基于韋伯分布與RBI理論修正的加氫母站設(shè)備可靠性分析

周嬌,鮑磊*,于安峰,凌曉東,2,劉金玲,2,姜雪,2

(1.中石化安全工程研究院有限公司,化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266000;2.中石化國(guó)家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心有限公司,青島 266000)

氫能以其清潔、高效、安全、可持續(xù)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),被稱為20世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉碵1]。近年來(lái),中國(guó)氫能事業(yè)蓬勃發(fā)展,加氫母站的建設(shè)也逐漸興起,加氫母站是氫能供應(yīng)鏈的終端環(huán)節(jié),連接著上游制備與下游應(yīng)用,其安全可靠性運(yùn)營(yíng)管理是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在[2]。同時(shí),由于氫氣密度小極易擴(kuò)散,易發(fā)生燃燒爆炸等特性,加氫母站或與其相似氫儲(chǔ)能園區(qū)的安全評(píng)價(jià)分析逐漸受到專家學(xué)者的研究關(guān)注[3-4]。與國(guó)外加氫母站相比,中國(guó)加氫母站建設(shè)時(shí)間較晚,在建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、質(zhì)量等方面存在一定的差距,加氫母站設(shè)備的失效數(shù)據(jù)也較少,很難從中獲取失效規(guī)律進(jìn)行加氫母站的安全可靠性分析,因此相關(guān)的研究也處于初期階段。但設(shè)備失效的狀況會(huì)隨著設(shè)備服役時(shí)間而逐漸顯露,安全保障應(yīng)防患于未然,才能使生產(chǎn)事故率降至較低水平,因此,加氫母站設(shè)備的失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可靠性分析極為重要,這對(duì)于實(shí)現(xiàn)加氫母站的運(yùn)行平穩(wěn)有序及安全可靠具有重要意義。

針對(duì)加氫母站設(shè)備的安全可靠性分析,相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了一些研究。其中,葉召陽(yáng)[5]通過(guò)介紹加氫母站工藝流程和主要設(shè)備,揭示了氫安全問(wèn)題已經(jīng)充斥在氫氣的制、儲(chǔ)、運(yùn)和加氫母站等各個(gè)環(huán)節(jié),亟需采用科學(xué)手段來(lái)保障氫安全問(wèn)題,但如今針對(duì)加氫母站的安全分析研究處于起步狀態(tài)。阮錦添等[6]通過(guò)加氫母站工藝流程、操作關(guān)鍵點(diǎn),探討運(yùn)行過(guò)程中的隱患問(wèn)題,并提出相應(yīng)的措施對(duì)策。鄭津洋等[7-9]通過(guò)對(duì)氫能設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀的深入剖析,指出由于設(shè)計(jì)與使用問(wèn)題,中國(guó)加氫母站設(shè)備存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn),但專家學(xué)者對(duì)于儲(chǔ)氫設(shè)備在失效模式、可靠性分析等方面的研究存在不完善之處與部分理論缺失,建議加強(qiáng)加氫母站設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)與安全可靠性研究。陳曄等[10]對(duì)加氫母站的氫泄漏、火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了梳理分析,并分析了加氫母站不同區(qū)域的消防安全措施。金星[11]對(duì)加氫母站進(jìn)行了事故樹(shù)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與事故的定量評(píng)估,并對(duì)從降低事故危害角度給加氫母站提出安全措施與建議。根據(jù)以上研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn),由于中國(guó)暫未建立氫能設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù),大部分學(xué)者對(duì)于加氫母站的可靠性分析多是在理論框架、問(wèn)題措施方面的定性研究,而對(duì)于加氫母站設(shè)備可靠性的定量研究較少,僅有的定量分析也多在失效后果分析方面,對(duì)于設(shè)備失效概率的量化多使用國(guó)外數(shù)據(jù)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)評(píng)判,準(zhǔn)確性和適用性待查。但風(fēng)險(xiǎn)包括風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性(即失效概率)和失效所造成的后果,除了定量分析后果影響外,定量化的失效概率分析也是準(zhǔn)確量化失效風(fēng)險(xiǎn)中不可或缺的一環(huán),否則可能造成風(fēng)險(xiǎn)量化不準(zhǔn)確甚至不能識(shí)別設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的事故鏈后果。因此,加氫母站設(shè)備失效概率分析亟待探索與應(yīng)用適應(yīng)性強(qiáng)的研究方法,為加氫母站的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供重要參考依據(jù)。

