基于修正RBI和考慮多米諾效應(yīng)的站場設(shè)備風(fēng)險評價

摘" " 要：針對經(jīng)典RBI理論在風(fēng)險評價中的普適性差，計算后果區(qū)面積時未考慮多米諾效應(yīng)引發(fā)的面積疊加等問題，根據(jù)實際設(shè)備故障歷史數(shù)據(jù)的分布形式建立同類設(shè)備失效概率模型，結(jié)合多米諾效應(yīng)和不同后果類型的損害范圍核算事故升級后的設(shè)備損壞概率，并利用圓弧并面積算法實現(xiàn)后果區(qū)面積疊加核算，最后通過風(fēng)險矩陣完成站內(nèi)設(shè)備的分級定量評價。研究結(jié)果表明，通過K-S檢驗和擬合優(yōu)度，雙參數(shù)威布爾分布可較好地反映設(shè)備可靠性水平；脫乙烷塔重沸器發(fā)生事故后的后果區(qū)面積為1 183.34 m2，不考慮多米諾效應(yīng)的計算方法對后果區(qū)面積低估了30.7%，未消除重疊區(qū)域的計算方法對后果區(qū)面積高估了211.4%；設(shè)備風(fēng)險評價結(jié)果與常規(guī)方法結(jié)果相比，增加了一個到兩個等級。研究結(jié)果可為油氣站場安全運營管理水平的提高提供實際參考。

關(guān)鍵詞：RBI；多米諾；站場設(shè)備；風(fēng)險；威布爾分布；后果區(qū)面積

Risk assessment of station equipment based on modified RBI and considering

domino effect

ZHANG Li1， LIU Fei1， LYU Xiaojun2， MA Ning3， WANG Tingting3， WANG Zihao3

1. Bidding Center， Huabei Oilfield Company， Renqiu 062552， China

2. Hebei Gas Storage Branch of Huabei Oilfield Company， CNPC， Langfang 065000， China

3. No. 5 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC， Xinji 052360， China

Abstract：The classical RBI theory has poor universality in risk assessment， and neglects area overlapping and other problems caused by the domino effect in calculating the consequence area. Therefore， based on the distribution form of actual equipment failure data， this paper established a failure probability model of similar equipment and calculated the damage probability of equipment after the accident escalation by combining the domino effect and the damage scope of different consequence types. In addition， the calculation of the consequence overlapping area was realized by using the arc-area algorithm. Finally， the hierarchical and quantitative evaluation of the equipment in the station was completed by the risk matrix. The results show that the two-parameter Weibull distribution can effectively reflect the reliability of the equipment through the K-S test and goodness of fit. The actual consequence area of the deethanizer boiler accident is 1183.34 m2， the calculation method neglecting the domino effect underestimating it by 30.7% and the method without eliminating overlapping area overestimating it by 211.4%. The results of the equipment risk assessment increase by one to two grades compared with the results of conventional methods. The research results can provide a practical reference for the improvement of the safety operation management level of oil and gas stations.

Keywords：RBI; domino; station equipment; risk; Weibull distribution; consequence area

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.010

隨著國民經(jīng)濟的增長，我國對石油和天然氣的消費量越來越大。油氣站場作為連接上游開發(fā)源頭與下游用戶終端的中間樞紐，其安全平穩(wěn)運行是促進(jìn)油氣管網(wǎng)健康發(fā)展的關(guān)鍵所在[1-4]。站場內(nèi)設(shè)備在長時間投入運行后，其安全性和可靠性勢必會降低，從而導(dǎo)致站場存在巨大的安全隱患。因此，研究合適的站場設(shè)備安全保障技術(shù)具有重要意義。

目前，針對站場設(shè)備的風(fēng)險評價技術(shù)有基于風(fēng)險的檢驗（RBI）[5]、以可靠性為中心的維修（RCM）[6]和安全完整性等級評價（SIL）[7]。其中，RCM技術(shù)針對泵和壓縮機等旋轉(zhuǎn)類設(shè)備，SIL技術(shù)針對站內(nèi)安全儀表回路，RBI技術(shù)是針對塔器、儲罐、管道、換熱器、分離器等靜設(shè)備的一種主要風(fēng)險評價方式，已經(jīng)成為國內(nèi)站場風(fēng)險評價的基準(zhǔn)。王金江等[8]、周然等[9]、王曉博等[10]、林海萍等[11]均采用RBI技術(shù)對站場的失效概率及風(fēng)險水平進(jìn)行了計算，并確定了檢測周期和檢驗計劃。以上研究步驟均基于API 581的標(biāo)準(zhǔn)流程，對于單一站場的普適性有限，且在計算后果區(qū)面積時未考慮多米諾效應(yīng)引發(fā)的面積疊加，導(dǎo)致評價結(jié)果過于樂觀。鑒于此，基于雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)和多米諾效應(yīng)建立油氣站場風(fēng)險評價模型，結(jié)合設(shè)備損傷概率和圓弧并面積算法計算后果區(qū)面積，以期實現(xiàn)對站場設(shè)備風(fēng)險的有效評估。

