陳文賢，鄧琳納，陸瀟，劉畑，祁慶芳，梁昌晶

(1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司 西部塔里木輸油氣分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2. 中油國(guó)際管道有限公司，北京 100029；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第十一采油廠(chǎng)，陜西 西安 710016；4. 中國(guó)石油新疆油田分公司 油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆 昌吉 831100；5. 中國(guó)石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000；6. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552)

對(duì)油氣管道及站場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將事后處理轉(zhuǎn)為事前處理，已成為完整性管理的重要組成部分。目前針對(duì)長(zhǎng)輸管道完整性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究開(kāi)展較早也較成熟，中國(guó)大部分長(zhǎng)輸管道的高后果區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均已實(shí)現(xiàn)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，但油氣站場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究發(fā)展較慢。站場(chǎng)設(shè)備按照功能可分為靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備和安全儀表系統(tǒng)三類(lèi)，其中靜設(shè)備主要包括： 儲(chǔ)罐、換熱器、工藝管線(xiàn)、分離器等非轉(zhuǎn)動(dòng)類(lèi)設(shè)備，是油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重要組成部分，約占站場(chǎng)設(shè)備的70%以上。該類(lèi)設(shè)備經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役，容易發(fā)生腐蝕穿孔、設(shè)備老化、機(jī)械損傷等缺陷，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。該類(lèi)設(shè)備的日常無(wú)損檢測(cè)通常需要拆除外部保溫層并進(jìn)行停產(chǎn)及降溫作業(yè)，故檢測(cè)周期無(wú)法保證，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法及時(shí)反饋給管理者，因此有必要建立基于站場(chǎng)靜設(shè)備的失效分析模型。在此采用改進(jìn)的故障樹(shù)分析模型，通過(guò)編制軟件實(shí)時(shí)分析失效可能性，重點(diǎn)排查重要度較高的因素，并對(duì)比基于規(guī)范的失效概率計(jì)算結(jié)果，以期為站場(chǎng)完整性管理提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 改進(jìn)故障樹(shù)模型

故障樹(shù)通過(guò)對(duì)事故內(nèi)在邏輯的推理和演繹，從根本上找到防止事故發(fā)生的方法和措施，是由邏輯與門(mén)、或門(mén)連接的樹(shù)圖結(jié)構(gòu)。以人們所不期望發(fā)生的事件作為分析的對(duì)象事件，如火災(zāi)、爆炸、中毒事件等，通過(guò)調(diào)查事件發(fā)生的原因，包括同一設(shè)備或同一類(lèi)型設(shè)備的事故經(jīng)驗(yàn)，并加以整理，從頂事件出發(fā)，通過(guò)推理演繹，按照邏輯關(guān)系將其連接構(gòu)成故障樹(shù)模型。

故障樹(shù)的定性分析是利用布爾代數(shù)表達(dá)式，查清系統(tǒng)從基本事件到頂事件的發(fā)展途徑，求出引起頂事件發(fā)生的最少事件組合，通過(guò)計(jì)算最小割集和最小徑集，得到各基本事件對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度即結(jié)構(gòu)重要度I?(j)，并對(duì)其進(jìn)行排序如式(1)所示：

(1)

式中：xj∈Gr——基本事件xj屬于最小割集Gr；nj——基本事件xj所在的最小割集或徑集中包括的基本事件個(gè)數(shù)。

定量分析是根據(jù)各基本事件的失效概率求出頂事件發(fā)生的概率函數(shù)g，采用最小割集進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示，并與統(tǒng)計(jì)分析或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的可能性等級(jí)進(jìn)行對(duì)比，如兩者不符，則需要重新構(gòu)建故障樹(shù)模型；根據(jù)頂事件的失效概率，進(jìn)一步計(jì)算各基本事件的概率重要度系數(shù)，由于g屬于多重線(xiàn)性函數(shù)，因此對(duì)qj求一階偏導(dǎo)后可得到概率重要度Ig，如式(3)所示，可知道降低哪個(gè)基本事件發(fā)生的概率即可降低頂事件發(fā)生的概率。

(2)

式中：NG——最小割集數(shù)量；r——最小割集序數(shù)；j——基本事件序數(shù)；qj——第j個(gè)基本事件發(fā)生概率。

(3)

