油氣集輸站場失效可能性定量評價(jià)方法研究*

周夏伊，劉 慧，陳 林，馮大成，牟鵬飛

(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.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

目前，油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)已日漸成熟并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但與管道相比，站場內(nèi)設(shè)備眾多，壓力高，工藝復(fù)雜，運(yùn)行操作難度大，不同設(shè)備的屬性和失效機(jī)理也不相同[1-2]。在油氣站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法研究過程中，大致可分為定性、半定量和定量評價(jià)方法。

定性評價(jià)方法過于依賴評價(jià)人員的主觀判斷[3]，主要有危險(xiǎn)與可操作性分析法和指標(biāo)體系評價(jià)法等，曹濤等[4]在長輸油氣管道站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，通過HAZOP法分析偏差產(chǎn)生的原因識(shí)別出站場存在的隱患；施林圓等[5]在四川輸氣站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的研究中，使用指標(biāo)體系評價(jià)法建立1套輸氣站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論體系，并應(yīng)用在四川10個(gè)輸氣站的風(fēng)險(xiǎn)管理中，取得較好的效果。

半定量評價(jià)方法以評價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過判斷各指標(biāo)對整體的重要性程度，給各指標(biāo)分配權(quán)重值，準(zhǔn)確性比定性評價(jià)方法精確[6]，主要包括專家評價(jià)法、肯特打分法等，蔣宏業(yè)[7]在油田聯(lián)合站風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作中，通過故障樹分析法分析設(shè)備的失效因素，通過層次分析法確定各級(jí)失效因素的權(quán)重，對聯(lián)合站風(fēng)險(xiǎn)管理工作具有指導(dǎo)意義。

定量評價(jià)方法基于失效概率數(shù)據(jù)庫，通過建立數(shù)學(xué)模型，對失效概率進(jìn)行修正得到實(shí)際站場的失效概率[8]，該方法計(jì)算過程復(fù)雜但結(jié)果準(zhǔn)確性高，應(yīng)用最廣泛的是定量RBI評價(jià)技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者研究在此方面獲得較大進(jìn)展[9-11]，美國頒布了標(biāo)準(zhǔn)《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12]，成為油氣站場完整性管理的指導(dǎo)性文件[12]，國內(nèi)學(xué)者也將API 581應(yīng)用到站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，為油氣站場的完整性管理工作提供理論支持[13-15]。

但在已有的定量評價(jià)方法研究中只進(jìn)行了設(shè)備失效概率的計(jì)算，沒有計(jì)算站場整體的失效概率。油氣站場的設(shè)備是共同完成對石油、天然氣處理及運(yùn)輸工作的，設(shè)備之間是相互聯(lián)系的，單獨(dú)計(jì)算每個(gè)設(shè)備的失效概率對于整個(gè)站場風(fēng)險(xiǎn)管理工作提供的指導(dǎo)不夠全面。為解決此問題，本文在運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12](下文簡稱為“標(biāo)準(zhǔn)”) 計(jì)算設(shè)備失效概率基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)可靠性分析方法GO法計(jì)算站場整體的失效概率。

1 油氣集輸站場失效可能性定量評價(jià)方法

站場失效可能性評價(jià)包括設(shè)備失效概率計(jì)算、設(shè)備安全等級(jí)狀況確定、站場可靠性參數(shù)計(jì)算和站場失效可能性等級(jí)確定。

1.1 站場設(shè)備失效概率計(jì)算方法

通過計(jì)算損傷因子和管理系統(tǒng)修正因子來修正設(shè)備的基礎(chǔ)失效概率，設(shè)備基礎(chǔ)失效概率數(shù)據(jù)基于美國石化公司統(tǒng)計(jì)的設(shè)備失效數(shù)據(jù)[12]，見表1。

表1 站場設(shè)備基礎(chǔ)失效概率

管理系統(tǒng)修正因子可借鑒“標(biāo)準(zhǔn)”[12]管理系統(tǒng)評價(jià)打分表，從站場領(lǐng)導(dǎo)和管理、工藝安全信息、工藝危害性分析和管理變更等101個(gè)問題進(jìn)行打分得到管理系統(tǒng)分值，最后將管理系統(tǒng)分值轉(zhuǎn)換成管理系統(tǒng)修正因子FMS[12]，如式(1)所示：

(1)

式中：FMS為管理系統(tǒng)修正因子；score為管理系統(tǒng)分值。

設(shè)備損傷因子大小由多種損傷機(jī)理共同決定?！皹?biāo)準(zhǔn)”[12]中損傷因子從設(shè)備腐蝕減薄、脆性斷裂、高溫氫損傷、應(yīng)力腐蝕和外部損傷等方面進(jìn)行評價(jià)。針對站場實(shí)際情況可選用不同的損傷因子計(jì)算方法，其中最常見的就是腐蝕減薄情況，可使用減薄腐蝕損傷因子計(jì)算管道和設(shè)備的具體損傷情況。

