天然氣處理廠基于風險和可靠性的安全現(xiàn)狀評價技術應用

姜海一 苗 銳 楊鐮菠 謝國山 何 萌

（1.新疆維吾爾自治區(qū)特種設備檢測研究院 烏魯木齊 830011）

（2.中石化西南油氣分公司 成都 610000）

（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

某氣田凈化廠2014年投產(chǎn)運行至今，其火炬系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及公用工程裝置一直處于連續(xù)運行狀態(tài)，未進行任何停工檢修，暴露問題如下：

1）火炬系統(tǒng)存在高壓火炬頭的流體密封器折流板部分脫落；高、低壓備用火炬高能點火器失效，不能點燃；火炬單元壓力容器和壓力管道一直未進行停工檢修。

2）工業(yè)控制系統(tǒng)中操作站/工程師站的Win7操作系統(tǒng)已停止維護，漏洞不能更新，存在頻繁死機、電源頻繁故障、部分卡件停產(chǎn)和備件不足等問題；控制器點位負荷遠超設計要求，目前無法正常開展在線自診斷檢查，備用點位通道基本用完，無后續(xù)新增點位的安裝空間；控制系統(tǒng)檢修未隨各聯(lián)合裝置的設備檢修同步進行。

3）電氣SCADA系統(tǒng)后臺監(jiān)控和五防系統(tǒng)已連續(xù)運行7年，存在死機、后臺遠程訪問無數(shù)據(jù)上傳、服務器通訊中斷、后臺監(jiān)控畫面缺失、現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭黑屏、通道擁堵等問題；部分變配電所未開展停工檢修；全廠機柜間UPS無“脫機維修旁路”，當輸入輸出板件發(fā)生故障時，無法保證儀表不間斷供電。

4）公用工程的除氧器設計能力有限，無法實現(xiàn)單臺系列檢修，進水總管的“T”型過濾器發(fā)生堵塞，未設計備用旁路。儀表風事故球罐僅能維持全廠20 min儀表風供應需求。PSA制氮效率達不到設計負荷，特殊工況需液氮補充，程控閥門動作頻繁（約1次/50 s），潛在故障率較高。循環(huán)水系統(tǒng)在夏季部分高溫時段給水溫度超過設計要求，各系統(tǒng)相互獨立且無備用，抗風險能力降低。公用工程車間及圖幅約180套重點關鍵閥門至今未檢修。壓力容器和壓力管道一直未進行停工檢修。燃料氣系統(tǒng)易發(fā)生燃料濾芯堵塞及燃燒器槍管結(jié)焦，導致火焰回火燒壞燃燒器。

為明確火炬、工業(yè)控制和電氣系統(tǒng)以及公用工程裝置長周期生產(chǎn)運行所帶來風險管控難度和風險值大小，對其進行專業(yè)化定量安全現(xiàn)狀評估，識別并定量評估潛在風險和隱患，并提出基于風險和可靠性的優(yōu)化檢維修策略。

1 關鍵技術

RBI（Risk-Based Inspection）是以設備單元的失效破壞可能性和失效導致的后果為分析對象，通過對生產(chǎn)裝置中每個設備單元固有或潛在的失效模式而導致的危險及其后果進行定性或定量的分析和評估來量化風險的大小、確定設備的風險等級、發(fā)現(xiàn)主要設備薄弱環(huán)節(jié)、對風險等級較高的設備單元給予重點關注并施以針對性檢驗的風險評估和管理過程。RBI評估流程[1]如圖1所示，本次采用GB/T 26610全定量評估方法，失效可能性類型為概率，后果類型為經(jīng)濟后果，失效可能性等級劃分[2]和風險可接受準則[1]按GB/T 26610方法，后果等級劃分見表1，不可接受風險范圍為中高風險、高風險以及失效可能性大于3的評價單元，并給出評估風險等級與中石化安全風險矩陣中重大風險、較大風險、一般風險和低風險的對應關系。

圖1 RBI評估流程

表1 RBI評估后果等級劃分

RCM（Reliability Centered Maintenance）是確定有形資產(chǎn)在其使用背景下維修需求的一種過程。對系統(tǒng)進行功能和故障模式分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障模式的發(fā)生可能性、后果及風險；用規(guī)范化的邏輯決斷方法，根據(jù)風險和故障原因，確定出各故障模式的預防性維修、預測性維修、故障查找、重新設計和事后維修等對策；通過故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，制定以維修停機損失最小為目標優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。本次RCM評估的流程如圖2所示，采用定量評估方法，首先進行設備級篩選風險分析，然后對篩選得出的中風險和高風險設備進行故障模式級FMEA（失效模式和后果影響分析）和風險分析，并將故障模式最高風險等級定為設備最終風險等級，最后對中風險及以上的故障模式進行故障原因分析，并針對故障原因提出檢維修策略。失效可能性等級劃分、失效后果等級劃分和風險可接受準則執(zhí)行中石化安全風險矩陣。