1" " RBI理論及修正方法

常規(guī)RBI理論是在有限成本條件下，尋求設(shè)備安全效益的最大化，計算公式如下[12]：

[F=F同類FEFM]" （ 1 ）

式中：F為失效概率，次/a；F同類為同類設(shè)備失效概率，次/a；FE為設(shè)備修正系數(shù)；FM為管理修正系數(shù)。

常規(guī)RBI理論將F同類按照泄漏孔徑的大小分為6.35 mm、25.4 mm、101.6 mm和破裂等四個等級，失效概率參照國外數(shù)據(jù)庫獲取，但國內(nèi)站場設(shè)備的特點是管徑小、壓力大、集中性高，僅僅憑借泄漏孔徑無法區(qū)分不同設(shè)備泄漏之間的差異性。因此，修改為按照泄漏孔徑與管徑的比例分類，將F同類按照泄漏孔徑分為0.01% D、0.1% D、1% D、10% D和100% D等五個等級（D為管道或設(shè)備接管的直徑），計算每個等級下設(shè)備失效概率并求和，得到修正設(shè)備失效概率F′。公式如下：

[F'=i=15F同類，iFE，iFM，i]" "（ 2 ）

式中：[F同類，i 、FE，i 、FM，i]分別表示第i個泄漏孔徑下的失效概率、設(shè)備修正系數(shù)、管理修正系數(shù)。

對于同類設(shè)備失效概率，可通過統(tǒng)計設(shè)備故障數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計的方法確定。威布爾分布具有長尾、右偏分布的特點，相較于正態(tài)分布或指數(shù)分布而言，更貼近設(shè)備浴盆曲線的失效形式。根據(jù)待定參數(shù)的不同，可分為雙參數(shù)和三參數(shù)的威布爾分布，二者的區(qū)別在于后者增加了一個用于表征位移偏度的位置參數(shù)。以t表示時間，隨機變量t的概率密度函數(shù)f（t）如式（3）所示。

[f（t）=βαt-γαβ-1exp-t-γαβ]" " （ 3 ）

式中：α為尺度參數(shù)，β為形狀參數(shù)，γ為位置參數(shù)。

失效概率函數(shù)λ（t）為：

[λ（t）=f（t）1-0tf（t）=βαt-γαβ-1]" （ 4 ）

當(dāng)γ =0時，上述公式可轉(zhuǎn)化為雙參數(shù)威布爾分布形式。當(dāng)β=1，威布爾分布可轉(zhuǎn)化為指數(shù)分布，雖然該分布也可用于設(shè)備失效，但其失效概率為平行于時間軸的常數(shù)，只適用于設(shè)備的隨機失效期（失效概率低且穩(wěn)定），不適用于早期失效期和耗損失效期，因此威布爾分布在可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更廣。

對于α、β和γ的求解，可將式（4）兩邊同時取兩次對數(shù)，得到公式（5）。

[lnln11-f（t）=βln（t-γ）-βlnα]" （ 5 ）

令[Y=lnln11-f（t）]，[X=ln（t-γ）]，[B=-βlnα]，將公式（5）轉(zhuǎn)化為線性形式，可得到公式（6）。

[Y=βX+B]" （ 6 ）

最后，利用最小二乘法確定α、β和γ的近似解。

2" " 考慮多米諾效應(yīng)的后果區(qū)面積核算

常規(guī)算法根據(jù)泄漏速率的不同，按照瞬間泄漏或持續(xù)泄漏方式核算設(shè)備的后果區(qū)面積，但卻未考慮臨近設(shè)備達(dá)到升級閾值后，受熱輻射、超壓影響發(fā)生的多米諾效應(yīng)。多米諾效應(yīng)會增加單次事故的后果區(qū)面積，公式如下：

[A=A初始+Pd，m×Am]" "（ 7 ）

式中：A為總的后果區(qū)面積，m2；A初始為初始泄漏事故引發(fā)的后果區(qū)面積，m2；Am為第m個多米諾設(shè)備引發(fā)的后果區(qū)面積，m2；Pd，m為第m個多米諾設(shè)備的失效概率。A初始和Am均可根據(jù)常規(guī)方法核算。

后果區(qū)面積核算的具體步驟如下。

1）假設(shè)一個設(shè)備發(fā)生泄漏失效，將其作為初始泄漏設(shè)備。

2）考慮到噴射火和蒸氣云爆炸是可同時發(fā)生的后果類型，故分別采用Mudan模型或TNT當(dāng)量模型，計算初始泄漏設(shè)備失效后，不同距離下的擴展向量值（熱輻射強度或超壓）[13]。根據(jù)表1的事故升級閾值，確定可能發(fā)生多米諾效應(yīng)的設(shè)備。

