基于修正RBI和考慮多米諾效應的站場設備風險評價

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

關鍵詞：RBI；多米諾；站場設備；風險；威布爾分布；后果區面積

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源頭與下游用戶終端的中間樞紐，其安全平穩運行是促進油氣管網健康發展的關鍵所在[1-4]。站場內設備在長時間投入運行后，其安全性和可靠性勢必會降低，從而導致站場存在巨大的安全隱患。因此，研究合適的站場設備安全保障技術具有重要意義。

目前，針對站場設備的風險評價技術有基于風險的檢驗（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技術針對泵和壓縮機等旋轉類設備，SIL技術針對站內安全儀表回路，RBI技術是針對塔器、儲罐、管道、換熱器、分離器等靜設備的一種主要風險評價方式，已經成為國內站場風險評價的基準。王金江等[8]、周然等[9]、王曉博等[10]、林海萍等[11]均采用RBI技術對站場的失效概率及風險水平進行了計算，并確定了檢測周期和檢驗計劃。以上研究步驟均基于API 581的標準流程，對于單一站場的普適性有限，且在計算后果區面積時未考慮多米諾效應引發的面積疊加，導致評價結果過于樂觀。鑒于此，基于雙參數威布爾分布函數和多米諾效應建立油氣站場風險評價模型，結合設備損傷概率和圓弧并面積算法計算后果區面積，以期實現對站場設備風險的有效評估。

1" " RBI理論及修正方法

常規RBI理論是在有限成本條件下，尋求設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同類為同類設備失效概率，次/a；FE為設備修正系數；FM為管理修正系數。

常規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據庫獲取，但國內站場設備的特點是管徑小、壓力大、集中性高，僅僅憑借泄漏孔徑無法區分不同設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為管道或設備接管的直徑），計算每個等級下設備失效概率并求和，得到修正設備失效概率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、設備修正系數、管理修正系數。

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

[f（t）=βαt-γαβ-1exp-t-γαβ]" " （ 3 ）

式中：α為尺度參數，β為形狀參數，γ為位置參數。

失效概率函數λ（t）為：

[λ（t）=f（t）1-0tf（t）=βαt-γαβ-1]" （ 4 ）

當γ =0時，上述公式可轉化為雙參數威布爾分布形式。當β=1，威布爾分布可轉化為指數分布，雖然該分布也可用于設備失效，但其失效概率為平行于時間軸的常數，只適用于設備的隨機失效期（失效概率低且穩定），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域的應用范圍更廣。

對于α、β和γ的求解，可將式（4）兩邊同時取兩次對數，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" " 考慮多米諾效應的后果區面積核算

常規算法根據泄漏速率的不同，按照瞬間泄漏或持續泄漏方式核算設備的后果區面積，但卻未考慮臨近設備達到升級閾值后，受熱輻射、超壓影響發生的多米諾效應。多米諾效應會增加單次事故的后果區面積，公式如下：

[A=A初始+Pd，m×Am]" "（ 7 ）

式中：A為總的后果區面積，m2；A初始為初始泄漏事故引發的后果區面積，m2；Am為第m個多米諾設備引發的后果區面積，m2；Pd，m為第m個多米諾設備的失效概率。A初始和Am均可根據常規方法核算。

后果區面積核算的具體步驟如下。

1）假設一個設備發生泄漏失效，將其作為初始泄漏設備。

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

3）采用Proit模型計算多米諾效應下的設備損壞概率，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值可根據設備類型、物理效應和升級閾值確定。

4）為避免單一設備同時發生噴射火或蒸氣云爆炸時核算后果面積出現的面積擴大，還需考慮事故發生比例，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個設備發生噴射火時的設備損壞概率；PVCE，m為第m個設備發生蒸氣云爆炸時的設備損壞概率；qJF和qVCE分別為噴射火、蒸氣云爆炸的事故發生比例，可通過現場維搶修記錄獲取。

5）最后，通過圓弧并面積算法求二維平面內一系列后果區的總面積[14]。以四個后果面積疊加為例，見圖1。

O1為初始泄漏設備引發的后果區圓心，O2、O3、O4為第2～4個多米諾設備引發的后果區圓心。按照逆時針旋轉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弧（圖1中紅色區域），后者定義為一個圓中未被其他圓覆蓋的圓弧（圖1中黑色區域）；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，將整個后果區面積分割為多邊形和扇形區域，分步計算上述區域的面積后求和，即可得到總面積。

3" " 實例分析

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

3.1" " 設備失效概率計算

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，設計壓力7.5 MPa，運行壓力3 MPa，通過超聲波壁厚測試結果結合檢測周期確定均勻腐蝕速率為0.342 mm/a。統計該廠內同類型重沸器的失效次數，泄漏孔徑在（0，0.01D]%、（0.01D，0.1D]%、（0.1D，1D]%、（1D，10D]%、（10D，100D]%的失效次數分別為9、7、6、11、7次。以（0，0.01D]%為例，故障數據見表2。

先通過K-S檢驗確定參數服從的分布類型，見表3。除指數分布和伽馬分布外，其余分布類型的統計量均小于概率P值，說明在顯著性檢驗水平5%的條件下，數據可能服從正態分布、雙參數威布爾分布和三參數威布爾分布。隨后，繼續考察經驗分布函數線性化后的擬合優度，雙參數威布爾分布的擬合優度最佳，故后續選擇采用該分布類型進行分析。