圖2 RCM評估流程

2 評價應用情況

2.1 確定評估范圍

考慮到風險評估方法的適用性，選取火炬系統(tǒng)和公用工程裝置所有86臺壓力容器和240條壓力管道作為評估對象?？紤]到可靠性評估方式是基于部件、故障模式和故障原因逐級分解的，評估工作量巨大，只選取50個關鍵系統(tǒng)部件和設備進行評估，而缺少檢測數(shù)據(jù)的消防水埋地管網(wǎng)、預測性維修措施較完善的轉(zhuǎn)動設備以及失效后果較低的常壓容器，未納入評估范圍。

2.2 識別潛在損傷模式和故障模式

采用GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》的72個損傷模式庫[3]，識別出壓力容器和壓力管道具有大氣腐蝕、高溫硫化物腐蝕（氫氣/無氫環(huán)境）、酸式酸性水腐蝕、堿式酸性水腐蝕、鍋爐冷凝水腐蝕、含氧工藝水腐蝕、堿腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、堿應力腐蝕開裂、球化、振動疲勞、沖刷和沖蝕等潛在損傷模式。通過文獻調(diào)研[4-22]，識別出191種故障模式及其故障原因和解決措施，結(jié)合實際情況，確定評估采用其中50種故障模式，火炬系統(tǒng)故障模式見表2。

表2 火炬系統(tǒng)調(diào)研的故障模式

2.3 RBI評估

評估了2021年10朋30日、2022年10朋30日和2023年10朋30的風險分布結(jié)果（如圖3所示）。首個評估時間點對應中石化安全風險矩陣52個較大風險、41個一般風險和251個低風險，無重大風險。2021年10朋30日評估結(jié)果中不可接受風險（中高風險和高風險以及失效可能性大于3）的評價單元為88個，應盡快安排降險檢驗。2022年10朋30日和2023年10朋30日分別增至91個和99個，裝置整體風險水平大幅升高，安全隱患進一步加大，應盡快降險。

圖3 RBI評估結(jié)果

不可接受風險評價單元主要為：公用工程裝置的含有硫化氫的酸性水管道、液硫管道、胺液管道以及排污水管道、303與412單元的凝結(jié)液管道和動力站排污水管道（內(nèi)部減薄的失效概率高）；火炬分液罐、水封罐和酸性水管道（應力腐蝕的失效概率高）；凈化風事故球罐（內(nèi)部減薄和外部腐蝕的失效概率高）；圖幅單元的大口徑（φ475 mm）含硫天然氣和凈化天然氣管道（失效后果高）。

2.4 RCM評估

RCM評估結(jié)果如圖4所示，50個關鍵系統(tǒng)部件和設備的RCM評估結(jié)果中屬于中高風險和中風險（分別對應中石化安全風險矩陣的較大風險和一般風險）的均占26.0%，其余為低風險（對應中石化安全風險矩陣的低風險），風險水平較高，主要集中在火炬系統(tǒng)的流體密封、工業(yè)控制系統(tǒng)的DCS控制器、電氣系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的交換機和快切裝置以及公用工程裝置動力站的除氧器等。

圖4 RCM評估結(jié)果匯總

在70個故障模式級評估中，中高風險有14個（占19.4%），中風險有16個（占22.2%），風險水平較高，主要集中在火炬系統(tǒng)（如流體密封折流板掉落等）、工業(yè)控制系統(tǒng)（如DCS控制器不穩(wěn)定輸出等）、電氣系統(tǒng)（如SCADA系統(tǒng)交換器控制系統(tǒng)通訊堵塞和快切裝置電源模塊故障致功能失效等）以及公用工程裝置動力站（如除氧器負荷不足將影響工藝運行并加劇鍋爐水-蒸汽系統(tǒng)腐蝕等）?；鹁嫦到y(tǒng)、DSC系統(tǒng)和公用工程裝置的關鍵系統(tǒng)部件和設備的風險等級及對應各故障模式的失效可能性等級以及后果等級，見表3～表5。

