在線分析小屋儀器失效概率與安全間距研究*

仇亞洲，吳 瑕，劉汗青，胡 燮

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2.瑞麗海關(guān)，云南 瑞麗 678600)

0 引言

天然氣長輸管道的在線分析儀器通常安裝在天然氣站場內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的在線分析小屋內(nèi)，用于自動測量、分析天然氣的成分或物性參數(shù)，分析結(jié)果不僅反映現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵指標(biāo)、還直接參與天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換[1-3]。因此一旦發(fā)生在線分析小屋內(nèi)儀器失效，將嚴(yán)重影響天然氣長輸管道的平穩(wěn)、高效運(yùn)行。但是在線分析小屋受站場布局及自身運(yùn)輸、安裝等需求限制，通常尺寸有限，分析儀器通常布局緊湊，部分儀器的安裝間距甚至不足0.3 m[4]。因此，若分析小屋內(nèi)某一在線分析儀器發(fā)生設(shè)備超壓、樣氣氣路堵塞等失效事故[5]，易燃易爆的天然氣樣氣將極有可能通過燃燒、爆炸等失效后果波及屋內(nèi)其他儀器設(shè)備，由此引發(fā)一系列緊密排布的分析儀器連鎖失效?？梢?，相比常規(guī)設(shè)備的失效過程，在線分析小屋的儀器失效過程更為復(fù)雜、后果更為嚴(yán)重，因此如何準(zhǔn)確獲取在線分析小屋內(nèi)儀器的失效概率從而指導(dǎo)儀器設(shè)備的安全管理就顯得尤為重要。

目前，針對如色譜儀、質(zhì)譜儀等靜設(shè)備的失效概率計(jì)算方法，國內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究。在輸氣站場設(shè)備失效研究領(lǐng)域，目前常用的方法包括故障樹法[6-7]、指標(biāo)評價(jià)法[8]和基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(Risk-Based on Inspection，簡稱RBI)技術(shù)[9-10]。但是，現(xiàn)有方法卻難以表征在線分析小屋內(nèi)儀器間的連鎖失效過程，難以準(zhǔn)確分析出連鎖失效所附加的風(fēng)險(xiǎn)對于儀器設(shè)備失效概率的影響。

針對上述問題，以RBI技術(shù)為基礎(chǔ)，考慮在線分析小屋檢測儀器間連鎖事故附加的失效概率影響，建立在線分析儀器失效概率計(jì)算方法，結(jié)合固有失效概率與關(guān)聯(lián)失效概率計(jì)算方法，計(jì)算其總失效概率，以便更加合理、客觀地反映在線分析小屋檢測儀器的真實(shí)失效概率，并最終提高儀器設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，探究在線分析儀器間的安全間距，為在線分析儀器的合理布局提供依據(jù)。

1 失效概率計(jì)算方法

在線分析儀器在分析小屋內(nèi)的布局尚未明確規(guī)定，《在線分析儀器系統(tǒng)通用規(guī)范》(GB/T 34042—2017)[1]中給出的在線分析小屋典型平面布置如圖1所示。該圖表明，現(xiàn)階段在線分析儀器的布局過于緊湊，儀器間連鎖事故效應(yīng)不容忽視。而連鎖事故效應(yīng)的升級向量一般考慮為沖擊波超壓、爆炸碎片和熱輻射[11-12]，由于在線分析小屋空間密閉且分析樣氣有限，可忽略熱輻射影響；對于體積小于500 m3的設(shè)備對其爆炸碎片問題通常不作考慮。因此，本文研究的分析儀器間連鎖事故效應(yīng)主要是通過沖擊波超壓來傳遞的。

