考慮對點火概率發(fā)生的制約條件。

a)檢測及報警。在儲罐區(qū)等區(qū)域設(shè)有可燃?xì)怏w濃度超限報警器。在正常情況下，可燃?xì)怏w報警儀會檢測到可燃?xì)怏w的泄漏情況，如果發(fā)生濃度超限便會報警。但如果探頭失效或探測器出現(xiàn)其它問題，則有可能報警失效。按照保護(hù)層分析中的獨立保護(hù)層要求時的失效頻率，本單元評估中的檢測及報警系統(tǒng)的失效影響因子取0.1。

b)ESD關(guān)斷。按照保護(hù)層分析中的獨立保護(hù)層要求時的失效頻率，本單元評估中的ESD失效影響因子取0.1。

c)延遲關(guān)斷。如果發(fā)生泄漏時沒有及時關(guān)斷或緊急關(guān)斷系統(tǒng)失效，則可能導(dǎo)致物料泄漏時間延長，或直至泄完為止。但在此過程中，空氣中可燃?xì)怏w的增加，或工藝中壓力及其流量的變化都會反映到中控室，以便進(jìn)行相關(guān)的關(guān)斷措施。

延遲關(guān)斷會導(dǎo)致一個短期的泄漏后果，短期的泄漏有可能引發(fā)進(jìn)一步的火災(zāi)或爆炸。因此本次延遲關(guān)斷的失效影響因子按0.25考慮。

根據(jù)上述約束條件并結(jié)合罐區(qū)實際情況，將泄漏時間劃分為即刻泄漏(300 s)、短時泄漏(600 s)和長時泄漏(1 800 s)，事件樹的分析見圖3。

從事件樹可知，發(fā)生泄漏時各種場景發(fā)生的概率為：

即刻泄漏(180 s/300 s)概率=0.9×0.9/0.9×0.5=0.81/0.45=1.8；

短時泄漏(600 s)概率=0.9×0.1×0.75+0.1×0.45/0.9×0.5×0.75+0.1×0.45=0.1125/0.3825=0.289；

長時泄漏(1 800 s)概率=1-0.81-0.1125/1-0.45-0.3825=0.0775/0.1675=0.437。

圖3 罐區(qū)某單元點火概率修正分析

對以上概率進(jìn)行年制換算，帶入致因機(jī)理修正后的泄漏風(fēng)險值綜合修正后，得到該罐區(qū)工藝單元的最終失效頻率，見表6。

表6 罐區(qū)工藝單元最終失效頻率 (次/a)

借助各類泄漏場景的失效頻率，以及定量風(fēng)險評估技術(shù)，可以對裝置工藝單元的各泄漏場景對應(yīng)后果進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步分析評估該裝置的整體風(fēng)險等級和風(fēng)險值。

5 結(jié)語

基于風(fēng)險的裝置失效頻率是對不同致因機(jī)理和點火概率下的裝置可靠性運行的量化分析，其計算結(jié)果受裝置泄漏機(jī)理、點火概率、工藝運行參數(shù)的影響較大，需要通過裝置工藝單元多因素耦合失效修正模型對偏差進(jìn)行合理性調(diào)整，這些分項綜合形成了裝置工藝單元失效風(fēng)險量化評估技術(shù)。

綜合來看，裝置失效風(fēng)險評估技術(shù)不僅可以對在役裝置的可靠性水平進(jìn)行精確評估，還可以為裝置后果影響分析及模擬計算提供基礎(chǔ)失效頻率數(shù)據(jù)，更符合實際工況；同時在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步計算罐區(qū)整體的累積風(fēng)險發(fā)生頻率，便于開展針對整套和全廠性煉化裝置的定量風(fēng)險評估，并可以進(jìn)一步為企業(yè)制訂安全距離、應(yīng)急響應(yīng)措施等方面提供支撐性的技術(shù)方案。