鑒于此,現(xiàn)基于雙參數(shù)韋伯分布方法建立加氫母站失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模型,結(jié)合經(jīng)典基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(risk based inspection,RBI)理論,分析加氫母站特有失效機(jī)理模式,提出氫損傷修正因子,形成加氫母站設(shè)備可靠性分析模型,填補(bǔ)中國(guó)加氫母站設(shè)備可靠性分析方面的缺失,為找出加氫母站工藝流程中的薄弱環(huán)節(jié)以及運(yùn)營(yíng)、管理、決策提供參考。

1 研究方法

主要通過(guò)雙參數(shù)韋伯分布進(jìn)行加氫母站失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,并計(jì)算獲得RBI理論中的底層數(shù)據(jù),即設(shè)備同類失效概率,然后基于經(jīng)典RBI理論分析加氫母站特有的失效模式,整體建立加氫母站設(shè)備可靠性的分析模型。

1.1 經(jīng)典RBI理論及其修正

RBI理論是以設(shè)備的安全性與經(jīng)濟(jì)性為前提,分析設(shè)備固有危險(xiǎn)性與潛在危險(xiǎn)性,為設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)建立優(yōu)化檢驗(yàn)的方案,是目前國(guó)內(nèi)外石化行業(yè)進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的先驅(qū),并沿用至今。

根據(jù)RBI理論,可靠性量化指標(biāo)中的失效概率F計(jì)算公式為

F=F同類FEFM

(1)

式(1)中:F同類為同類失效概率;FE為設(shè)備修正系數(shù);FM為管理修正系數(shù)。

當(dāng)設(shè)備的失效模式為材料相關(guān)金屬劣化時(shí),FE稱為損傷次因子;當(dāng)失效模式為低溫?fù)p傷、地震活動(dòng)、開(kāi)停車等這些特殊失效模式時(shí),將其按性質(zhì)的不同分別稱為通用次因子、工藝次因子和機(jī)械次因子[12]。盡管企業(yè)管理水平與設(shè)備故障模式無(wú)關(guān),但它仍潛在影響著設(shè)備的失效,因此,管理修正系數(shù)作為一個(gè)單項(xiàng)列入修正模型中,其數(shù)值對(duì)于相同企業(yè)是固定的,與設(shè)備的性能無(wú)關(guān)。

基于RBI理論計(jì)算加氫母站設(shè)備失效概率,首先要統(tǒng)計(jì)計(jì)算設(shè)備的同類失效概率。同類失效概率是指利用行業(yè)內(nèi)各種裝置的運(yùn)行記錄、文獻(xiàn)資料以及商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)得到的設(shè)備失效概率[13]。經(jīng)典RBI理論中給出了某種典型設(shè)備在4種不同泄漏尺寸下(5、25、100 mm孔徑以及破裂)的同類失效概率,然而其對(duì)于加氫母站的設(shè)備而言不太適應(yīng),其管道的管徑較小、壓力較高,且運(yùn)行環(huán)境也與經(jīng)典RBI理論中的典型設(shè)備不同,因此對(duì)分類方法進(jìn)行修正,經(jīng)多方調(diào)研[14-17],采取泄漏孔徑比例分類,即分為0.01%、0.10%、1%、10%、100%五類進(jìn)行分類,并針對(duì)氫設(shè)備特有失效模式設(shè)置修正因子進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。設(shè)備的實(shí)際失效概率為對(duì)每個(gè)泄漏孔徑比例下的同類失效概率進(jìn)行修正后的概率之和,表達(dá)式為

