基于多狀態的天然氣長輸管道分輸站功能可靠性評價方法

＊張宗杰 鞠峰 邱天 楊坤 劉季 王一廉

（中國石油西氣東輸管道公司 上海 200122）

基于多狀態的天然氣長輸管道分輸站功能可靠性評價方法

＊張宗杰 鞠峰 邱天 楊坤 劉季 王一廉

（中國石油西氣東輸管道公司 上海 200122）

確保分輸站功能可靠是保障天然氣長輸管道正常供氣的基礎，目前尚未發現針對天然氣長輸管道分輸站功能可靠性的定義與評價方法。目前針對油氣站場的可靠性方法一般基于“二態假設”，一定程度上與實際情況不符。基于此，本文根據實際情況，定義了天然氣長輸管道分輸站的功能可靠性；應用多狀態系統可靠性評價方法，提出了分輸站的功能可靠性評價方法，構建了其功能風險分析模型。

分輸站；功能可靠性；多狀態系統；風險分析

天然氣長輸管道由管道、分輸站、壓氣站場等單元組成，每種單元在系統中承擔不同的任務，共同實現管道的供氣功能。分輸站是連接干線管道與下游用戶的樞紐，具有分離、計量、調壓等功能，其平穩運行是確保天然氣長輸管道安全供氣的重要前提。然而，受運行環境與人為因素影響，局部失效、性能退化、甚至站場失效等事件時有發生，對西氣東輸管道的平穩運行造成負面影響。分輸站的運行安全性與功能可靠性的重要意義正逐漸凸顯。

可靠性理論自20世紀50年代發源以來，得到了世界各地研究者的廣泛關注，并在眾多行業中被成功應用。然而，隨著工程系統復雜程度的不斷提高，傳統可靠性理論與方法的實用價值受到了質疑。原因在于，具有先進功能的機械設備或基礎設施往往屬于復雜系統，這些復雜系統具有各自的物理過程和單元技術，且呈現出多狀態特征，這對傳統可靠性評價方法中的“二態假設”提出了挑戰。所謂二態假設即將系統或單元粗略地劃分為“正常”和“故障”兩種狀態，這種假設往往與實際情況不符。

本文建立了一個基于多狀態的分輸站運行可靠性評價模型，評價了天然氣長輸管道中某分輸站的可靠性與安全性。該模型能夠根據實際情況，考慮分輸站系統的多狀態特性，提高評價結果的準確性，能夠更好地體現出評價結果的實際工程意義。

1.研究現狀

經過查閱大量國內、外文獻，尚未發現針對天然氣管道分輸站的可靠性評價方法。在相近領域，研究者對油氣管道站場及其相關配套設施的可靠性評價或風險分析開展了一些研究。為了滿足不同需求，研究者在進行站場的可靠性評價或風險分析時，采用定性與定量兩種方法。

定性分析的主要目的是分析站場失效的原因與后果之間的復雜關系。如楊培風采用RCM方法，評估了西二線管道某天然氣站場的失效模式，并進行了失效后果及其風險分析，得出了改站場中不同設備的風險等級。蔣宏業等采用SHEL模型和Reason模型，建立了適用于壓氣站的SHELReason聯合模型，用于分析人為因素對壓氣站失效事件的影響。定性分析能夠比較清楚地反映失效因素、失效模式、失效后果間的邏輯關系，但是不能量化這種關系，也無法定量表征站場的可靠性水平。

目前，對油氣站場可靠性或風險的定量評價一般基于經典可靠性理論中的“二態假設”。故障樹是一種常用的站場可靠性定量評價方法，在故障樹中，設備只有正常和故障兩種狀態。此外，其它方法中，“二態假設”被廣泛接受。例如，基于風險的檢驗（RBI）技術被應用于輸氣站場的設備風險評估，其失效概率計算模塊的基礎就是“二態假設”。

但是，基于“二態假設”的傳統可靠性方法已不能滿足天然氣長輸管道分輸站的可靠性評價的需求。分輸站系統及其組成單元在壽命周期內具有退化特性，其故障往往呈現多狀態特征，“二態假設”難以準確描述這類系統故障規律。目前，尚未有研究者提出一種能夠考慮這種多狀態特征的天然氣長輸管道分輸站可靠性評價方法。然而，在系統可靠性評價研究中，研究者已提出了若干適用于多狀態系統可靠性分析方法。