3）采用Proit模型計算多米諾效應(yīng)下的設(shè)備損壞概率，將其作為Pd，m值。

[Pd，m=12π-∞y-5e-u22 du] （ 8 ）

式中：y為概率單位，無量綱；u為積分變量，無量綱。其中，y值可根據(jù)設(shè)備類型、物理效應(yīng)和升級閾值確定。

4）為避免單一設(shè)備同時發(fā)生噴射火或蒸氣云爆炸時核算后果面積出現(xiàn)的面積擴大，還需考慮事故發(fā)生比例，修正后的Pd，m′見下式。

[Pd，m'=PJF，m×qJF+PVCE，m×qVCE] （ 9 ）

式中：PJF，m為第m個設(shè)備發(fā)生噴射火時的設(shè)備損壞概率；PVCE，m為第m個設(shè)備發(fā)生蒸氣云爆炸時的設(shè)備損壞概率；qJF和qVCE分別為噴射火、蒸氣云爆炸的事故發(fā)生比例，可通過現(xiàn)場維搶修記錄獲取。

5）最后，通過圓弧并面積算法求二維平面內(nèi)一系列后果區(qū)的總面積[14]。以四個后果面積疊加為例，見圖1。

O1為初始泄漏設(shè)備引發(fā)的后果區(qū)圓心，O2、O3、O4為第2～4個多米諾設(shè)備引發(fā)的后果區(qū)圓心。按照逆時針旋轉(zhuǎn)定義約束圓弧和自由圓弧，前者定義為一個圓中被其他圓覆蓋的圓?。▓D1中紅色區(qū)域），后者定義為一個圓中未被其他圓覆蓋的圓?。▓D1中黑色區(qū)域）；隨后，將同一個圓中重疊的約束圓弧合并，形成獨立約束圓弧，以獨立約束圓弧的起點作為矢量起點指向圓心，再以圓心為矢量起點指向獨立約束圓弧的終點；最后，將整個后果區(qū)面積分割為多邊形和扇形區(qū)域，分步計算上述區(qū)域的面積后求和，即可得到總面積。

3" " 實例分析

以某集輸站場內(nèi)的伴生氣脫水處理和深冷處理工藝橇為研究對象，實施風(fēng)險評價。工藝布局及相鄰設(shè)備間的距離見圖2。

3.1" " 設(shè)備失效概率計算

以脫乙烷塔重沸器為例，長寬高分別為1.5 m、0.95 m和0.78 m，設(shè)計壓力7.5 MPa，運行壓力3 MPa，通過超聲波壁厚測試結(jié)果結(jié)合檢測周期確定均勻腐蝕速率為0.342 mm/a。統(tǒng)計該廠內(nèi)同類型重沸器的失效次數(shù)，泄漏孔徑在（0，0.01D]%、（0.01D，0.1D]%、（0.1D，1D]%、（1D，10D]%、（10D，100D]%的失效次數(shù)分別為9、7、6、11、7次。以（0，0.01D]%為例，故障數(shù)據(jù)見表2。

先通過K-S檢驗確定參數(shù)服從的分布類型，見表3。除指數(shù)分布和伽馬分布外，其余分布類型的統(tǒng)計量均小于概率P值，說明在顯著性檢驗水平5%的條件下，數(shù)據(jù)可能服從正態(tài)分布、雙參數(shù)威布爾分布和三參數(shù)威布爾分布。隨后，繼續(xù)考察經(jīng)驗分布函數(shù)線性化后的擬合優(yōu)度，雙參數(shù)威布爾分布的擬合優(yōu)度最佳，故后續(xù)選擇采用該分布類型進(jìn)行分析。

采用最小二乘法確定尺度參數(shù)α為896.62，95%的置信區(qū)間為[684.80，1 173.98]；形狀參數(shù)β為2.53，95%的置信區(qū)間為[1.43，4.45]，將參數(shù)代入式（3）和式（4），可靠性函數(shù)見圖3。圖3（a）顯示720 d對應(yīng)概率密度面積的極大值，此時為失效概率最大時刻，該時刻對應(yīng)圖3（b）的失效概率為4.22 × 10-4次/d，按照年運行時間300 d核算，換算后的失效概率為0.126 6次/a。

同理，依次計算脫乙烷塔重沸器其余泄漏孔徑下的同類設(shè)備失效概率，結(jié)果見表4。隨著泄漏孔徑的增大，同類設(shè)備失效概率迅速減小，待達(dá)到完全破裂情況時，失效概率已降低至10-5級別，說明應(yīng)重點關(guān)注泄漏孔徑小于0.1D%的小孔泄漏。