圖1 在線分析小屋典型平面布置Fig.1 Typical layout plan of on-line analyzer house

假定在線分析小屋內(nèi)有4個在線分析儀器(輸氣站場一般最多配置4臺)，編號分別為1，2，3和4，由于儀器間的連鎖事故效應(yīng)，4臺在線分析儀器通過沖擊波超壓而相互影響、破壞。那么在計(jì)算某一設(shè)備的失效概率時(shí)，其余3個設(shè)備中，任意設(shè)備超壓爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓造成這一設(shè)備的失效都將作為設(shè)備失效因素，進(jìn)行概率的附加。此時(shí)，若計(jì)算分析儀1的失效概率，則應(yīng)為分析儀1自身泄漏的固有失效概率與分析儀2，3，4超壓爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓導(dǎo)致分析儀1失效的關(guān)聯(lián)失效概率之和(為便于區(qū)分，將分析儀1稱評價(jià)儀器，分析儀2，3，4統(tǒng)稱非評價(jià)儀器)，其計(jì)算如式(1)所示：

F1=P11+(P21+P31+P41)

(1)

式中：F1為分析儀1的失效概率；P11為分析儀1的固有失效概率；P21，P31，P41為分析儀2，3，4超壓失效附加的關(guān)聯(lián)失效概率。

式(1)即為建立的考慮連鎖事故效應(yīng)的在線分析儀器失效概率計(jì)算方法。關(guān)聯(lián)失效概率計(jì)算方法原理如圖2所示。

圖2 關(guān)聯(lián)失效概率計(jì)算方法原理Fig.2 Principle of calculation model for associated failure probability

其中固有失效概率通過API RP 581—2016標(biāo)準(zhǔn)即可求得，而關(guān)聯(lián)失效概率則基于物理爆炸模型結(jié)合高斯分布函數(shù)計(jì)算求得，將二者相加即可得到評價(jià)儀器的總失效概率。將求得的失效概率帶入API RP 581—2016標(biāo)準(zhǔn)中，進(jìn)行后續(xù)設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。具體評價(jià)流程如圖3所示。

圖3 在線分析小屋分析儀器失效概率定量評價(jià)流程Fig.3 Quantitative evaluation process of analyzer failure probability in on-line analyzer house

1.1 在線分析儀器固有失效概率計(jì)算方法

在線分析儀器固有失效概率是在早期由API RP 581—2016版本的基礎(chǔ)上，根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步整合、調(diào)整得到，計(jì)算公式[10]如式(2)所示：

Pf(t)=gff·Df(t)·FMS

(2)

式中：Pf(t)為固有失效概率，次/a；gff為通用失效概率，次/a；Df(t)為設(shè)備損傷因子；FMS為企業(yè)管理因子。

其中，通用失效概率gff由原文件中同類設(shè)備通用失效概率數(shù)據(jù)庫得到。

Df(t)由式(3)或式(4)計(jì)算求得。若設(shè)備存在局部腐蝕，則損傷因子Df(t)計(jì)算如式(3)所示：

(3)

若設(shè)備為全面腐蝕，損傷因子Df(t)計(jì)算如式(4)所示：

(4)

企業(yè)管理因子FMS反映了企業(yè)管理水平對機(jī)械完整性的影響，其計(jì)算關(guān)鍵是基于標(biāo)準(zhǔn)中總結(jié)的13類指標(biāo)102個問題采用面談和問卷調(diào)查的形式對站場進(jìn)行評分，得到管理系統(tǒng)評價(jià)分值，然后將其轉(zhuǎn)換為企業(yè)管理因子，轉(zhuǎn)換計(jì)算如式(5)所示：

(5)

式中：Score為管理系統(tǒng)評價(jià)分值。

1.2 在線分析儀器關(guān)聯(lián)失效概率計(jì)算方法

非評價(jià)儀器爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓導(dǎo)致評價(jià)儀器失效的關(guān)聯(lián)失效概率，是非評價(jià)儀器發(fā)生超壓爆炸的概率(初始事件概率)與產(chǎn)生的沖擊波超壓導(dǎo)致評價(jià)儀器失效的概率之積。