1)腐蝕速率

計(jì)算腐蝕減薄因子首先需要確定設(shè)備的單位腐蝕速率Art[12]，如式(2)所示：

(2)

式中：Art為設(shè)備單位壁厚的腐蝕量，mm；Cr,bm為設(shè)備腐蝕速率，mm/a；trdi為設(shè)備本次檢測時(shí)壁厚，mm；age為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，a。

2)設(shè)備強(qiáng)度比

設(shè)備強(qiáng)度比與設(shè)備內(nèi)壓、直徑、部件形狀和流動(dòng)應(yīng)力有關(guān)[12]，如式(3)所示：

(3)

3)檢驗(yàn)效果評價(jià)因子

損傷因子的準(zhǔn)確性還與檢驗(yàn)有效性有關(guān)，檢驗(yàn)有效性可通過后驗(yàn)概率確定，而后驗(yàn)概率又與有效性因子、先驗(yàn)概率和條件概率有關(guān)[12]，如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

4)腐蝕減薄因子

(6)

(7)

(8)

式中：設(shè)COVΔt=0.20,COVSf=0.20,COVP=0.05，腐蝕破壞程度1，2，3對應(yīng)的腐蝕速率因子DS1=1,DS2=2,DS3=4。

1.2 設(shè)備安全狀況等級(jí)確定

根據(jù)設(shè)備損傷因子大小可以確定設(shè)備的安全狀況等級(jí)，不同安全狀況等級(jí)對應(yīng)不同的檢測周期[12]。設(shè)備安全狀況等級(jí)和檢測周期見表2。

表2 設(shè)備安全狀況等級(jí)及檢測周期

1.3 站場可靠性參數(shù)計(jì)算方法

可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定的條件和時(shí)間范圍內(nèi)能夠無故障地完成指定功能的概率，是對部件、設(shè)備或系統(tǒng)完整性最佳數(shù)量的度量[16-17]。GO法是1種較新的可靠性分析方法，在實(shí)際應(yīng)用案例中表明GO法在油氣站場失效可能性評價(jià)中具有很強(qiáng)的適用性。采用GO法求解油氣站場可靠性參數(shù)，主要包括以下步驟：

1)油氣站場子系統(tǒng)劃分

由于油氣站場工藝流程復(fù)雜，所以先按站場平面布局和工藝流程特點(diǎn)將站場劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，主要包括油氣接收、處理、儲(chǔ)存、增壓、外輸?shù)茸酉到y(tǒng)。

2)建立子系統(tǒng)GO圖模型

根據(jù)實(shí)際工藝流程圖建立GO圖模型，將站場設(shè)備轉(zhuǎn)化為兩狀態(tài)單元操作符，操作符之間通過代表邏輯關(guān)系的操作符連接，常用的邏輯操作符主要包括或門、與門和M取K門。操作符連接形成的GO圖模型具有串聯(lián)、并聯(lián)或者串聯(lián)包含并聯(lián)的邏輯關(guān)系，見圖1～2所示。

圖1 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的GO圖

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)的GO圖

3)求解站場子系統(tǒng)及整體可靠性值

通過GO操作符串聯(lián)、并聯(lián)運(yùn)算法則，即可求得各子系統(tǒng)的可靠性值[18]。最后，將各子系統(tǒng)的GO圖模型串聯(lián)組成站場整體的GO圖模型，通過串聯(lián)運(yùn)算法則得到站場可靠性參數(shù)，如表3所示。

表3 系統(tǒng)可靠性參數(shù)

1.4 站場失效可能性等級(jí)評價(jià)

站場失效可能性等級(jí)由停工概率大小確定，失效可能性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4[12]。

表4 站場失效可能性等級(jí)

2 油氣集輸站場評價(jià)實(shí)例

某油田聯(lián)合處理站位于陜西省靖邊縣寧條梁鄉(xiāng)境內(nèi)，原油處理規(guī)模為1 300 m3/d。該油田產(chǎn)出原油含水率41%，站場運(yùn)行5 a后各設(shè)備都發(fā)生了不同程度的腐蝕。該站場主要負(fù)責(zé)原油裝卸、加熱、油氣分離、原油脫水、原油儲(chǔ)存等功能，主要工藝設(shè)備包括：2 000 m3鋼制拱頂凈化油罐4具、2 000 m3溢流沉降罐4具，100 m2來油換熱器2臺(tái)、2 m2單量換熱器4臺(tái)、三相分離器 2 臺(tái)、雙容積量油分離器計(jì)量 4 套、總機(jī)關(guān)及收球筒4座、裝車泵2臺(tái)、齒輪泵2臺(tái)。