表3 火炬系統(tǒng)RCM評估結(jié)果

表4 DCS系統(tǒng)RCM評估結(jié)果

表5 公用工程設備RCM評估結(jié)果

對中風險及以上故障模式進行故障原因分析，得到154個故障原因。針對各故障原因，提出檢維修建議措施，包括預測性維修類（13個）、預防性維修類（46個）、故障查找類（17個）、重新設計類（27個）和事后維修類（49個），其中涉及檢驗、檢測、點檢、測試和更換/升級等措施需停車實施。流體密封器故障原因和檢維修策略分析結(jié)果見表6。

表6 流體密封器故障原因和檢維修策略分析結(jié)果

2.5 評價結(jié)論及管理建議

通過綜合評價分析，得出未檢修系統(tǒng)和裝置存在不可接受風險的設備和事故隱患，整體風險水平較高，影響運行可靠性，盡快實施停車檢修和軟硬件升級，并積累數(shù)據(jù)以進一步排查故障模式，保障裝置長周期安全運行。涉及高風險和中高風險的系統(tǒng)部件/設備的管理建議如下：

1）立即整改措施：火炬系統(tǒng)的流體密封器和火炬頭長明燈系統(tǒng)屬于中高風險，其“增加高壓火炬放空管網(wǎng)的燃料氣補氣量”等立即整改措施應馬上整改。DCS系統(tǒng)的控制器、系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡安全設備屬于中高風險，其“升級后更換控制器，滿足擴容的需求”等應盡快停車實施。SIS系統(tǒng)的SM控制器和CISCO交換機屬于中高風險，其“升級后更換控制器，滿足擴容的需求”等應盡快停車實施。電氣系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)交換機和快切裝置屬于中高風險，其“對交換機進行升級優(yōu)化”等應盡快停車實施。公用工程裝置的除氧器屬于中高風險，其“增加1臺除氧器”等應盡快停車實施。

2）周期性預防措施：火炬系統(tǒng)的流體密封器和火炬頭長明燈系統(tǒng)屬于中高風險，其“停車維修”等應實施周期性停車檢修。DCS系統(tǒng)的控制器、I/O卡件和靜電轉(zhuǎn)換開關屬于中高風險，其“每3～4年（檢修周期）點檢1次”等實施周期性停車檢修。SIS系統(tǒng)的SM控制器、SMI/O卡件和CISCO交換機屬于中高風險，其“每3～4年（檢修周期）點檢1次”等實施周期性停車檢修。電氣系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)交換機和快切裝置屬于中高風險，其“每3～4年（檢修周期）點檢1次”等實施周期性停車檢修。公用工程裝置的除氧器屬于中高風險，其“定期停車內(nèi)部檢修”等實施周期性停車檢修。本次所評價的系統(tǒng)和設備中，除了巡檢和法檢設備在線降險檢驗外，涉及停車檢修和周期性點檢等均需要全廠停車檢修。建議對火炬系統(tǒng)和公用工程裝置中不可接受風險的法檢設備進行在線降險檢驗，并在到達上一檢驗周期后采用有效的檢驗方法實施停工檢驗。

3）長期管控建議：火炬系統(tǒng)的流體密封器和火炬頭長明燈系統(tǒng)屬于中高風險，其“日常加強中控室人員技能操作培訓”等措施應長期管控實施。

4）事后維修：對于較低風險的故障模式，可以優(yōu)化檢維修資源，以事后維修的方式開展工作。

3 總結(jié)和展望

本次安全現(xiàn)狀評價，在故障模式文獻調(diào)研基礎上，對法檢設備進行風險評估，對關鍵系統(tǒng)部件和設備進行定量可靠性評估，確定了系統(tǒng)部件和設備以及對應故障模式的風險水平，故障原因和檢維修策略，并提出停車檢修前的管理建議，取得預定的評估效果，主要經(jīng)驗如下：

1）對關鍵系統(tǒng)和設備的故障模式進行大量調(diào)研，提高故障模式識別的準確性；

2）依托成熟軟件，采用定量分析方法，提高風險評估和可靠性分析的質(zhì)量和效率；

3）搭建關鍵系統(tǒng)和設備的失效概率庫、故障模式庫、故障原因庫和檢維修策略庫，有利于企業(yè)的故障識別、故障分析和故障處置能力提升；

4）將基于風險和可靠性的管理理念深入人心，為深入開展完整性管理和實施動態(tài)風險評估及可靠性分析打下基礎；

5）本安全現(xiàn)狀評估方法可推廣至其他煉化企業(yè)的安全隱患排查治理等工作。