1.2.1 初始事件概率

目前，在線分析儀器發(fā)生超壓爆炸的相關(guān)事故數(shù)據(jù)非常有限，只能采用一些相似設(shè)備數(shù)據(jù)作為參考。將分析儀器視為承壓容器，采用OREDA Offshore Reliability-Date Handbook.4th Edition[13]中的有關(guān)壓力容器超壓破裂損壞的失效概率，記為fIn。

1.2.2 沖擊波超壓導(dǎo)致評價(jià)儀器失效的概率

基于TNT當(dāng)量法[14]求解評價(jià)儀器遭受的沖擊波超壓值；通過高斯分布函數(shù)將沖擊波超壓值轉(zhuǎn)化為失效概率值。

1)沖擊波超壓值計(jì)算

將儀器的爆炸能量等效為TNT炸藥的當(dāng)量，基于沖擊波超壓相等原則，將儀器爆炸與已知的TNT炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓相關(guān)聯(lián)。

①盛裝氣體的壓力容器的爆炸能量

氣體壓力容器的爆炸能量計(jì)算如式(6)所示：

(6)

式中：Eg為容器內(nèi)氣體的爆炸能量，J；p為氣體爆破前的絕對壓力，MPa；V為容器體積(無液體時(shí))，m3；k為氣體絕熱指數(shù)。

②TNT當(dāng)量值計(jì)算

TNT當(dāng)量值計(jì)算如式(7)所示：

(7)

式中：WTNT為TNT當(dāng)量值，即容器爆炸產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量相當(dāng)于TNT炸藥量，kg。

③沖擊波超壓值計(jì)算

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，如果距離爆炸中心的距離R之比與炸藥量q的3次方根之比相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同[14]，其關(guān)系如式(8)所示：

(8)

式中：R為目標(biāo)與爆炸中心距離，m；R0為目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的距離，m；q0為基準(zhǔn)爆炸能量，相當(dāng)于TNT炸藥量，kg；q為爆炸時(shí)產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量，相當(dāng)于TNT炸藥量，kg；Δp為目標(biāo)處的超壓，MPa；Δp0為基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa；a為炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)的模擬比。

此時(shí)，儀器爆炸產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量WTNT即為q。1 000 kg TNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)，目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的距離和目標(biāo)處超壓值的關(guān)系見表1。

表1 1 000 kg TNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓Table 1 Shock wave overpressure generated when 1 000 kg TNT explosives explode in air

由式(8)可知，若計(jì)算得到TNT當(dāng)量q且已知儀器設(shè)備的實(shí)際距離R，即可得到模擬實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的距離R0，基于表1[14]結(jié)合拉格朗日插值法估算相應(yīng)距離的沖擊波超壓值。

2)沖擊波超壓造成儀器失效的概率計(jì)算

采用基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高斯分布函數(shù)概率模型[15]計(jì)算由沖擊波超壓導(dǎo)致評價(jià)儀器失效的概率，計(jì)算如式(9)所示：

(9)

式中：f為沖擊波超壓導(dǎo)致評價(jià)儀器失效的概率；u為積分變量；Y為評價(jià)儀器失效概率單位值，其確定方式見表2[16]。

表2 事故擴(kuò)展概率計(jì)算模型Table 2 Calculation model of accident expansion probability

1.2.3 在線分析儀器關(guān)聯(lián)失效概率計(jì)算

在線分析儀器關(guān)聯(lián)失效概率為非評價(jià)儀器發(fā)生超壓爆炸的初始事件概率fIn與產(chǎn)生的沖擊波超壓造成評價(jià)儀器失效的概率f的乘積，計(jì)算如式(10)所示：

P=fIn·f

(10)

式中：P為在線分析儀器關(guān)聯(lián)失效概率，次/a；fIn為非評價(jià)儀器超壓破裂損壞的失效概率，次/a。

1.3 在線分析儀器失效概率計(jì)算方法

基于式(1)，可得評價(jià)儀器的失效概率，如式(11)所示：

(11)

式中：F為評價(jià)儀器的失效概率，次/a；n為非評價(jià)儀器的數(shù)量。

2 安全間距計(jì)算方法

目前，在線分析小屋檢測儀器的布局沒有明確的距離規(guī)定。針對分析小屋內(nèi)可能出現(xiàn)的連鎖事故效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)建立分析儀器間的安全間距計(jì)算方法。

