基于GO法-貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的站場工藝流程可靠性分析

摘" " 要：為保證油氣站場的安全生產(chǎn)和運行，提高站場完整性管理水平?；赗BI、RCM技術(shù)對靜設(shè)備和動設(shè)備的故障率進行計算，隨后將工藝流程圖轉(zhuǎn)化為GO圖，并根據(jù)操作符和信號流的邏輯關(guān)系將GO圖映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，完成故障率、維修率、平均維修時間、平均失效概率等站場可靠性參數(shù)的計算，并以某站場為例進行實例評價。結(jié)果表明，待評價站場中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐、閃蒸罐、再生塔、過濾器等設(shè)備的故障率較高；站場內(nèi)工藝子系統(tǒng)及站場整體的可靠性與設(shè)備可用性、修復(fù)性和備用性等因素相關(guān)；站場整體的平均失效概率為4.59×10-2，大于任何一個工藝子系統(tǒng)的平均失效概率，說明風(fēng)險按照工藝物流走向不斷增加，存在風(fēng)險疊加隱患。

關(guān)鍵詞：RBI；RCM；GO法；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；可靠性；平均失效概率

Reliability analysis of process flow of station yard based on GO method and Bayesian network

ZHOU Tao

Erlian Filiale of Huabei Oilfield Company， CNPC， Xilinhot 026000， China

Abstract：In order to ensure the safe production and operation of the oil and gas station and yard and improve the integrity management level of the station yard， the failure rate of static equipment and dynamic equipment was calculated by risk based inspection （RBI） and reliability centered maintenance （RCM） technologies.Then， the process flow chart was converted into a goal-oriented （GO） diagram， and the GO diagram was mapped to a Bayesian network according to the logical relationship between operators and signal flows. The reliability parameters of the station yard， such as the failure rate， maintenance rate， average maintenance time， and average failure probability were calculated， and a station yard was taken as an example for evaluation. The results show that the failure rate of the metering separator， three-phase separator， oil heat exchanger， oil-water settling tank， flash tank， regeneration tower， filter， and other equipment in the station yard to be evaluated is high. The reliability of the process subsystem and the whole station yard is related to the availability， repairability， and stand-by of the equipment. The average failure probability of the whole station yard is 4.59×10?2， which is greater than that of any process subsystem， indicating that the risks continue to increase as process logistics develops， and there is a hidden danger of risk superposition.

Keywords：RBI; RCM; GO method; Bayesian network; reliability; average failure probability

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國油氣資源的勘探和開發(fā)逐漸向著陸地深層、深海及頁巖油氣等方向發(fā)展。為加強油氣產(chǎn)、供、銷體系的建設(shè)，我國建成了西氣東輸、中俄東線、川氣東送等一系列管道工程，逐漸形成了“全國一張網(wǎng)”的油氣新格局[1-2]。油氣集輸站場作為管道工程的重要組成部分，是負責(zé)油氣開采和加工的重要場所，具有壓力容器多、橇裝設(shè)備多、風(fēng)險源多等特點，也是風(fēng)險管控的重要區(qū)域。目前，關(guān)于站場風(fēng)險評價已有諸多學(xué)者進行了研究[3-6]，但對象多為單一壓力容器或管道，站場工藝流程具有序貫性，設(shè)備對上、下游物流和其余設(shè)備節(jié)點的影響不同，因此將其進行割裂評價的結(jié)論具有局限性。鑒于此，通過基于風(fēng)險的檢驗（Risk Based Inspection，RBI）和以可靠性為中心的維護（Reliability Centered Maintenance，RCM）分別計算站內(nèi)靜設(shè)備、動設(shè)備的故障率，根據(jù)工藝流程將站場單元轉(zhuǎn)化為GO圖，并將GO圖映射至貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，進而獲得站場的整體可靠性水平。

1" " 單體設(shè)備故障率計算

1.1" " 靜設(shè)備

對于儲罐、換熱器、空冷器、管道等靜設(shè)備，常通過采集介質(zhì)數(shù)據(jù)、操作歷史和檢修記錄等信息，結(jié)合周邊環(huán)境及風(fēng)險因素，采用RBI技術(shù)確定單體設(shè)備故障率。

由于每臺靜設(shè)備的運行工況、服役環(huán)境及管理方式均有所不同，故障率的計算應(yīng)在確定同類基礎(chǔ)失效概率的基礎(chǔ)上，引入損傷系數(shù)和管理修正系數(shù)進行完善。API 581標準中規(guī)定了如硫化物應(yīng)力開裂、硫化物應(yīng)力導(dǎo)致氫致開裂、外部暴露腐蝕減薄、內(nèi)部腐蝕減薄、保溫層下腐蝕減薄等一系列損傷機理，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選擇不同損傷機理對應(yīng)的損傷系數(shù)計算方法[7-8]，最終公式如下：

1.2" " 動設(shè)備

對于泵、壓縮機、流量計、閥門等帶有零部件的轉(zhuǎn)動類設(shè)備，應(yīng)在對主要功能部件進行失效模式影響分析的基礎(chǔ)上，明確故障模型、故障原因和故障影響，根據(jù)維修記錄統(tǒng)計故障周期，基于數(shù)理統(tǒng)計和RCM技術(shù)確定概率密度函數(shù)，并將故障時長眾數(shù)對應(yīng)的概率密度函數(shù)值作為單體設(shè)備故障率[9]。