隨后，按照式（2）計算出評價區(qū)域內(nèi)的全部設(shè)備失效概率，見表5。修正后的失效概率均大于常規(guī)RBI計算結(jié)果，該結(jié)果體現(xiàn)了單一站場設(shè)備失效的實際值，也反映了我國在管理水平、腐蝕控制、工藝連續(xù)性及穩(wěn)定性上與國外存在一定差距，與實際情況相符。

3.2" " 后果區(qū)面積計算

假設(shè)脫乙烷塔重沸器由于內(nèi)部腐蝕發(fā)生泄漏，泄漏孔為圓形，當(dāng)量尺寸16.5 mm，泄漏時大氣穩(wěn)定度D類、大氣相對濕度85%、環(huán)境溫度25℃，無風(fēng)。利用DNV PHAST軟件核算熱輻射和超壓范圍[15-16]，見圖4。評價區(qū)域內(nèi)的設(shè)備均為壓力設(shè)備，在距離9.0 m處，熱輻射強度超過事故升級閾值，由此確定液化氣塔、脫乙烷塔回流泵、脫乙烷塔回流罐、液化氣塔重沸器、液化氣塔回流泵、液化氣塔回流罐等為多米諾效應(yīng)影響設(shè)備；同理，在距離11 m處，超壓超過事故升級閾值，確定了與熱輻射強度一致多米諾效應(yīng)影響設(shè)備。根據(jù)周圍設(shè)備與事故源的位置信息，代入式（8）計算噴射火和蒸氣云爆炸引發(fā)的設(shè)備損壞概率；該地區(qū)發(fā)生噴射火或蒸氣云爆炸的事故比例分別為0.125、0.312，按照式（9）確定Pd，m′；在利用常規(guī)方法計算初始后果區(qū)面積的基礎(chǔ)上，結(jié)合Pd，m′核算多米諾后果區(qū)面積，計算結(jié)果見表6。

在坐標(biāo)系中繪制多米諾后果區(qū)域，見圖5。采用圓弧并面積的算法得到后果區(qū)面積為1 183.34 m2。如不考慮多米諾效應(yīng)的影響，則該場景下的后果區(qū)面積等于脫乙烷塔重沸器引發(fā)的后果區(qū)面積，為820 m2，對實際后果低估了30.7%；如考慮多米諾效應(yīng)的影響，但未消除重疊區(qū)域帶來的后果高估，則該場景下的后果區(qū)面積為所有初始后果區(qū)面積之和，為3 685.18 m2，對實際后果高估了211.4%。綜上，說明本文方法的預(yù)測結(jié)果更具科學(xué)性和合理性。

3.3" " 風(fēng)險評價結(jié)果

按照上述分析計算得到的結(jié)果，依據(jù)文獻(xiàn)[13]中5×5的風(fēng)險矩陣核算不同設(shè)備發(fā)生事故后的風(fēng)險等級，并與常規(guī)風(fēng)險評價方法的結(jié)果對比，見表7。除膨脹機、脫乙烷塔回流泵和液化氣塔回流泵的后果面積較小外，其余設(shè)備的失效后果面積均達(dá)到了E級。本文方法風(fēng)險評價結(jié)果有6個IV級風(fēng)險，其余均為II級和III級風(fēng)險；常規(guī)方法結(jié)果中未見IV級風(fēng)險，只有4個III級風(fēng)險，說明常規(guī)方法得到的風(fēng)險等級水平出現(xiàn)了明顯低估，與現(xiàn)場實際情況不符。

4" " 結(jié)論

1）采用雙參數(shù)威布爾分布和最小二乘法，對常規(guī)RBI理論中同類設(shè)備失效概率計算公式進(jìn)行了修正，且對失效概率分級方法進(jìn)行了改進(jìn)，從僅憑借泄漏孔徑的大小為分級依據(jù)改進(jìn)為根據(jù)泄漏孔徑與管徑的比值分類。其中脫甲烷塔重沸器和脫乙烷塔重沸器的失效概率最大。

2）結(jié)合多米諾效應(yīng)和圓弧并面積算法，對初始泄漏設(shè)備引發(fā)的后果區(qū)面積進(jìn)行了核算，計算結(jié)果避免了高估或低估失效風(fēng)險，更符合工程實際。

3）通過風(fēng)險矩陣得到了站內(nèi)不同設(shè)備的風(fēng)險等級，其中部分設(shè)備的風(fēng)險等級已達(dá)到最高級別的（IV級），應(yīng)對其檢驗周期及防護(hù)措施進(jìn)行重點調(diào)控。

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作者簡介：

張" " 麗（1980—），女，河北南宮人，工程師，2005年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟學(xué)院（現(xiàn)河北地質(zhì)大學(xué)）工程管理專業(yè)，現(xiàn)主要從事工程技術(shù)管理工作。Email：56090715@qq.com

收稿日期：2024-07-05