安全間距的計(jì)算方法主要是基于上述已知的1 000 kg TNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓結(jié)合TNT當(dāng)量法完成的。首先，基于表1與高斯分布函數(shù)概率模型得到?jīng)_擊波超壓值、關(guān)聯(lián)失效概率與相當(dāng)距離的關(guān)系，具體關(guān)系如圖4所示。

圖4 沖擊波超壓值、關(guān)聯(lián)失效概率與相當(dāng)距離的關(guān)系Fig.4 Relationship between shock wave overpressure value,associated failure probability and equivalent distance

由圖4可知，隨著相當(dāng)距離的增大，沖擊波超壓先快速下降后緩慢遞減，值得注意的是，當(dāng)相當(dāng)距離大于45 m后，沖擊波超壓值下降曲線斜率接近于1；隨著相當(dāng)距離的增大，儀器間關(guān)聯(lián)失效概率先保持為1不變后急劇下降最終變化趨于平緩，且相當(dāng)距離等于45 m時(shí)，分析儀間關(guān)聯(lián)失效概率小于20%。當(dāng)相當(dāng)距離大于45 m并繼續(xù)增大時(shí)，沖擊波超壓值變化不再明顯，儀器間關(guān)聯(lián)失效概率減小趨勢漸緩，且由式(8)可知，當(dāng)在線分析儀器爆破能量q確定時(shí)，相當(dāng)距離R0增大會導(dǎo)致儀器間實(shí)際距離R的增大，進(jìn)一步擴(kuò)大在線分析小屋尺寸，將增加其建設(shè)和維護(hù)成本。因此，可最終確定相當(dāng)距離R0為45 m作為限定值，反算出在線分析儀器間的安全間距R。計(jì)算如式(12)所示：

(12)

3 計(jì)算方法應(yīng)用

為明確建立計(jì)算方法的應(yīng)用效果，本文以西南地區(qū)某輸氣站場在線分析小屋為例，采用上述方法對在線分析儀器的失效概率進(jìn)行計(jì)算。

3.1 在線分析小屋概況

該在線分析小屋內(nèi)部空間尺寸長、寬、高分別為3.5 m，2.5 m，2.7 m，屋內(nèi)壁面安裝有HYGROPHIL HCDT水烴露點(diǎn)分析儀1臺、AMETEK 933型H2S分析儀1臺和GC800氣相色譜分析儀1臺，對應(yīng)的儀器體積分別為0.214 m3，0.038 m3與0.208 m3，在線分析儀器壁面布置如圖5所示。采樣單元將取出的樣氣通過3條獨(dú)立的樣氣管道輸送至各分析單元的工作壓力分別為2.70 MPa，0.56 MPa與0.70 MPa?，F(xiàn)以水烴露點(diǎn)分析儀為例，用上述方法計(jì)算該分析儀的失效概率。

圖5 在線分析儀器壁面布置Fig.5 Wall layout of on-line analyzers

3.2 失效概率計(jì)算

3.2.1 水烴露點(diǎn)分析儀固有失效概率

(13)

表3 水烴露點(diǎn)分析儀損傷因子值Table 3 Damage factor values of water hydrocarbon dew point analyzer

對該輸氣站場進(jìn)行管理系統(tǒng)評分，總得分為753分，經(jīng)式(5)計(jì)算可得企業(yè)管理因子FMS=0.316，具體操作過程可參見API RP 581—2016。

經(jīng)多年實(shí)際應(yīng)用后，API RP 581—2016對通用失效概率數(shù)值進(jìn)行了修改與統(tǒng)一，為3.06×10-5次/a。