結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算結(jié)果取決于故障樹(shù)模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、專(zhuān)家判斷的準(zhǔn)確性相關(guān)；而概率重要度是通過(guò)定義各基本事件的失效概率進(jìn)行計(jì)算，故關(guān)鍵在于基本事件初始失效概率的選取。目前，失效概率計(jì)算主要有主觀(guān)法和客觀(guān)法兩種?？陀^(guān)法基于歷史失效數(shù)據(jù)，但國(guó)內(nèi)目前尚未建立長(zhǎng)期有效的失效數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)共享方面欠缺較多，一般參照國(guó)外石化行業(yè)的失效數(shù)據(jù)庫(kù)，但不同國(guó)家的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，無(wú)法直接應(yīng)用到國(guó)內(nèi)。因此，多采用基于專(zhuān)家知識(shí)判斷的主觀(guān)評(píng)價(jià)法，如層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等，但專(zhuān)家判斷需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷設(shè)備失效的實(shí)際情況，對(duì)所評(píng)價(jià)對(duì)象熟悉程度要求較高，主觀(guān)性較強(qiáng)。在此，將主觀(guān)層次分析法和客觀(guān)模糊概率法相結(jié)合，進(jìn)行主客觀(guān)賦權(quán)，提高結(jié)果的客觀(guān)性和準(zhǔn)確性。層次分析法用于對(duì)不同專(zhuān)家的權(quán)重進(jìn)行賦值，在以往文獻(xiàn)中介紹較多，在此只介紹模糊概率法的計(jì)算步驟。

專(zhuān)家在進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷時(shí)，不會(huì)給出具體的失效概率，而采用自然語(yǔ)言代替，將基本事件發(fā)生的可能性進(jìn)行細(xì)分，從很小到很大設(shè)置5個(gè)等級(jí)。自然語(yǔ)言模糊數(shù)如圖1所示。

首先，選擇站場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工、安裝、維修、改造、管理等方面的專(zhuān)家組成專(zhuān)家組，對(duì)各基本事件發(fā)放概率意見(jiàn)表，對(duì)可能性做出判斷，可能性設(shè)置按照自然語(yǔ)言設(shè)置；其次，將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成模糊數(shù)，給出圖1對(duì)照的隸屬度函數(shù)表達(dá)式如式(4)所示：

(4)

式中：a，b——自然語(yǔ)言模糊數(shù)的上、下限。

利用左右模糊排序算法計(jì)算最大隸屬度f(wàn)max(x)和最小隸屬度f(wàn)min(x)如式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

根據(jù)式(4)～(6)計(jì)算左、右隸屬度函數(shù)的可能性值FPSL(w)，F(xiàn)PSR(w)如式(7)和式(8)所示：

FPSL(w)=sup[fw(x)∧fmin(x)]

(7)

FPSR(w)=sup[fw(x)∧fmax(x)]

(8)

計(jì)算總隸屬度的可能性值FPS，并轉(zhuǎn)化為失效概率FFR，如式(9)和式(10)所示：

FPS=[FPSR(w)+1-FPSL(w)]/2

(9)

(10)

2 案例分析

采用本文所介紹的方法，對(duì)某站場(chǎng)原油儲(chǔ)罐腐蝕穿孔事件進(jìn)行失效分析。

2.1 失效模式分析

儲(chǔ)油罐是油品原材料、中間產(chǎn)物以及成品儲(chǔ)存或備用的主要設(shè)備。工況條件惡劣、人員維護(hù)不當(dāng)和操作不當(dāng)?shù)榷伎赡苁箖?chǔ)罐在日常的運(yùn)行中產(chǎn)生問(wèn)題，根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)的資料，可以了解到儲(chǔ)罐各部位的失效模式。一是環(huán)境開(kāi)裂，它的表現(xiàn)形式為罐體破裂、滲透，主要發(fā)生部位為罐壁下部焊縫處或罐底焊縫處，這是由于對(duì)接焊縫處的力學(xué)因素造成應(yīng)力集中，在大氣環(huán)境的作用下誘發(fā)應(yīng)力開(kāi)裂。二是失穩(wěn)失效，它的表現(xiàn)形式為整體傾斜式滑移、凹陷、罐頂塌陷，主要發(fā)生部位為罐壁、罐頂。三是腐蝕失效，腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕、局部腐蝕、點(diǎn)蝕、坑蝕或臺(tái)地腐蝕等。其中，腐蝕是引起儲(chǔ)罐失效的重要原因之一，外部環(huán)境和罐內(nèi)介質(zhì)的共同作用會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐的不同部位發(fā)生腐蝕，包括罐頂、罐壁和罐底都會(huì)受到一定程度的影響。按照油、氣、水三相分層，頂板和壁板上部為氣相腐蝕，壁板中部為油相腐蝕，而罐底和壁板下部為水相腐蝕。其中，罐底的腐蝕是最為嚴(yán)重的，這是由于游離水大部分沉積在罐底發(fā)生電化學(xué)腐蝕，根據(jù)歷史大修數(shù)據(jù)，因腐蝕原因造成的儲(chǔ)罐停產(chǎn)事故中底板腐蝕占較大比例。