2.基于多狀態的天然氣長輸管道分輸站可靠性評價方法

傳統可靠性評價方法通常基于“二態假設”，即評價對象只存在“正常”與“失效”兩種狀態。目前應用于油氣站場的可靠性評價方法也大多以此為基礎。然而，根據工程經驗，天然氣長輸管道分輸站系統往往會經歷一個退化過程，因此其功能一般存在多個中間狀態。這種情況導致基于“二態假設”的傳統可靠性評價方法在一定程度上不能滿足分輸站的評價目的。為此，需根據分輸站的結構特點與實際需求建立滿足多狀態的可靠性評價方法。

本文將天然氣長輸管道分輸站定義為一個由分離單元、計量單元、調壓單元構成的串聯系統。這種假設既滿足可靠性評價的需要，也符合工程經驗。

根據現場的長期實踐經驗可知，天然氣長輸管道分輸站系統及其組件在運行過程中往往具有明顯的退化特性，其故障規律呈現出多種狀態，即在正常工作狀態與完全失效工作狀態間，存在多個中間狀態。顯然，傳統可靠性理論的“二態假設”難以準確描述這種情況。為了分析這種多狀態系統的可靠性，本文做出以下假設：

①分輸站系統的可靠性狀態隨時間退化；

②在退化過程中，系統的可靠性狀態只能向更差的狀態逐漸改變；

③這些系統狀態是離散的。

分輸站系統的退化過程如圖1所示：

圖1 分輸站系統及其組件的狀態變化圖

(1)天然氣長輸管道分輸站運行可靠性評價模型

為了加強對分輸站運行效能與安全性的重視，須根據實際情況分析該分輸站系統及其單元的可靠性狀態。本文考慮了現場工作人員的觀點，并基于文中對分輸站功能的定義，區分了分輸站系統及其組件的三種可靠性狀態：

①可靠性狀態3：分輸站能夠按規定完成功能；

②可靠性狀態2：分輸站功能輕微退化，如分離不徹底等；

③可靠性狀態1：分輸站功能嚴重退化；

④可靠性狀態0：分輸站完全失效。

為了以數學形式描述分輸站的可靠性狀態，本文定義了分輸站的系統多狀態可靠性函數，形式如下：

其中，R(t,u)=P(S(t))≥u∣S(0)=3)=P(T(u)＞t),

式中，R(t,u)為分輸站系統在t時刻的可靠性狀態處于狀態子集｛u,u+1,…,3｝，且在初始時刻分輸站處于完好狀態的概率。R(t,u)也稱為系統的多狀態條件可靠性函數坐標。T(u)為一個隨機變量，代表系統的可靠性狀態處于狀態子集｛u,u+1,…,3｝的時間，且在初始時刻分輸站處于完好狀態。一般情況下，采用歷史統計數據與可靠性理論可以得到可靠度分布函數。因此，需分析可靠度分布函數、T(u)及R(t,u)之間的關系，結果如下：

根據式（1）與式（2）可以得到以下結論：

接下來，做出定義如下：

定義式（5）為分輸站系統在t時刻處于可靠性狀態u且初始時刻系統處于完好狀態的概率。根據上述定義，可以得出以下結論：

式(1)—式(6)定義了基于多狀態的分輸站的運行可靠性，并給出了不同狀態下的可靠性計算方法。但是，在實際工程上，通常采用平均壽命來反映系統的可靠性水平。根據上文中的定義與闡述，基于多狀態的分輸站平均壽命評價模型如下：

其中，μ(u)為分輸站系 統 在 可 靠 性 狀 態 子集｛u,u+1,…,3｝中的平均壽命。另外，根據式(6)的定義，可以推算系統在不同可靠性狀態中的平均壽命，計算方法如式8)所示。

其中，μ(u)為分輸站處于可靠性狀態u的平均壽命。

此外，根據式（6）中的結論，可以進一步得到以下關系：

(2)基于多狀態的分輸站系統運行風險分析方法

本文通過建立壓氣站的多狀態可靠性評價模型，突破了傳統可靠性理論中“非此即彼”的二態假設，細化了評價結果。但是，這種細化的評價結果在一定程度上增加了分析難度。為了便于將該方法應用于工程實踐，筆者在分輸站運行可靠性評價模型的基礎上，構建了基于多狀態的分輸站系統風險函數，如式(10)所示。

