油气集输站场失效可能性定量评价方法研究*

周夏伊，刘 慧，陈 林，冯大成，牟鹏飞

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500; 2.延长油田股份有限公司，陕西 延安 716000)

0 引言

目前，油气管道风险评价技术已日渐成熟并实现工业化应用，但与管道相比，站场内设备众多，压力高，工艺复杂，运行操作难度大，不同设备的属性和失效机理也不相同[1-2]。在油气站场风险评价方法研究过程中，大致可分为定性、半定量和定量评价方法。

定性评价方法过于依赖评价人员的主观判断[3]，主要有危险与可操作性分析法和指标体系评价法等，曹涛等[4]在长输油气管道站场风险评价中，通过HAZOP法分析偏差产生的原因识别出站场存在的隐患；施林圆等[5]在四川输气站场风险评价方法的研究中，使用指标体系评价法建立1套输气站场风险评价理论体系，并应用在四川10个输气站的风险管理中，取得较好的效果。

半定量评价方法以评价指标为基础，通过判断各指标对整体的重要性程度，给各指标分配权重值，准确性比定性评价方法精确[6]，主要包括专家评价法、肯特打分法等，蒋宏业[7]在油田联合站风险评价工作中，通过故障树分析法分析设备的失效因素，通过层次分析法确定各级失效因素的权重，对联合站风险管理工作具有指导意义。

定量评价方法基于失效概率数据库，通过建立数学模型，对失效概率进行修正得到实际站场的失效概率[8]，该方法计算过程复杂但结果准确性高，应用最广泛的是定量RBI评价技术，国内外学者研究在此方面获得较大进展[9-11]，美国颁布了标准《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12]，成为油气站场完整性管理的指导性文件[12]，国内学者也将API 581应用到站场风险评价中，为油气站场的完整性管理工作提供理论支持[13-15]。

但在已有的定量评价方法研究中只进行了设备失效概率的计算，没有计算站场整体的失效概率。油气站场的设备是共同完成对石油、天然气处理及运输工作的，设备之间是相互联系的，单独计算每个设备的失效概率对于整个站场风险管理工作提供的指导不够全面。为解决此问题，本文在运用标准《Risk-based Inspection Methodology》(API RP 581 2016)[12](下文简称为“标准”) 计算设备失效概率基础上，结合系统可靠性分析方法GO法计算站场整体的失效概率。

1 油气集输站场失效可能性定量评价方法

站场失效可能性评价包括设备失效概率计算、设备安全等级状况确定、站场可靠性参数计算和站场失效可能性等级确定。

1.1 站场设备失效概率计算方法

通过计算损伤因子和管理系统修正因子来修正设备的基础失效概率，设备基础失效概率数据基于美国石化公司统计的设备失效数据[12]，见表1。

表1 站场设备基础失效概率

管理系统修正因子可借鉴“标准”[12]管理系统评价打分表，从站场领导和管理、工艺安全信息、工艺危害性分析和管理变更等101个问题进行打分得到管理系统分值，最后将管理系统分值转换成管理系统修正因子FMS[12]，如式(1)所示：

(1)

式中：FMS为管理系统修正因子；score为管理系统分值。

设备损伤因子大小由多种损伤机理共同决定。“标准”[12]中损伤因子从设备腐蚀减薄、脆性断裂、高温氢损伤、应力腐蚀和外部损伤等方面进行评价。针对站场实际情况可选用不同的损伤因子计算方法，其中最常见的就是腐蚀减薄情况，可使用减薄腐蚀损伤因子计算管道和设备的具体损伤情况。

1)腐蚀速率

计算腐蚀减薄因子首先需要确定设备的单位腐蚀速率Art[12]，如式(2)所示：

(2)

式中：Art为设备单位壁厚的腐蚀量，mm；Cr,bm为设备腐蚀速率，mm/a；trdi为设备本次检测时壁厚，mm；age为设备运行时间，a。

2)设备强度比

设备强度比与设备内压、直径、部件形状和流动应力有关[12]，如式(3)所示：

(3)

3)检验效果评价因子

损伤因子的准确性还与检验有效性有关，检验有效性可通过后验概率确定，而后验概率又与有效性因子、先验概率和条件概率有关[12]，如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

4)腐蚀减薄因子

(6)

(7)

(8)

式中：设COVΔt=0.20,COVSf=0.20,COVP=0.05，腐蚀破坏程度1，2，3对应的腐蚀速率因子DS1=1,DS2=2,DS3=4。

1.2 设备安全状况等级确定

根据设备损伤因子大小可以确定设备的安全状况等级，不同安全状况等级对应不同的检测周期[12]。设备安全状况等级和检测周期见表2。

表2 设备安全状况等级及检测周期

1.3 站场可靠性参数计算方法

可靠性是系统在规定的条件和时间范围内能够无故障地完成指定功能的概率，是对部件、设备或系统完整性最佳数量的度量[16-17]。GO法是1种较新的可靠性分析方法，在实际应用案例中表明GO法在油气站场失效可能性评价中具有很强的适用性。采用GO法求解油气站场可靠性参数，主要包括以下步骤：

1)油气站场子系统划分

由于油气站场工艺流程复杂，所以先按站场平面布局和工艺流程特点将站场划分为若干个子系统，主要包括油气接收、处理、储存、增压、外输等子系统。

2)建立子系统GO图模型

根据实际工艺流程图建立GO图模型，将站场设备转化为两状态单元操作符，操作符之间通过代表逻辑关系的操作符连接，常用的逻辑操作符主要包括或门、与门和M取K门。操作符连接形成的GO图模型具有串联、并联或者串联包含并联的逻辑关系，见图1～2所示。