選擇儲(chǔ)罐腐蝕穿孔作為頂事件，建立了故障樹(shù)如圖2所示，對(duì)應(yīng)各基本事件名稱(chēng)見(jiàn)表1所列。

圖2 儲(chǔ)罐腐蝕穿孔故障樹(shù)示意

表1 儲(chǔ)罐腐蝕穿孔故障樹(shù)的基本事件

2.2 軟件計(jì)算

站場(chǎng)靜設(shè)備失效分析軟件在VS環(huán)境下用C#編程語(yǔ)言完成編制。軟件的主體框架由工程管理、故障樹(shù)分析、失效概率定量分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、結(jié)果輸出和幫助六大模塊組成。用戶(hù)輸入計(jì)算所需的基本參數(shù)，軟件可以自動(dòng)生成故障樹(shù)分析計(jì)算結(jié)果表、失效概率定量分析計(jì)算結(jié)果表和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析計(jì)算結(jié)果表，并可以自行導(dǎo)出使用。

以某常壓油罐為例，類(lèi)型為立式圓筒型，罐頂形式為浮頂。邀請(qǐng)3位來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的操作和技術(shù)專(zhuān)家(主要為油氣集輸、油氣儲(chǔ)運(yùn)、腐蝕防護(hù)方向)，運(yùn)用層次分析法對(duì)3位專(zhuān)家的權(quán)重進(jìn)行賦值。通過(guò)分析，3位專(zhuān)家的能力權(quán)重分別為： 0.331，0.367，0.302。

根據(jù)專(zhuān)家判斷的自然語(yǔ)言和權(quán)重，計(jì)算各基本事件的發(fā)生概率、概率重要度系數(shù)、重要度排序和頂事件失效概率，并根據(jù)失效概率判定失效可能性等級(jí)。儲(chǔ)罐故障樹(shù)計(jì)算結(jié)果(部分)見(jiàn)表2所列。

經(jīng)計(jì)算，該故障樹(shù)有全部最小割集130個(gè)，其中三階最小割集有100個(gè)，四階最小割集有30個(gè)，說(shuō)明導(dǎo)致儲(chǔ)罐腐蝕穿孔事件發(fā)生有130種可能性。據(jù)此，各機(jī)構(gòu)管理、操作人員可以根據(jù)130個(gè)最小割集中基本事件的特性及其可能發(fā)生的條件作出比較全面的預(yù)防措施，從而保證工程運(yùn)行過(guò)程中的安全性。

經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)罐腐蝕穿孔頂事件的失效概率為5.5×10-11，參照GB/T 26610.4—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》中的失效可能性等級(jí)劃分為1級(jí)。根據(jù)重要度排序，絕緣涂層問(wèn)題是重要度較高的因素，包括粘結(jié)力低、破損、老化問(wèn)題；陰極保護(hù)問(wèn)題也是重要度較高的因素，包括電位不足、材料失效、保護(hù)方式不當(dāng)。因此，應(yīng)加強(qiáng)絕緣涂層的檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行修復(fù)。陰極保護(hù)方式推薦為外加電流的保護(hù)方式，應(yīng)隨時(shí)監(jiān)控電位，防止出現(xiàn)電位不足的情況。同時(shí)，推薦日常檢測(cè)的間隔時(shí)間為1次/年。日常檢測(cè)方法為宏觀(guān)檢查和壁厚測(cè)定。其中，宏觀(guān)檢查以容器銘牌、漆色、標(biāo)記，本體裂紋、變形，異常振動(dòng)、結(jié)露情況，焊接接頭裂紋、泄漏，排污裝置的檢查為重點(diǎn)。修復(fù)時(shí)，具體參照SY/T 6220—2014《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》和 SY/T 5921—2011《立式圓筒形鋼制焊接原油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

2.3 結(jié)果對(duì)比

以采用軟件計(jì)算的8個(gè)儲(chǔ)罐為例，將軟件計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采用磁粉無(wú)損檢測(cè)方法的結(jié)果對(duì)比，同時(shí)將軟件計(jì)算結(jié)果與GB/T 26610.4—2014的分析結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表3所列。

表3 儲(chǔ)罐計(jì)算結(jié)果對(duì)比

8個(gè)儲(chǔ)罐中利用軟件計(jì)算的失效可能性等級(jí)和檢測(cè)結(jié)果相同，和利用規(guī)范分析得到的結(jié)果也相同。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，8個(gè)儲(chǔ)罐的腐蝕減薄情況并不嚴(yán)重，可以繼續(xù)監(jiān)控使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

將層次分析法和模糊概率法結(jié)合計(jì)算基本事件失效概率，由此計(jì)算頂事件失效概率，該方法可降低主觀(guān)判斷的影響；通過(guò)編寫(xiě)失效分析軟件，以原油儲(chǔ)罐為例進(jìn)行計(jì)算，失效可能性計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果相符，根據(jù)概率重要度排序，可針對(duì)重要度較高的事件提出風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。