式中，r(t)為在系統初始時刻完好的前提下，分輸站系統可靠性狀態處于臨界狀態r以下的概率。根據上述定義，分輸站的系統風險函數可以通過以下方式求解：

根據式(11)可知，分輸站的系統風險函數與可靠性函數具有對應關系。

根據上文分析，分輸站可以看作由分離單元、計量單元及調壓單元構成的串聯系統。根據傳統可靠性理論，串聯系統應滿足以下條件：

其中，Ti(u)為單元i在初始狀態完好前提下，可靠性狀態處于｛u,u+1,…,3｝的時間。因此，基于式(2)、式(12)與串聯系統的特點，分輸站系統可靠性函數求解方法如下：

其中，Fi(t,u)為分輸站中，第i個單元的可靠度分布函數。

根據本文對分輸站可靠性的定義，確保單元的功能完好是保障系統可靠性的前提。在本文中，假設計量單元、分離單元及調壓單元均具有指數形式的可靠度分布函數。同時，根據某分輸站的失效統計數據，采用統計推斷方法，在式(3)的基礎上，可以得到每個單元的條件可靠度函數坐標如下。

①分離單元的條件可靠性函數：

R1(t，1)=exp(-0．00008t)，

R1(t，2)=exp(-0．00009t)，

R1(t，3)=exp(-0．00009t)；

②計量單元的條件可靠性函數：

R2(t，1)=exp(-0．00011t)，

R2(t，2)=exp(-0．00013t)，

R2(t，3)=exp(-0．00015t)，

③調壓單元的條件可靠性函數：

R3(t，1)=exp(-0．00044t)，

R3(t，2)=exp(-0．00044t)，

R3(t，3)=exp(-0．0005t)，

基于此，可得到某分輸站系統的運行可靠度函R(t,·)數圖像以及分輸站系統處于不同運行狀態的概率，如圖2、3所示。圖中結果反映了該系統處于不同可靠性狀態子集中的概率。通過分析結果的數值特征，可初步判斷分輸站在退化進程中的可靠性。

圖2 基于多狀態的分輸站系統可靠度函數坐標圖

圖3 分輸站系統處于不同運行狀態的概率

根據圖3中的結果，分輸站系統運行至1000小時左右，完全失效的概率開始高于系統功能完好的概率；同時，圖形顯示在此處系統發生退化的概率最高。因此，可將圖2中的R點作為對天然氣長輸管道分輸站進性維護的參考依據。

3.小結

(1)本文提出了天然氣長輸管道分輸站的功能可靠性定義，建立了基于多狀態的分輸站功能可靠性評價方法，改進了基于“二態假設”的運行可靠性評價方法，考慮了分輸站可能經歷的多種功能狀態，提高了評價方法的適用性。

(2)結合理論分析與工程經驗，本文應用所建立的方法評價了天然氣長輸管道某分輸站的功能可靠性。結合計算結果，分析了該分輸站目前的可靠性狀態，給出了相應建議。同時，基于分輸站的多狀態特性，定義了其功能風險，并做出預測。

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[2]蔣宏業,姚安林,毛建等．輸氣管道壓氣站事故人為因素研究[J]．石油礦場機械,2011,40(3):17-19．

[3]王勇．普光輸氣站場定量風險評價技術研究[D]．四川:西南石油大學,2012．

[4]鄭明,姚安林,葉沖等．基于RBI的輸氣站場分離器風險評估方法研究[J]．中國安全生產科學技術,2013,9(6):120-126．

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[7]Ko owrocki K, Soszyńska-Budny J． Reliability and Safety of Complex Technical Systems and Processes: Modeling–Identification–Prediction-Optimization[M]． Springer Science & Business Media, 2011．

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張宗杰（1990～），男，中國石油西氣東輸管道公司，研究方向：干線天然氣管道運行可靠性研究。

(責任編輯牛玉娟）

Functional reliability evaluation method for long distance transmission pipeline of natural gas based on multi state

Zhang Zongjie, Ju Feng, Qiu Tian, Yang Kun, Liu Ji, Wang Yilian
(China Petroleum west east gas pipeline company, Shanghai, 200122)

To ensure reliable delivery stations is a foundation to ensure the normal supply of natural gas transmission pipeline, has not yet been found for long distance gas pipeline station definition and evaluation method of functional reliability. The oil station general reliability method based on the "two state hypothesis", to a certain extent inconsistent with the actual situation based on this, according to the actual situation, the definition of natural gas distribution station function reliability of pipeline; reliability of multi state system evaluation method, put forward the distribution function method for reliability evaluation of station, establishes the function model of risk analysis.

sub station；functional reliability；multi state system；risk analysis

TE

A