通過固有失效概率計(jì)算公式得到水烴露點(diǎn)分析儀的固有失效概率為Pf(t)=4.834×10-5次/a。

3.2.2 水烴露點(diǎn)分析儀關(guān)聯(lián)失效概率

1)初始事件概率

在本例中，初始事件概率即為H2S分析儀或氣相色譜儀發(fā)生超壓爆炸的概率，由Offshore Reliability-Date Handbook數(shù)據(jù)庫得到2承壓設(shè)備爆破概率均為2.009×10-5次/a。

2)關(guān)聯(lián)失效概率

由在線分析儀器壁面布置圖得到水烴露點(diǎn)分析儀與其他設(shè)備的間距，通過式(6)～(10)和表1可得非評價(jià)儀器產(chǎn)生的沖擊波超壓值及關(guān)聯(lián)失效概率，計(jì)算結(jié)果見表4。(取水烴露點(diǎn)分析儀樣氣k=1.25，H2S分析儀樣氣k=1.29，氣相色譜儀樣氣k=1.38)

表4 水烴露點(diǎn)分析儀失效的關(guān)聯(lián)失效概率Table 4 Associated failure probability for failure of water hydrocarbon dew point analyzer

3.2.3 水烴露點(diǎn)分析儀失效概率

通過式(11)可得水烴露點(diǎn)分析儀的失效概率為7.687×10-5次/a。

3.3 安全間距計(jì)算

以本例來說明計(jì)算安全間距的操作流程。首先，由式(6)～(7)計(jì)算水烴露點(diǎn)分析儀、H2S分析儀與氣相色譜儀的TNT當(dāng)量值q依次為246.142×10-3，5.181×10-3，34.987×10-3kg。取TNT當(dāng)量值較高的水烴露點(diǎn)分析儀與氣象色譜儀為布局依據(jù)。然后，由式(12)可知，當(dāng)確定相當(dāng)距離R0=45 m，基準(zhǔn)TNT炸藥量q0=1 000 kg時(shí)，計(jì)算得到其他儀器距離水烴露點(diǎn)分析儀與氣相色譜儀的安全間距R應(yīng)分別不小于2.82，1.47 m。

該計(jì)算結(jié)果可應(yīng)用于在線分析小屋設(shè)計(jì)初期對分析儀器的位置進(jìn)行規(guī)劃；同時(shí)，也可對已投入應(yīng)用的在線分析小屋進(jìn)行位置調(diào)整。為方便儀器管理，如果在線分析小屋的一面墻壁足夠分布3個儀器則可安排到一面，若不能滿足，應(yīng)當(dāng)考慮多面墻壁布置。這里給出2種在線分析儀器調(diào)整方式，如圖6所示。

圖6 在線分析儀器布局調(diào)整結(jié)果示意Fig.6 Schematic diagram for layout adjustment results of on-line analyzers

4 結(jié)論

1)基于本文提出的失效概率計(jì)算方法，當(dāng)考慮分析小屋內(nèi)連鎖事故效應(yīng)造成的附加影響后，水烴露點(diǎn)分析儀的失效概率較固有失效概率增大59%，失效概率的急劇增大將直接影響后續(xù)設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)等級劃分從而影響儀器的維護(hù)維修資源的分配，傳統(tǒng)計(jì)算方法無法正確反映在線分析儀器面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

2)結(jié)合TNT當(dāng)量法，提出分析小屋內(nèi)在線分析儀器安全間距的計(jì)算方法，計(jì)算得到其他儀器距離水烴露點(diǎn)分析儀與氣相色譜儀的安全間距應(yīng)分別不小于2.82，1.47 m。該方法對于在線分析儀器的布局、安裝具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值，可推廣應(yīng)用于其他分析小屋。

3)由于國內(nèi)尚未建立輸氣站場領(lǐng)域的失效概率數(shù)據(jù)庫，選擇不同的數(shù)據(jù)庫將導(dǎo)致不同的失效概率結(jié)果；同時(shí)，在選擇相似設(shè)備代替分析儀器發(fā)生初始事件概率時(shí)，選擇不同的相似設(shè)備，得到結(jié)果也會有所差異，但整體上均體現(xiàn)了失效概率的增大。