(2)

經(jīng)典RBI理論中給出的典型設(shè)備同類失效概率對(duì)于中國(guó)加氫母站適應(yīng)性不強(qiáng),因?yàn)樵摂?shù)據(jù)大多來(lái)源于發(fā)達(dá)國(guó)家中煉化企業(yè)的設(shè)備失效案例,由于中國(guó)加氫母站在鋼材質(zhì)量、設(shè)備制造工藝、介質(zhì)性質(zhì)、工作環(huán)境等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大不同,因此對(duì)于中國(guó)加氫母站的設(shè)備可靠性評(píng)估,首先要收集中國(guó)加氫母站設(shè)備失效的數(shù)據(jù),并計(jì)算出同類失效概率,才能更準(zhǔn)確地評(píng)估加氫母站設(shè)備的可靠性。

1.2 雙參數(shù)韋伯分布

韋伯分布是一種極具有彈性的連續(xù)性概率分布,它可以描述設(shè)備在整個(gè)失效“浴盆曲線”上的概率分布,因此十分適用于加氫母站設(shè)備失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。韋伯分布可以分為雙參數(shù)的韋伯分布與三參數(shù)的韋伯分布,其區(qū)別在于三參數(shù)韋伯分布較雙參數(shù)韋伯分布增加一個(gè)位置參數(shù),代表在x軸上的位置偏移程度,對(duì)于加氫母站設(shè)備而言,失效數(shù)據(jù)x軸為時(shí)間節(jié)點(diǎn),不需要特定偏移,因此采用雙參數(shù)的韋伯分布更加適用。雙參數(shù)的韋伯分布概率密度函數(shù)表達(dá)式為

(3)

式(3)中:α為曲線的形狀參數(shù),表征函數(shù)在形狀上的變化;β為曲線的尺度參數(shù),表征函數(shù)在幅度上的變化;x為橫坐標(biāo),x≥0。

加氫母站設(shè)備可靠性量化指標(biāo)選取失效概率為標(biāo)準(zhǔn),則x為橫坐標(biāo),表示時(shí)間t,則設(shè)備的失效概率分布函數(shù)與失效率分布函數(shù)可分別表示為

(4)

(5)

當(dāng)形狀參數(shù)α=1時(shí),韋伯分布變?yōu)橹笖?shù)分布,指數(shù)分布也是一種常用于設(shè)備失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的分布函數(shù),但從式(4)、式(5)可以看出,韋伯分布的失效率λ(t)為隨時(shí)間變化的函數(shù),而指數(shù)函數(shù)中α=1,失效率為一常數(shù),對(duì)于設(shè)備整個(gè)生命周期的適應(yīng)性不強(qiáng),僅可適應(yīng)于統(tǒng)計(jì)設(shè)備在“浴盆曲線”的中間階段,即平穩(wěn)運(yùn)行期的失效數(shù)據(jù),韋伯分布比指數(shù)分布的應(yīng)用范圍更廣,更符合工程實(shí)際,因此,采用雙參數(shù)韋伯分布函數(shù)對(duì)加氫母站設(shè)備進(jìn)行失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 加氫母站設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可靠性分析

2.1 基于雙參數(shù)韋伯分布與極大似然估計(jì)的同類失效概率計(jì)算

通過(guò)雙參數(shù)韋伯分布統(tǒng)計(jì)計(jì)算設(shè)備的同類失效概率,首先要對(duì)韋伯概率分布函數(shù)中有兩個(gè)參數(shù)α和β進(jìn)行估計(jì)。常用的參數(shù)估計(jì)方法有區(qū)間估計(jì)和點(diǎn)估計(jì)兩種。區(qū)間估計(jì)是對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)抽樣后估計(jì)其在一定置信度下總體分布的未知數(shù),而點(diǎn)估計(jì)是通過(guò)樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估計(jì)總體分布中的未知參數(shù)。區(qū)間估計(jì)比點(diǎn)估計(jì)更精確,但也更為復(fù)雜,甚至由于工作量的原因難以計(jì)算出結(jié)果。因此采用工程中常用的點(diǎn)估計(jì)方法中的極大似然法對(duì)韋伯函數(shù)中的參數(shù)α和β進(jìn)行估計(jì)。