2.1 站場設(shè)備失效分析

該站場工藝設(shè)備的失效概率數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)表5設(shè)備損傷因子大小，確定該站場設(shè)備的安全狀況等級(jí)及檢測周期：沉降罐、凈化油罐、單量油換熱器、流量計(jì)和計(jì)量分離器為3等級(jí)，其中計(jì)量分離器、流量計(jì)和單量油換熱器損傷因子偏大，建議每3 a檢測1次；沉降罐和凈化油罐損傷因子最小，建議每4 a檢測1次。收球筒、三相分離器、裝車泵、齒輪泵和來油換熱器為4等級(jí)，其中三相分離器和裝車泵損傷因子相對較大，建議每1 a檢測1次；收球筒、齒輪泵和來油換熱器相對較小，建議每2 a檢測1次。

表5 站場設(shè)備失效概率

2.2 站場子系統(tǒng)失效分析

根據(jù)該站場原油生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，將其劃分為5個(gè)子系統(tǒng)：原油接收計(jì)量子系統(tǒng)、原油加熱子系統(tǒng)、原油脫水子系統(tǒng)、原油儲(chǔ)存子系統(tǒng)和原油外輸子系統(tǒng)。以原油脫水子系統(tǒng)為例，建立GO圖模型，如圖3所示，根據(jù)GO操作符的定量計(jì)算公式，計(jì)算得到子系統(tǒng)的失效概率和停工概率。原油脫水子系統(tǒng)的GO操作符和可靠性參數(shù)見表6～7。

圖3 原油脫水子系統(tǒng)GO圖模型

表6 原油脫水子系統(tǒng)GO圖操作符

表7 原油脫水子系統(tǒng)等效可靠性參數(shù)

2.3 站場整體失效分析

該站場由5個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)而成，通過串聯(lián)邏輯計(jì)算公式算得站場整體的可靠性參數(shù)，見表8。該站場穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)處于停工狀態(tài)的平均概率為1×10-2，查表4得該站場的失效可能性等級(jí)為4級(jí)：較高等級(jí)。

表8 站場等效可靠性參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，原油接收子系統(tǒng)和脫水子系統(tǒng)的停工概率相對較高，加熱子系統(tǒng)的停工概率最低，這和現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研的情況基本相同。由于來油含水率較高，接收和脫水子系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備和管道腐蝕最嚴(yán)重，修復(fù)率和失效率相對高；而原油加熱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，來油換熱器一備一用，所以現(xiàn)場基本沒有出現(xiàn)過由于換熱器損壞而停工的情況。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符，說明本文提出的計(jì)算方法是完全可行且準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

1)基于定量RBI技術(shù)和系統(tǒng)可靠性分析方法，建立1套油氣集輸站場失效可能性定量評價(jià)體系，計(jì)算和分析得到站場設(shè)備失效概率、站場子系統(tǒng)及整體的失效可能性值，為站場維護(hù)及安全生產(chǎn)運(yùn)行工作提供更加客觀的依據(jù)。

2)以某油田聯(lián)合處理站為實(shí)例對象，計(jì)算得到工藝設(shè)備失效概率、各子系統(tǒng)及站場整體的可靠性參數(shù)，并以此為依據(jù)判斷站場的失效可能性等級(jí)。理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研情況基本相同，說明本文提出的計(jì)算方法是完全可行且準(zhǔn)確的。

3)根據(jù)站場設(shè)備損傷因子可劃分設(shè)備的安全等級(jí)，用以更加合理地安排設(shè)備的檢查周期，對于失效概率高的設(shè)備，建議縮短檢測周期并設(shè)置備用設(shè)備，對于失效概率低的設(shè)備，可以適當(dāng)延長檢測周期。如實(shí)例分析中有5個(gè)設(shè)備安全狀況等級(jí)為4級(jí)，其中三相分離器和裝車泵損傷因子相對較大，建議每1 a檢測1次；收球筒、齒輪泵和來油換熱器相對較小，建議每2 a檢測1次；另外5個(gè)設(shè)備安全狀況等級(jí)為3級(jí)，其中計(jì)量分離器、流量計(jì)和單量油換熱器損傷因子偏大，建議每3 a檢測1次；沉降罐和凈化油罐損傷因子最小，建議每4 a檢測1次。

4)由站場子系統(tǒng)失效可能性分析，可以得出系統(tǒng)停工概率高低和系統(tǒng)內(nèi)是否設(shè)置備用設(shè)備有關(guān)，如原油脫水子系統(tǒng)未設(shè)置備用設(shè)備，所以該系統(tǒng)的停工概率較高。因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，對于停工概率較高的系統(tǒng)可以設(shè)置備用設(shè)備提高子系統(tǒng)的可用度，保障站場工作安全正常運(yùn)行。

5)全定量的油氣集輸站場失效可能性評價(jià)方法更加科學(xué)準(zhǔn)確，但計(jì)算過程相對復(fù)雜，所涉及到的參數(shù)眾多，選取參數(shù)的準(zhǔn)確性直接決定了最后計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以現(xiàn)場調(diào)研時(shí)需要更加全面和細(xì)致的資料。另外，為提高工作效率，后期還可將評價(jià)方法通過編程集成軟件，方便油氣集輸站場安全評價(jià)工作的推進(jìn)。