油氣集輸站場失效可能性定量評價方法研究*

周夏伊，劉 慧，陳 林，馮大成，牟鵬飛

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500; 2.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

目前，油氣管道風險評價技術已日漸成熟并實現工業化應用，但與管道相比，站場內設備眾多，壓力高，工藝復雜，運行操作難度大，不同設備的屬性和失效機理也不相同[1-2]。在油氣站場風險評價方法研究過程中，大致可分為定性、半定量和定量評價方法。

定性評價方法過于依賴評價人員的主觀判斷[3]，主要有危險與可操作性分析法和指標體系評價法等，曹濤等[4]在長輸油氣管道站場風險評價中，通過HAZOP法分析偏差產生的原因識別出站場存在的隱患；施林圓等[5]在四川輸氣站場風險評價方法的研究中，使用指標體系評價法建立1套輸氣站場風險評價理論體系，并應用在四川10個輸氣站的風險管理中，取得較好的效果。

半定量評價方法以評價指標為基礎，通過判斷各指標對整體的重要性程度，給各指標分配權重值，準確性比定性評價方法精確[6]，主要包括專家評價法、肯特打分法等，蔣宏業[7]在油田聯合站風險評價工作中，通過故障樹分析法分析設備的失效因素，通過層次分析法確定各級失效因素的權重，對聯合站風險管理工作具有指導意義。

定量評價方法基于失效概率數據庫，通過建立數學模型，對失效概率進行修正得到實際站場的失效概率[8]，該方法計算過程復雜但結果準確性高，應用最廣泛的是定量RBI評價技術，國內外學者研究在此方面獲得較大進展[9-11]，美國頒布了標準《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12]，成為油氣站場完整性管理的指導性文件[12]，國內學者也將API 581應用到站場風險評價中，為油氣站場的完整性管理工作提供理論支持[13-15]。

但在已有的定量評價方法研究中只進行了設備失效概率的計算，沒有計算站場整體的失效概率。油氣站場的設備是共同完成對石油、天然氣處理及運輸工作的，設備之間是相互聯系的，單獨計算每個設備的失效概率對于整個站場風險管理工作提供的指導不夠全面。為解決此問題，本文在運用標準《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12](下文簡稱為“標準”) 計算設備失效概率基礎上，結合系統可靠性分析方法GO法計算站場整體的失效概率。

1 油氣集輸站場失效可能性定量評價方法

站場失效可能性評價包括設備失效概率計算、設備安全等級狀況確定、站場可靠性參數計算和站場失效可能性等級確定。

1.1 站場設備失效概率計算方法

通過計算損傷因子和管理系統修正因子來修正設備的基礎失效概率，設備基礎失效概率數據基于美國石化公司統計的設備失效數據[12]，見表1。

表1 站場設備基礎失效概率

管理系統修正因子可借鑒“標準”[12]管理系統評價打分表，從站場領導和管理、工藝安全信息、工藝危害性分析和管理變更等101個問題進行打分得到管理系統分值，最后將管理系統分值轉換成管理系統修正因子FMS[12]，如式(1)所示：

(1)

式中：FMS為管理系統修正因子；score為管理系統分值。

設備損傷因子大小由多種損傷機理共同決定。“標準”[12]中損傷因子從設備腐蝕減薄、脆性斷裂、高溫氫損傷、應力腐蝕和外部損傷等方面進行評價。針對站場實際情況可選用不同的損傷因子計算方法，其中最常見的就是腐蝕減薄情況，可使用減薄腐蝕損傷因子計算管道和設備的具體損傷情況。

1)腐蝕速率

計算腐蝕減薄因子首先需要確定設備的單位腐蝕速率Art[12]，如式(2)所示：

(2)

式中：Art為設備單位壁厚的腐蝕量，mm；Cr,bm為設備腐蝕速率，mm/a；trdi為設備本次檢測時壁厚，mm；age為設備運行時間，a。

2)設備強度比

設備強度比與設備內壓、直徑、部件形狀和流動應力有關[12]，如式(3)所示：

(3)

3)檢驗效果評價因子

損傷因子的準確性還與檢驗有效性有關，檢驗有效性可通過后驗概率確定，而后驗概率又與有效性因子、先驗概率和條件概率有關[12]，如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

4)腐蝕減薄因子

(6)

(7)

(8)

式中：設COVΔt=0.20,COVSf=0.20,COVP=0.05，腐蝕破壞程度1，2，3對應的腐蝕速率因子DS1=1,DS2=2,DS3=4。

1.2 設備安全狀況等級確定

根據設備損傷因子大小可以確定設備的安全狀況等級，不同安全狀況等級對應不同的檢測周期[12]。設備安全狀況等級和檢測周期見表2。

表2 設備安全狀況等級及檢測周期

1.3 站場可靠性參數計算方法

可靠性是系統在規定的條件和時間范圍內能夠無故障地完成指定功能的概率，是對部件、設備或系統完整性最佳數量的度量[16-17]。GO法是1種較新的可靠性分析方法，在實際應用案例中表明GO法在油氣站場失效可能性評價中具有很強的適用性。采用GO法求解油氣站場可靠性參數，主要包括以下步驟：

1)油氣站場子系統劃分

由于油氣站場工藝流程復雜，所以先按站場平面布局和工藝流程特點將站場劃分為若干個子系統，主要包括油氣接收、處理、儲存、增壓、外輸等子系統。

2)建立子系統GO圖模型

根據實際工藝流程圖建立GO圖模型，將站場設備轉化為兩狀態單元操作符，操作符之間通過代表邏輯關系的操作符連接，常用的邏輯操作符主要包括或門、與門和M取K門。操作符連接形成的GO圖模型具有串聯、并聯或者串聯包含并聯的邏輯關系，見圖1～2所示。

