曹開華

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120)

近年來，中國(guó)油氣建設(shè)企業(yè)在中東地區(qū)承攬了大量的油田地面建設(shè)項(xiàng)目，中東地區(qū)的油田多處于沙漠深處，自然環(huán)境非常惡劣，且原油含硫量高，井口產(chǎn)出物對(duì)集輸管道的腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致集輸管道超壓引起管道破裂，對(duì)環(huán)境和人身安全都造成非常重大的影響。在油田集輸管道超壓保護(hù)中引入高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS，使集輸管道處于安全的運(yùn)行壓力范圍之內(nèi)，并且具有非常高的安全完整性，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著，在中東地區(qū)各大石油公司得到了普遍的應(yīng)用。

1 HIPPS在油田集輸管道中的應(yīng)用背景

HIPPS屬于安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的一種特殊技術(shù)，通常用于安全等級(jí)要求很高的工藝設(shè)施，可通過切斷危險(xiǎn)壓力源防止下游管道和設(shè)施超壓，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的目的。HIPPS技術(shù)的應(yīng)用一方面可以降低被保護(hù)對(duì)象的承壓等級(jí)，另一方面可以取消機(jī)械式安全閥和放空火炬等被動(dòng)安全泄放設(shè)施，對(duì)于整個(gè)工程既提高了安全可靠性，又降低了投資成本。

中東地區(qū)部分油田經(jīng)過多年生產(chǎn)后，需要注氣維持油藏壓力，使油氣比逐漸提高，油井的產(chǎn)出壓力也逐漸提高，同時(shí)由于集輸管道在高含硫工況下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間服役被腐蝕后，管線的最大允許工作壓力逐漸降低，當(dāng)油井的出口壓力超出集輸管道的最大允許工作壓力時(shí)將造成爆管事故。中東高含硫油田的硫化氫含量非常高，為避免運(yùn)營(yíng)過程中超壓事故的發(fā)生，可以考慮更換原有集輸管道，使管道的最大允許工作壓力重新高于油井出口壓力。由于該方法需要更換大量的管線，顯然是不經(jīng)濟(jì)的，因此一種經(jīng)濟(jì)的替代方案應(yīng)運(yùn)而生，讓集輸管道工作在一個(gè)稍低的最大允許工作壓力下，并用HIPPS來檢測(cè)運(yùn)行壓力；當(dāng)運(yùn)行壓力超過現(xiàn)有管道的最大允許工作壓力時(shí)，關(guān)閉井口安全截?cái)嚅y，實(shí)現(xiàn)預(yù)防下游管道和設(shè)施超壓的目的。HIPPS在集輸管道中的工藝控制流程如圖1所示。

圖1 HIPPS在集輸管道中的工藝控制流程示意

2 HIPPS工程設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化HIPPS設(shè)計(jì)，增加其在惡劣自然環(huán)境下的適應(yīng)能力和可靠性，該系統(tǒng)采用2臺(tái)冗余安全跳閘放大器作為邏輯控制器，冗余方式為“1oo2”；高壓力保護(hù)輸入變送器2臺(tái)，冗余方式為“1oo2”方式；最終執(zhí)行元件為2臺(tái)串聯(lián)的安全截?cái)嚅y，冗余方式為“1oo2”，每臺(tái)安全截?cái)嚅y液動(dòng)控制回路由2臺(tái)電磁閥串聯(lián)組成“1oo2”冗余方式，HIPPS結(jié)構(gòu)如圖2所示。HIPPS作為集輸管道超壓的預(yù)防性保護(hù)功能，根據(jù)HAZOP和安全完整性等級(jí)(SIL)分析，考慮到高含硫原油泄漏導(dǎo)致對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生的重大風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到SIL3級(jí)。

本文中采用安全跳閘放大器替代常規(guī)的安全PLC，該安全跳閘放大器具有1條信號(hào)輸入通道和2條安全繼電器輸出通道，單個(gè)放大器可滿足SIL2級(jí)要求，冗余配置下可達(dá)到SIL3級(jí)要求。采用安全跳閘放大器后簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，信號(hào)連接采用硬接線，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，降低了運(yùn)行維護(hù)的難度，故障排除更加容易，平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)可低于8 h，根據(jù)ISA TR84.00.02當(dāng)MTTR低于8 h時(shí)可忽略維修期間的二次故障引起的失效，從而提高了系統(tǒng)的SIL等級(jí)。

圖2 HIPPS結(jié)構(gòu)示意

3 SIL等級(jí)驗(yàn)證

3.1 要求時(shí)的平均失效概率驗(yàn)證

如前所述，當(dāng)HIPPS用于集輸管道超壓保護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到SIL3，按照IEC 61508其平均失效概率(PFDavg)應(yīng)在1×10-4～1×10-3。HIPPS系統(tǒng)包含檢測(cè)元件、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件3套子系統(tǒng)，本文擬采用ISA TR 84.00.02-3中的故障樹法來計(jì)算3套子系統(tǒng)及HIPPS的PFDavg。