首先,構(gòu)造分布函數(shù)的似然方程,即

(6)

然后,對(duì)式(6)兩邊取對(duì)數(shù),并對(duì)α、β求偏導(dǎo)數(shù),即

ln[L(α,β)]=nlnα-nαlnβ+

(7)

=0

(8)

(9)

最后,求得α、β的極大似然估計(jì)值,計(jì)算公式為

(10)

2.2 氫損傷修正因子研究

加氫母站設(shè)備失效概率為其同類失效概率、設(shè)備修正系數(shù)與管理修正系數(shù)之積。其中,同類失效概率可根據(jù)2.1節(jié)得出,而對(duì)于設(shè)備修正系數(shù)與管理修正系數(shù),經(jīng)典RBI理論中對(duì)于加氫母站的設(shè)備失效機(jī)理有一定的差異性,主要體現(xiàn)在加氫母站設(shè)備的失效機(jī)理以氫損傷導(dǎo)致的氫失效為主,還包含應(yīng)力腐蝕、機(jī)械疲勞等,但RBI理論中缺乏氫失效相關(guān)的失效模式分析,因此對(duì)于氫失效模式下的設(shè)備修正系數(shù)進(jìn)行分析,從而改進(jìn)整體設(shè)備修正系數(shù)的準(zhǔn)確度,所建立的加氫母站設(shè)備修正系數(shù)總圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備修正因子總圖

加氫母站設(shè)備修正系數(shù)由四個(gè)次因子組成,即損傷次因子、通用次因子、機(jī)械次因子以及工藝次因子,每個(gè)次因子又由多個(gè)評(píng)價(jià)要素組成,將每個(gè)要素所賦予的值相加,得到總的設(shè)備修正因子FE。

對(duì)于加氫母站,設(shè)備修正因子的改進(jìn)主要體現(xiàn)在氫損傷修正因子(hydrogen corrosion correction factor,HCCF)上,該修正因子主要討論氫應(yīng)力開(kāi)裂(hydrogen stress cracking,HSC)、氫致開(kāi)裂(hydrogen induced cracking,HIC)與應(yīng)力取向氫致開(kāi)裂(stress oriented hydrogen induced cracking,SOHIC)。

結(jié)合經(jīng)典RBI理論[17],計(jì)算應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂因子主要從檢驗(yàn)有效性、敏感度與嚴(yán)重度三方面逐步分析。根據(jù)工藝、材料、制造參數(shù)將敏感性分為高、中、低三種等級(jí),之后根據(jù)敏感性可確定嚴(yán)重度指數(shù),最后再結(jié)合檢驗(yàn)有效性可確定HCCF。

2.2.1 確定每種失效機(jī)理的敏感性

(1)氫應(yīng)力開(kāi)裂(HSC)。氫應(yīng)力開(kāi)裂(HSC)定義為一種金屬在拉伸應(yīng)力和產(chǎn)生可擴(kuò)散到金屬中的氫的腐蝕機(jī)理的共同作用下產(chǎn)生的開(kāi)裂,一般發(fā)生在高強(qiáng)度(高硬度)鋼中或發(fā)生在低強(qiáng)度鋼的硬質(zhì)焊接熔敷金屬或硬質(zhì)熱影響區(qū),結(jié)合RBI理論與專家討論,制定鋼材HSC的敏感性取值如表1所示。