2" " 站場工藝流程可靠性分析

2.1" " GO法

GO法是一種以成功為導(dǎo)向的概率分析方法，可以將站場內(nèi)不同區(qū)域的工藝流程通過原理圖或工程圖直接轉(zhuǎn)化為GO圖，有利于描述具有復(fù)雜時序的工藝狀態(tài)。GO圖由操作符和連接操作符的信號流組成，集輸站場常用的操作符有類型1（兩狀態(tài)單元）、類型2（或門）、類型5（信號發(fā)生器）、類型6（有信號而導(dǎo)通的元件）、類型10（與門）和類型11（M取K門）等。

2.2" " 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

考慮到GO法存在操作符眾多和計算復(fù)雜的問題，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)多元信息融合，與GO法原理具有一致性，因此將GO圖向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖進行映射和轉(zhuǎn)換[10]。映射邏輯如下：

1）將GO圖中的信號流進行逐一編號，將信號流i轉(zhuǎn)為根節(jié)點Si；

2）觀察信號流i的前驅(qū)操作符Oi類型，如Oi屬于類型5，則根據(jù)其本身的狀態(tài)概率建立根節(jié)點狀態(tài)概率分布；

3）如Oi屬于類型2、類型10、類型11等邏輯操作符，則將所有的輸入信號流作為父節(jié)點，將Si作為子節(jié)點，通過Oi邏輯關(guān)系確定條件概率表；

4）如Oi屬于類型1的功能操作符，則將輸入信號和操作符Oi轉(zhuǎn)化為根節(jié)點，Si作為子節(jié)點；

5）判斷Si是否為最終系統(tǒng)輸出信號，如i=n，則結(jié)束映射，如i≠n，則返回第2）步繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

2.3" " 可靠性分析

基于RBI和RCM結(jié)果，確定單體設(shè)備的可靠性等級和檢驗周期，見表1。

[可靠性等級 故障率/（次/d） 檢驗周期 1 0～10-5 每5 a檢驗一次 2 10-5～10-4 3 10-4～10-3 每2～4 a檢驗一次 4 10-3～10-2 5 0.01～1 每1 a檢驗一次 ][表1" " 設(shè)備可靠性等級和檢驗周期]

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的正向計算能力，獲取處于穩(wěn)定狀態(tài)下不同子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，包括故障率λ、維修率μ、平均維修時間t=1/μ、平均失效概率（穩(wěn)態(tài)不可用度）A=λ/（λ+μ）和單位時間平均故障次數(shù)f=Aλ等[11]。

3" " 實例評價

3.1" " 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某油田聯(lián)合站建于1977年，處理規(guī)模（純油）為300 × 104 t/a，負責(zé)5個斷塊油氣集輸、處理和加工，截至目前累計產(chǎn)液量4 931.88 × 104 t、產(chǎn)油量753.57 × 104 t，綜合含水95.78%。根據(jù)站場布局及功能劃分，將其分為油、氣、水三個工藝子系統(tǒng)。其中：油工藝子系統(tǒng)包括原油接收系統(tǒng)、原油處理系統(tǒng)、原油穩(wěn)定系統(tǒng)、原油儲存系統(tǒng)、原油外輸系統(tǒng)、清管發(fā)送系統(tǒng)等；氣工藝子系統(tǒng)包括工藝氣及伴生氣接收系統(tǒng)、氣體脫水系統(tǒng)、氣體外輸系統(tǒng)、工藝放空系統(tǒng)；水工藝子系統(tǒng)包括除油沉降系統(tǒng)和分區(qū)增壓系統(tǒng)等。

3.2" " 設(shè)備可靠性分析

3.2.1" " 靜設(shè)備的故障率

利用RBI技術(shù)計算站內(nèi)靜設(shè)備的故障率，結(jié)果見表2。其中，油工藝子系統(tǒng)中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐因涉及油、氣、水三相介質(zhì)，在油水界面和油氣界面處的腐蝕速率較大，故損傷系數(shù)較大，單體設(shè)備故障率也較大，對照表1的可靠性等級均為3，建議每3 a檢驗一次。氣工藝子系統(tǒng)中閃蒸罐和再生塔塔頂空間因酸氣聚集，容易發(fā)生點蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂或硫化物應(yīng)力腐蝕開裂等；貧富液換熱器殼程中存在的H2S和CO2參與了腐蝕行為，且Cl-在點蝕坑中發(fā)生酸解自催化作用，這些設(shè)備的損傷系數(shù)均較大，對應(yīng)可靠性等級為3，建議每2 a檢驗一次。水工藝子系統(tǒng)中，過濾器、氣浮裝置因懸浮物在裝置表面聚集，在較高的水處理溫度下，采出水中的活性分子數(shù)量增多，腐蝕性和結(jié)垢性離子的溶解度也增大，導(dǎo)致以內(nèi)部腐蝕減薄為主的損傷系數(shù)較大，其對應(yīng)的可靠性等級為4級，建議每1 a檢驗一次。