采用最小二乘法確定尺度參數α為896.62，95%的置信區間為[684.80，1 173.98]；形狀參數β為2.53，95%的置信區間為[1.43，4.45]，將參數代入式（3）和式（4），可靠性函數見圖3。圖3（a）顯示720 d對應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備失效概率，結果見表4。隨著泄漏孔徑的增大，同類設備失效概率迅速減小，待達到完全破裂情況時，失效概率已降低至10-5級別，說明應重點關注泄漏孔徑小于0.1D%的小孔泄漏。

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

3.2" " 后果區面積計算

假設脫乙烷塔重沸器由于內部腐蝕發生泄漏，泄漏孔為圓形，當量尺寸16.5 mm，泄漏時大氣穩定度D類、大氣相對濕度85%、環境溫度25℃，無風。利用DNV PHAST軟件核算熱輻射和超壓范圍[15-16]，見圖4。評價區域內的設備均為壓力設備，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影響設備；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影響設備。根據周圍設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的設備損壞概率；該地區發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′；在利用常規方法計算初始后果區面積的基礎上，結合Pd，m′核算多米諾后果區面積，計算結果見表6。

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

3.3" " 風險評價結果

按照上述分析計算得到的結果，依據文獻[13]中5×5的風險矩陣核算不同設備發生事故后的風險等級，并與常規風險評價方法的結果對比，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，其余設備的失效后果面積均達到了E級。本文方法風險評價結果有6個IV級風險，其余均為II級和III級風險；常規方法結果中未見IV級風險，只有4個III級風險，說明常規方法得到的風險等級水平出現了明顯低估，與現場實際情況不符。

4" " 結論

1）采用雙參數威布爾分布和最小二乘法，對常規RBI理論中同類設備失效概率計算公式進行了修正，且對失效概率分級方法進行了改進，從僅憑借泄漏孔徑的大小為分級依據改進為根據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）結合多米諾效應和圓弧并面積算法，對初始泄漏設備引發的后果區面積進行了核算，計算結果避免了高估或低估失效風險，更符合工程實際。

3）通過風險矩陣得到了站內不同設備的風險等級，其中部分設備的風險等級已達到最高級別的（IV級），應對其檢驗周期及防護措施進行重點調控。

參考文獻

[1]" 沈海春，蘇剛，官洪波，等. 高含硫天然氣站場定量風險評價技術研究[J]. 油氣田地面工程，2023，42（5）：85-89.

[2]" 李秀剛. 油氣站場多危險源個人風險評價技術研究[J]. 油氣田地面程，2022，41（9）：91-97.

[3]" 閆龍，楊銳. 基于BN-LOPA模型的油氣站場工藝失效風險評估[J]. 石油化工自動化，2023，59（2）：39-44.

[4]" 賈偉杰，張偉江，南婧怡，等. 基于DEMATEL-SD模型的油氣站場系統風險評價和動態分析[J]. 石油工程建設，2023，49（5）：27-31.

[5]" 任璐，馮睿勇，杜楠. 基于RBI技術的油氣站場設備風險評價[J]. 化工安全與環境，2023，36（6）：22-25.

[6]" 陸瀟，李鵬，龔繼明，等. 基于RCM的離心式壓縮機維修策略研究[J]. 石油工業技術監督，2023，39（6）：1-5.

[7]" 李世賢，戴興正，楊帆，等. 考慮多源泄放的輸氣站場SIL定級分析與應用[J]. 石油化工自動化，2023，59（3）：40-45.

[8]" 王金江，王舒輝，張來斌，等. 基于數字孿生的壓氣站場設備風險智能決策系統[J]. 天然氣工業，2021，41（7）：115-123.

[9]" 周然，李祥鋒，凌愛軍，等. 基于API 581標準的海上壓力容器腐蝕定量風險評估[J]. 腐蝕與防護，2019，40（11）：826-830.

[10] 王曉博，高振，侯建國，等. LNG接收站承壓設備基于風險的在線檢驗方法[J]. 腐蝕與防護，2021，42（11）：92-99.

[11] 林海萍，楊磊杰，黃超鵬，等. 基于風險的檢驗（RBI）技術在某天然氣液化裝置中的應用[J]. 天然氣化工（C1化學與化工），2019，44（1）：77-80.

[12] 王金江，王舒輝，張興等. 基于RBI技術的儲氣庫分離器風險分析[J].中國安全科學學報，2020，30（2）：21-27.

[13] 白媛媛，靳勇，聞偉，等. 基于保護層效應的油氣站場罐區多米諾事故概率計算方法[J]. 石油工程建設，2023，49（2）：25-30.

[14] 王宏健，張雪蓮，呂洪莉. 基于幾何覆蓋率算法的傳感器覆蓋優化策略[J]. 計算機應用研究，2017，34（8）：2 478-2 482.

[15] 李喬楚，陳軍華.集成PHAST-Visual Studio的巖溶區燃氣管道災害后果定量分析及應用[J].科學技術與工程，2024，24（12）：5 239-5 248.

[16] 陳磊，張哲，張新鵬，等.基于PHAST的儲氣庫注采管道泄漏爆炸模擬分析[J].西南石油大學學報（自然科學版），2023，45（3）：131-142.

作者簡介：

張" " 麗（1980—），女，河北南宮人，工程師，2005年畢業于石家莊經濟學院（現河北地質大學）工程管理專業，現主要從事工程技術管理工作。Email：56090715@qq.com

收稿日期：2024-07-05