3.1.1 根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)架分析確定故障樹

根據(jù)圖2所示系統(tǒng)構(gòu)架，各子系統(tǒng)在如下情況下發(fā)生時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全故障狀態(tài)：

1)檢測(cè)元件子系統(tǒng)中的2臺(tái)變送器同時(shí)故障。

2)邏輯控制器子系統(tǒng)中的2臺(tái)邏輯控制器同時(shí)故障。

3)最終執(zhí)行元件子系統(tǒng)中的SOV-1，SOV-2，SOV-3，SOV-4閥同時(shí)故障。

4)SSV-1和SSV-2閥同時(shí)故障。

根據(jù)故障分析結(jié)果，HIPPS系統(tǒng)故障樹如圖3所示。

圖3 HIPPS系統(tǒng)故障樹示意

3.1.2 計(jì)算元件獨(dú)立失效和共同原因失效的PFDavg

在圖3故障樹分析過程中，為清晰突出系統(tǒng)故障的組合排列，省略了共同原因這項(xiàng)，但在具體采用相同設(shè)備冗余配置使系統(tǒng)達(dá)到SIL2及以上等級(jí)時(shí)，由于相同的設(shè)備在同樣的自然環(huán)境及維護(hù)條件下，存在共同原因失效的風(fēng)險(xiǎn)，在SIL驗(yàn)證中應(yīng)按照β模型分別計(jì)算獨(dú)立失效和共同原因失效的PFDavg。根據(jù)TR 84.00.02，本文選取了最嚴(yán)苛的共同原因系數(shù)，取β=0.1，考慮共同原因失效后，對(duì)于元件獨(dú)立失效的PFDavg0計(jì)算式如式(1)所示：

(1)

共同原因失效的PFDavg1如式(2)所示：

(2)

式中：λ——失效率，次/a;TI——檢驗(yàn)測(cè)試間隔時(shí)間，a，從各元件廠家產(chǎn)品提供的權(quán)威認(rèn)證參數(shù)中選取。獨(dú)立元件失效及共同原因失效計(jì)算結(jié)果見表1所列。

表1 獨(dú)立元件失效及共同原因失效計(jì)算

3.1.3 對(duì)故障樹進(jìn)行邏輯布爾運(yùn)算

基于PFDavg0及PFDavg1，在故障樹分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，可對(duì)每個(gè)故障組合進(jìn)行邏輯布爾運(yùn)算，將各故障組合的PFDavgi相加就可得到系統(tǒng)的PFDavg總。根據(jù)故障樹邏輯布爾運(yùn)算得出的各子系統(tǒng)及HIPPSPFDavg見表2所列，根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果HIPPS的PFDavg為4.65×10-4滿足了IEC 61508 SIL 3的要求，PFDavg驗(yàn)證通過。

表2 子系統(tǒng)及系統(tǒng)平均失效概率計(jì)算

3.2 結(jié)構(gòu)約束驗(yàn)證

HIPPS采用的所有元件都應(yīng)經(jīng)過如TüV以及Exdia等權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證產(chǎn)品，系統(tǒng)能力應(yīng)達(dá)到SC 3級(jí)。在該系統(tǒng)中檢測(cè)元件和邏輯控制器遵循1號(hào)路徑，檢測(cè)元件和邏輯控制器均為B類設(shè)備且設(shè)備安全失效分?jǐn)?shù)(SFF)均大于90%，按照IEC 61508-2表3，硬件故障裕度(HFT)為1，因此檢測(cè)元件和邏輯控制器滿足結(jié)構(gòu)約束要求。

最終執(zhí)行元件遵循2號(hào)路徑，電磁閥和安全截?cái)嚅y均為A類設(shè)備且設(shè)備SFF均大于90%，按照IEC 61508-2 表2，HFT為1，因此該設(shè)計(jì)方案中最終執(zhí)行元件滿足結(jié)構(gòu)約束要求。

4 測(cè)試間隔確定

在式(1)和式(2)計(jì)算驗(yàn)證中TI為1a，隨著時(shí)間間隔加長(zhǎng)，HIPPS的SIL等級(jí)逐漸下降，在該案例中當(dāng)TI為30個(gè)月時(shí)，該系統(tǒng)的PFDavg為1.21×10-3已經(jīng)不能滿足SIL3的要求，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)嚴(yán)格按照TI進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，保持HIPPS的安全完整性。

5 結(jié)束語

在高含硫油田中，HIPPS用于油田集輸管道的超壓保護(hù)是一種安全且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)約束條件和故障失效率約束條件，故障失效率可采用故障樹等手段來分析驗(yàn)證。在HIPPS運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循安全完整性驗(yàn)證中確定的TI，確保HIPPS在其壽命周期內(nèi)始終保持其完全完整性。