表1 鋼材的HSC敏感性

(2)氫致開(kāi)裂(HIC)與應(yīng)力取向氫致開(kāi)裂(SOHIC)。氫致開(kāi)裂定義為連接金屬內(nèi)的不同平面上的氫鼓包或連接到金屬表面的階梯狀內(nèi)部裂紋,其形成并不需要外部應(yīng)力作用,開(kāi)裂驅(qū)動(dòng)力來(lái)自氫鼓包周圍的高應(yīng)力,高應(yīng)力是由于氫鼓包中的內(nèi)壓力造成的。HIC的敏感性主要與鋼板的品質(zhì)有關(guān),也就是鋼板中不連續(xù)點(diǎn)的數(shù)量、大小、形狀,其中,鋼中的硫含量是一個(gè)關(guān)鍵的材料參數(shù),降低鋼的硫含量可以降低鋼對(duì)氫鼓包和HIC的敏感性。

SOHIC定義為由于局部的高拉伸應(yīng)力、由沿鋼板全厚度方向排列的氫致裂紋連接起來(lái)的小鼓包的堆疊陣列。SOHIC是HIC的一個(gè)特殊形式,通常出現(xiàn)在母材靠近焊縫的熱影響區(qū),在該熱影響區(qū)存在高的殘余應(yīng)力。同HIC一樣,鋼板的品質(zhì)是SOHIC敏感性的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。另外,通過(guò)焊接后熱處理(post weld heat treatment,PWHT)消除殘余應(yīng)力,可以減少SOHIC的發(fā)生和嚴(yán)重度,但不能消除。

結(jié)合RBI理論與專家討論,制定鋼材HIC/SOHIC的敏感性取值如表2所示。

表2 鋼材的HIC/SOHIC敏感性

2.2.2 確定嚴(yán)重度指數(shù)

結(jié)合RBI理論與專家討論,制定HSC/HIC/SOHIC的嚴(yán)重度指數(shù)取值如表3所示。

表3 確定嚴(yán)重度指數(shù)

將2.2.1節(jié)中的敏感性結(jié)果輸入表3,確定每種潛在/已有氫損傷失效機(jī)理嚴(yán)重度指數(shù)。確定哪一種機(jī)理將導(dǎo)致最大嚴(yán)重度指數(shù)并以最大嚴(yán)重度指數(shù)作為最終結(jié)果。

2.2.3 檢驗(yàn)有效性

檢驗(yàn)有效性是按檢驗(yàn)裂紋的預(yù)期效果進(jìn)行分級(jí)。對(duì)于給定的檢驗(yàn)技術(shù)或檢驗(yàn)技術(shù)的組合,其實(shí)際效果取決于特定開(kāi)裂機(jī)理的特點(diǎn)和其他因素。結(jié)合RBI理論與專家討論,制定HSC/HIC/SOHIC的檢驗(yàn)有效性如表4所示。

表4 HSC/HIC/SOHIC的檢驗(yàn)有效性

根據(jù)敏感性、嚴(yán)重度和檢驗(yàn)有效性即可確定HCCF取值,結(jié)合RBI理論與專家討論,制定HCCF取值如表5所示。

表5 HCCF取值

2.2.4 其他修正

(1)HCCF隨時(shí)間的增長(zhǎng)。假設(shè)設(shè)備自上次檢測(cè)以來(lái),由于暴露在異常條件和其他非正常條件下的時(shí)間增加,開(kāi)裂的可能性會(huì)增加。因而,HCCF應(yīng)當(dāng)按下式修正:最終的HCCF=HCCF×(上次檢測(cè)以來(lái)的年數(shù))。

(2)HCCF針對(duì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的調(diào)整。結(jié)合RBI理論與專家討論,除檢查外,使用氫氣探頭和/或關(guān)鍵工藝變量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)也會(huì)影響HSC/HIC/SOHICS的敏感性。在線監(jiān)測(cè)可在發(fā)生重大裂紋損傷之前檢測(cè)到因工藝變更而導(dǎo)致的氫損傷敏感性變化。通過(guò)這種早期檢測(cè)一般可以采取及時(shí)的措施來(lái)降低故障的可能性。對(duì)于HSC/HIC/SOHIC,如果使用氫探頭或關(guān)鍵工藝變量監(jiān)測(cè),則在線監(jiān)測(cè)因子為2;如果同時(shí)使用氫探頭和關(guān)鍵工藝變量監(jiān)測(cè),則在線監(jiān)測(cè)因子為4。將HCCF除以在線監(jiān)測(cè)因子得到最終的HCCF。如果HCCF為1,則不應(yīng)用該系數(shù)。