3.2.2" " 動設(shè)備的故障率

利用RCM技術(shù)計算站內(nèi)動設(shè)備的故障率，以油工藝子系統(tǒng)的外輸泵為例進行分析。在此不區(qū)分不同部件的不同故障模式，以小時為單位統(tǒng)計無故障工作時間，見表3。對表中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，并在顯著性水平0.05的條件下進行K-S檢驗，結(jié)果見表4。外輸泵故障數(shù)據(jù)服從所選的4種分布類型，從擬合優(yōu)度和統(tǒng)計量看，威布爾分布的擬合優(yōu)度最大、統(tǒng)計量最小，因此選擇威布爾分布作為故障數(shù)據(jù)最佳分布模型。

3.3" " 站場可靠性分析

以油工藝子系統(tǒng)中的原油穩(wěn)定系統(tǒng)為例，從分離器或儲罐流出的原油進入換熱器復(fù)熱，隨后流入穩(wěn)定塔，原油在塔內(nèi)閃蒸，易揮發(fā)的組分在負壓作用下進入塔頂，塔底原油經(jīng)一備一用的外輸泵增壓后外輸。按照上述流程建立GO圖，見圖2。圖2中的圓圈和三角形代表操作符，“5-1”中的“5”表示操作符類型、“1”表示操作符編號，箭頭線上的數(shù)字為信號流編號。GO圖操作符的可靠性數(shù)據(jù)見表6，表6中的故障率采用2.1節(jié)的計算結(jié)果。隨后，按照2.2節(jié)的映射規(guī)則，將圖2映射至貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，建立原油穩(wěn)定系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，見圖3。圖3中每個節(jié)點只考慮成功和失敗兩種情況，節(jié)點Si和節(jié)點Oi分別對應(yīng)信號流和操作符。

采用GeNie分析軟件，將故障率和維修率（根據(jù)現(xiàn)場維搶修記錄確定）代入模型，計算原油穩(wěn)定系統(tǒng)物流流通成功或失敗的概率，得到該系統(tǒng)的故障率為6.27 × 10-4次/d，維修率為4.00 次/d，平均維修時間為0.25 d，平均失效概率為1.56 ×10-4，單位時間平均故障次數(shù)為9.82 × 10-8 次/d。隨后，計算油工藝子系統(tǒng)下屬其余系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，再將其按照邏輯關(guān)系連接，得到油工藝子系統(tǒng)的整體可靠性參數(shù)。同理，得到氣工藝子系統(tǒng)和水工藝子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，進而獲得站場整體可靠性參數(shù)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4，可靠性結(jié)果見表7。

油工藝子系統(tǒng)中原油接收系統(tǒng)和原油處理系統(tǒng)的平均失效概率較大，這與來油含水率高，設(shè)備和管道腐蝕嚴重有關(guān)；原油儲存系統(tǒng)的平均失效概率最低，該站按照投產(chǎn)初期規(guī)劃和建設(shè)的儲罐區(qū)，目前產(chǎn)量只有設(shè)計時的1/3，50%的儲罐處于備用或閑置狀態(tài)，可以在其余儲罐檢修時予以利用，故現(xiàn)場基本沒有出現(xiàn)過儲罐檢修導(dǎo)致的停產(chǎn)；清管發(fā)送系統(tǒng)的平均失效概率也較低，這與清管存在一定周期有關(guān)，可在清管周期內(nèi)完成設(shè)備檢修。氣工藝子系統(tǒng)中的平均失效概率均較高，這與工藝中涉及諸多復(fù)雜塔器、換熱器及閥門有關(guān)，失效概率大于油工藝子系統(tǒng)的失效概率。

隨著工藝流程的推進，站場整體平均失效概率為4.59 × 10-2，大于任何一個工藝子系統(tǒng)的平均失效概率，說明風(fēng)險存在疊加作用，這與多米諾效應(yīng)的原理一致，評價結(jié)果與現(xiàn)場實際相符，證明了本文模型的可靠性。

4" " 結(jié)論

1）基于RBI、RCM技術(shù)對站內(nèi)單體設(shè)備失效率進行了評價，其中計量分離器、三相分離器、來油換熱器、油水沉降罐、閃蒸罐、再生塔、過濾器等設(shè)備的故障率較高，并根據(jù)故障率制訂了完善的檢測周期。

2）基于GO法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)完成了站場內(nèi)工藝子系統(tǒng)及站場整體的可靠性評價，平均失效概率的大小與設(shè)備可用性、修復(fù)性和備用性等相關(guān)，建議平均失效概率較高的子系統(tǒng)縮短檢驗周期，并增設(shè)備用設(shè)備。

3）站場整體的平均失效概率為4.59×10-2，大于任何一個工藝子系統(tǒng)的平均失效概率，說明風(fēng)險按照工藝物流走向不斷增加，存在風(fēng)險疊加隱患。

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作者簡介：

周" " 濤（1980—），男，四川廣安人，工程師，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事采油基礎(chǔ)管理工作。

Email：592103039@qq.com

收稿日期：2024-05-15