图1 串联结构的GO图

图2 并联系统的GO图

3)求解站场子系统及整体可靠性值

通过GO操作符串联、并联运算法则，即可求得各子系统的可靠性值[18]。最后，将各子系统的GO图模型串联组成站场整体的GO图模型，通过串联运算法则得到站场可靠性参数，如表3所示。

表3 系统可靠性参数

1.4 站场失效可能性等级评价

站场失效可能性等级由停工概率大小确定，失效可能性等级划分标准见表4[12]。

表4 站场失效可能性等级

2 油气集输站场评价实例

某油田联合处理站位于陕西省靖边县宁条梁乡境内，原油处理规模为1 300 m3/d。该油田产出原油含水率41%，站场运行5 a后各设备都发生了不同程度的腐蚀。该站场主要负责原油装卸、加热、油气分离、原油脱水、原油储存等功能，主要工艺设备包括：2 000 m3钢制拱顶净化油罐4具、2 000 m3溢流沉降罐4具，100 m2来油换热器2台、2 m2单量换热器4台、三相分离器 2 台、双容积量油分离器计量 4 套、总机关及收球筒4座、装车泵2台、齿轮泵2台。

2.1 站场设备失效分析

该站场工艺设备的失效概率数据见表5。

根据表5设备损伤因子大小，确定该站场设备的安全状况等级及检测周期：沉降罐、净化油罐、单量油换热器、流量计和计量分离器为3等级，其中计量分离器、流量计和单量油换热器损伤因子偏大，建议每3 a检测1次；沉降罐和净化油罐损伤因子最小，建议每4 a检测1次。收球筒、三相分离器、装车泵、齿轮泵和来油换热器为4等级，其中三相分离器和装车泵损伤因子相对较大，建议每1 a检测1次；收球筒、齿轮泵和来油换热器相对较小，建议每2 a检测1次。

表5 站场设备失效概率

2.2 站场子系统失效分析

根据该站场原油生产工艺特点，将其划分为5个子系统：原油接收计量子系统、原油加热子系统、原油脱水子系统、原油储存子系统和原油外输子系统。以原油脱水子系统为例，建立GO图模型，如图3所示，根据GO操作符的定量计算公式，计算得到子系统的失效概率和停工概率。原油脱水子系统的GO操作符和可靠性参数见表6～7。

图3 原油脱水子系统GO图模型

表6 原油脱水子系统GO图操作符

表7 原油脱水子系统等效可靠性参数

2.3 站场整体失效分析

该站场由5个子系统串联而成，通过串联逻辑计算公式算得站场整体的可靠性参数，见表8。该站场稳定运行状态时处于停工状态的平均概率为1×10-2，查表4得该站场的失效可能性等级为4级：较高等级。

表8 站场等效可靠性参数

根据计算结果可知，原油接收子系统和脱水子系统的停工概率相对较高，加热子系统的停工概率最低，这和现场实际调研的情况基本相同。由于来油含水率较高，接收和脱水子系统内的设备和管道腐蚀最严重，修复率和失效率相对高；而原油加热子系统结构简单，来油换热器一备一用，所以现场基本没有出现过由于换热器损坏而停工的情况。理论计算结果与实际相符，说明本文提出的计算方法是完全可行且准确的。

3 结论

1)基于定量RBI技术和系统可靠性分析方法，建立1套油气集输站场失效可能性定量评价体系，计算和分析得到站场设备失效概率、站场子系统及整体的失效可能性值，为站场维护及安全生产运行工作提供更加客观的依据。

2)以某油田联合处理站为实例对象，计算得到工艺设备失效概率、各子系统及站场整体的可靠性参数，并以此为依据判断站场的失效可能性等级。理论计算结果与现场实际调研情况基本相同，说明本文提出的计算方法是完全可行且准确的。

3)根据站场设备损伤因子可划分设备的安全等级，用以更加合理地安排设备的检查周期，对于失效概率高的设备，建议缩短检测周期并设置备用设备，对于失效概率低的设备，可以适当延长检测周期。如实例分析中有5个设备安全状况等级为4级，其中三相分离器和装车泵损伤因子相对较大，建议每1 a检测1次；收球筒、齿轮泵和来油换热器相对较小，建议每2 a检测1次；另外5个设备安全状况等级为3级，其中计量分离器、流量计和单量油换热器损伤因子偏大，建议每3 a检测1次；沉降罐和净化油罐损伤因子最小，建议每4 a检测1次。

4)由站场子系统失效可能性分析，可以得出系统停工概率高低和系统内是否设置备用设备有关，如原油脱水子系统未设置备用设备，所以该系统的停工概率较高。因此，在经济条件允许的情况下，对于停工概率较高的系统可以设置备用设备提高子系统的可用度，保障站场工作安全正常运行。

5)全定量的油气集输站场失效可能性评价方法更加科学准确，但计算过程相对复杂，所涉及到的参数众多，选取参数的准确性直接决定了最后计算结果的准确性，所以现场调研时需要更加全面和细致的资料。另外，为提高工作效率，后期还可将评价方法通过编程集成软件，方便油气集输站场安全评价工作的推进。