3 示例分析

3.1 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的同類失效概率計(jì)算示例分析

由于中國(guó)加氫母站失效數(shù)據(jù)庫(kù)暫未建立,因此采用假設(shè)數(shù)據(jù)。假設(shè)中國(guó)加氫母站在2012—2022年的10年間運(yùn)行的30 014臺(tái)某類設(shè)備中,發(fā)生自然破壞而非爆炸、人為破壞等失效的設(shè)備為16臺(tái),其中泄漏在(0,0.01D](D為管徑)內(nèi)的設(shè)備為6臺(tái),泄漏孔徑在(0.01%D,0.1%D]的設(shè)備為4臺(tái),泄漏孔徑在(0.1%D,1%D]設(shè)備為3臺(tái),泄漏孔徑在(1%D,10%D]的設(shè)備為3臺(tái),泄漏孔徑(10%D,100%D]的設(shè)備有2臺(tái),其分布如表6所示。

表6 不同泄漏孔徑設(shè)備數(shù)量分布

基于韋伯分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法,采用2.1節(jié)中的計(jì)算方法進(jìn)行韋伯函數(shù)雙參數(shù)α與β的確定,結(jié)合牛頓迭代求解采用MATLAB編程可得到不同泄漏孔徑的α與β如表7所示。

表7 不同泄漏孔徑下設(shè)備韋伯分布雙參數(shù)值

確定了α與β,再根據(jù)式(4),可以確定該類設(shè)備最終的同類失效概率,計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 該類設(shè)備同類失效概率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算所得的同類失效概率,然后采用2.2節(jié)中的計(jì)算方法,即可計(jì)算出該類設(shè)備的失效概率。

3.2 基于RBI理論修正的加氫母站設(shè)備可靠性示例分析

根據(jù)3.1節(jié)中設(shè)備計(jì)算所得同類失效概率(表8),結(jié)合各類修正因子進(jìn)行該設(shè)備失效概率的修正計(jì)算。

根據(jù)設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)分析可知該設(shè)備所發(fā)生或潛在發(fā)生的失效模式,從而確定損傷次因子中所取的修正因子類型。假設(shè)該設(shè)備為輸氫管道,發(fā)生了腐蝕減薄,且存在裂紋缺陷,因此在該設(shè)備計(jì)算損傷次因子時(shí),主要考慮氫損傷修正因子、腐蝕減薄因子、脆性斷裂因子、外部損傷因子、機(jī)械疲勞因子。對(duì)于氫損傷修正因子,根據(jù)2.2節(jié)中的修正方法計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 氫損傷修正因子計(jì)算結(jié)果

對(duì)于腐蝕減薄因子、脆性斷裂因子、外部損傷因子、機(jī)械疲勞因子,可根據(jù)API 581中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算可得該設(shè)備的腐蝕減薄修正因子為2.15,脆性斷裂因子為12.59,外部損傷因子為0.75,機(jī)械疲勞因子為2,結(jié)合氫損傷修正因子,則設(shè)備的損傷次因子為37.49。同理,根據(jù)API 581中的計(jì)算方法,可計(jì)算出該設(shè)備的管理修正系數(shù)為0.65;可計(jì)算出通用次因子為4,機(jī)械次因子為3,工藝次因子為3,則設(shè)備修正系數(shù)為47.49。根據(jù)式(2)可計(jì)算得出該設(shè)備的失效概率為3.282×10-3。