圖1 串聯結構的GO圖

圖2 并聯系統的GO圖

3)求解站場子系統及整體可靠性值

通過GO操作符串聯、并聯運算法則，即可求得各子系統的可靠性值[18]。最后，將各子系統的GO圖模型串聯組成站場整體的GO圖模型，通過串聯運算法則得到站場可靠性參數，如表3所示。

表3 系統可靠性參數

1.4 站場失效可能性等級評價

站場失效可能性等級由停工概率大小確定，失效可能性等級劃分標準見表4[12]。

表4 站場失效可能性等級

2 油氣集輸站場評價實例

某油田聯合處理站位于陜西省靖邊縣寧條梁鄉境內，原油處理規模為1 300 m3/d。該油田產出原油含水率41%，站場運行5 a后各設備都發生了不同程度的腐蝕。該站場主要負責原油裝卸、加熱、油氣分離、原油脫水、原油儲存等功能，主要工藝設備包括：2 000 m3鋼制拱頂凈化油罐4具、2 000 m3溢流沉降罐4具，100 m2來油換熱器2臺、2 m2單量換熱器4臺、三相分離器 2 臺、雙容積量油分離器計量 4 套、總機關及收球筒4座、裝車泵2臺、齒輪泵2臺。

2.1 站場設備失效分析

該站場工藝設備的失效概率數據見表5。

根據表5設備損傷因子大小，確定該站場設備的安全狀況等級及檢測周期：沉降罐、凈化油罐、單量油換熱器、流量計和計量分離器為3等級，其中計量分離器、流量計和單量油換熱器損傷因子偏大，建議每3 a檢測1次；沉降罐和凈化油罐損傷因子最小，建議每4 a檢測1次。收球筒、三相分離器、裝車泵、齒輪泵和來油換熱器為4等級，其中三相分離器和裝車泵損傷因子相對較大，建議每1 a檢測1次；收球筒、齒輪泵和來油換熱器相對較小，建議每2 a檢測1次。

表5 站場設備失效概率

2.2 站場子系統失效分析

根據該站場原油生產工藝特點，將其劃分為5個子系統：原油接收計量子系統、原油加熱子系統、原油脫水子系統、原油儲存子系統和原油外輸子系統。以原油脫水子系統為例，建立GO圖模型，如圖3所示，根據GO操作符的定量計算公式，計算得到子系統的失效概率和停工概率。原油脫水子系統的GO操作符和可靠性參數見表6～7。

圖3 原油脫水子系統GO圖模型

表6 原油脫水子系統GO圖操作符

表7 原油脫水子系統等效可靠性參數

2.3 站場整體失效分析

該站場由5個子系統串聯而成，通過串聯邏輯計算公式算得站場整體的可靠性參數，見表8。該站場穩定運行狀態時處于停工狀態的平均概率為1×10-2，查表4得該站場的失效可能性等級為4級：較高等級。

表8 站場等效可靠性參數

根據計算結果可知，原油接收子系統和脫水子系統的停工概率相對較高，加熱子系統的停工概率最低，這和現場實際調研的情況基本相同。由于來油含水率較高，接收和脫水子系統內的設備和管道腐蝕最嚴重，修復率和失效率相對高；而原油加熱子系統結構簡單，來油換熱器一備一用，所以現場基本沒有出現過由于換熱器損壞而停工的情況。理論計算結果與實際相符，說明本文提出的計算方法是完全可行且準確的。

3 結論

1)基于定量RBI技術和系統可靠性分析方法，建立1套油氣集輸站場失效可能性定量評價體系，計算和分析得到站場設備失效概率、站場子系統及整體的失效可能性值，為站場維護及安全生產運行工作提供更加客觀的依據。

2)以某油田聯合處理站為實例對象，計算得到工藝設備失效概率、各子系統及站場整體的可靠性參數，并以此為依據判斷站場的失效可能性等級。理論計算結果與現場實際調研情況基本相同，說明本文提出的計算方法是完全可行且準確的。

3)根據站場設備損傷因子可劃分設備的安全等級，用以更加合理地安排設備的檢查周期，對于失效概率高的設備，建議縮短檢測周期并設置備用設備，對于失效概率低的設備，可以適當延長檢測周期。如實例分析中有5個設備安全狀況等級為4級，其中三相分離器和裝車泵損傷因子相對較大，建議每1 a檢測1次；收球筒、齒輪泵和來油換熱器相對較小，建議每2 a檢測1次；另外5個設備安全狀況等級為3級，其中計量分離器、流量計和單量油換熱器損傷因子偏大，建議每3 a檢測1次；沉降罐和凈化油罐損傷因子最小，建議每4 a檢測1次。

4)由站場子系統失效可能性分析，可以得出系統停工概率高低和系統內是否設置備用設備有關，如原油脫水子系統未設置備用設備，所以該系統的停工概率較高。因此，在經濟條件允許的情況下，對于停工概率較高的系統可以設置備用設備提高子系統的可用度，保障站場工作安全正常運行。

5)全定量的油氣集輸站場失效可能性評價方法更加科學準確，但計算過程相對復雜，所涉及到的參數眾多，選取參數的準確性直接決定了最后計算結果的準確性，所以現場調研時需要更加全面和細致的資料。另外，為提高工作效率，后期還可將評價方法通過編程集成軟件，方便油氣集輸站場安全評價工作的推進。