3.3 氫損傷修正因子敏感性分析

在其他參數(shù)數(shù)值不變的情況下,對(duì)氫損傷修正因子進(jìn)行敏感性分析,分析該因子對(duì)于設(shè)備最終失效概率的影響程度。不同氫損傷修正因子下,設(shè)備失效概率變化曲線如圖2所示。

圖2 氫損傷修正因子敏感性分析

根據(jù)圖2可知,氫損傷修正因子對(duì)于設(shè)備失效概率呈正相關(guān)關(guān)系,而氫損傷修正因子最終結(jié)果取決于敏感度、嚴(yán)重度、檢驗(yàn)有效性、檢測(cè)時(shí)間間隔、監(jiān)測(cè)手段五類參數(shù),設(shè)備敏感度越高,嚴(yán)重度越高,氫損傷修正因子越大,設(shè)備失效概率越大;檢驗(yàn)有效性越有效或檢測(cè)時(shí)間間隔越長(zhǎng)或監(jiān)測(cè)手段越弱,氫損傷修正因子越大,設(shè)備失效概率越大。這是由于設(shè)備鋼材對(duì)于氫損傷越敏感,越容易發(fā)生失效;檢驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)或監(jiān)測(cè)手段越薄弱,越不容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)的隱患,設(shè)備的失效概率也越大。隨著氫損傷修正因子的增大,其對(duì)于設(shè)備修正因子的占比越大,設(shè)備失效概率越大,氫損傷修正因子占比甚至可達(dá)50%,導(dǎo)致的設(shè)備失效概率也要翻倍。這是由于其他失效模式對(duì)于設(shè)備的失效概率影響相較于氫損傷都較弱一些,氫損傷一旦發(fā)生,設(shè)備失效速度會(huì)變得相對(duì)較快,這也說(shuō)明了氫損傷失效模式對(duì)于氫設(shè)備是主要的失效模式,應(yīng)采取措施進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),比如采用敏感性較低的管材、盡可能豐富檢驗(yàn)手段、縮短檢驗(yàn)時(shí)間間隔、增加在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等,同時(shí)也要注意由于氫損傷造成的其他可能發(fā)生的失效模式對(duì)于設(shè)備的影響,從而共同保障加氫母站設(shè)備長(zhǎng)周期的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

(1)提出采用RBI理論進(jìn)行加氫母站的可靠性分析,并對(duì)RBI理論針對(duì)加氫母站實(shí)際工況(泄漏孔徑分類)進(jìn)行修正,采用雙參數(shù)韋伯分布結(jié)合極大似然估計(jì)統(tǒng)計(jì)分析加氫母站設(shè)備同類失效概率,為計(jì)算加氫母站設(shè)備同類失效概率提供一種新的方法,并為建立中國(guó)加氫母站設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)提供方法參考。

(2)針對(duì)加氫母站設(shè)備特有失效機(jī)理,提出了氫損傷修正因子,并為之提供了定量分析的方法,通過(guò)示例分析得出該設(shè)備的失效概率值,有效解決了加氫母站設(shè)備對(duì)于氫損傷失效機(jī)理無(wú)法定量量化到失效概率中的問(wèn)題,所提出的氫損傷修正因子結(jié)合了RBI理論基礎(chǔ),包含氫損傷的常見(jiàn)失效模式,使設(shè)備的失效概率分析結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確。

(3) 對(duì)氫損傷修正因子進(jìn)行敏感性分析,并分別具體分析了原因,得出氫損傷修正因子對(duì)設(shè)備失效概率呈正相關(guān),隨著氫損傷修正因子對(duì)于設(shè)備修正因子的占比增大,設(shè)備失效概率越大,氫損傷修正因子占比甚至可達(dá)50%,導(dǎo)致的設(shè)備失效概率翻倍,建議對(duì)氫設(shè)備應(yīng)采取一些具體措施進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),對(duì)加氫母站設(shè)備安全運(yùn)營(yíng)管理與預(yù)防決策有重要意義。