输油站场运行风险因素分析及评价方法研究

姚安林曾明友曾明勇

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院 成都 610500) (2.油气消防四川省重点实验室 成都 610500)

输油站场运行风险因素分析及评价方法研究

姚安林1，2曾明友1曾明勇1

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院 成都 610500) (2.油气消防四川省重点实验室 成都 610500)

本文在总结国内外输油站场风险评价技术研究成果的基础上，将风险评价的时间节点前移到系统各个单元发生故障之前，通过辨识输油站场在运行期间所面临的故障诱因，结合不同故障模式可能产生的后果，利用风险矩阵法建立起输油站场运行风险评价模型。首先采用故障树分析法（FTA）对输油站场各个风险区块的运行风险源进行辨识，从而明确故障风险要素；然后采用专家评分的方式对各风险要素和故障模式影响后果的严重程度进行评价，得出各个区块的故障发生可能性等级和后果严重度等级，将所得到的等级对应到风险矩阵中即可得出各区块的运行风险等级；最后根据各个风险区块的分配权重判断出输油站场整体运行风险水平。

输油站场 运行风险 风险源辨识 风险评价 FTA

输油站场作为长输管道系统的核心部位，承担着向管输原油提供热量和压力的任务。我国油气站场风险评价技术尚处于探索阶段，由于站场设备众多、工艺复杂、主辅设备的失效概率相差很大，使得进行风险评价的难度增大，所以传统的站场风险评价基本上是基于站内主体设备发生完全失效事故的临界点来建立的评价模型[1，2]。这样的评价结果由于缺乏考虑站场辅助设备事故对站场风险的贡献影响，所以无法实现对站场运行故障的预警，显然丧失了风险评价对大量轻微事故的预报功能。然而无论从海因里希安全法则[3]，还是从完整性管理的基本理念[4-5]来看，及时排除轻微事故或事故隐患都是预防严重事故发生的最有效和最节省的办法。因此进行输油站场运行风险因素分析的目的就是期望通过辨识出可能导致站场轻微事故的隐患，实现输油站场安全管理的关口前移，从而达到降低风险管控成本，保证输油站场持续安全运行的目的。

鉴于上述原因，本文在总结输油站场风险评价研究成果的基础上，结合工程实际，将研究重点放在输油站场运行风险因素分析上，把风险评价的时间节点向前推移到各个系统单元发生故障之前。采用故障树分析方法对输油站场各个风险区块进行运行风险源辨识和敏感性分析，结合各种故障模式可能导致的人身伤害、财产损失和环境破坏的影响后，在采用风险矩阵对输油站场风险区块的运行风险水平进行定性评价，为输油站场管理人员实时管控输油站运行过程中的风险因素提供决策依据。

1 输油站场运行风险因素分析及评价基本思路

运行风险分析与传统事故风险分析的区别在于[6]：运行风险分析着眼于系统发生故障的状态，分析重点除系统中的关键主体设备之外，还需要更多地关注配套辅助设备发生故障或者失效导致主体设备不能正常运行的情况，这种故障往往在较短时间内具有可修复性；传统事故风险分析的着眼点是站场主体设备发生失效，甚至发生火灾爆炸等严重事故，达到这一临界点的事故往往在短期内是难以修复的。

本文首先按照风险区块划分原则，依据原油流向把输油站场划分为清管器收发装置区、加热炉区、输油泵机组区、阀组区四个风险区块，采用故障树分析方法对各个风险区块进行运行风险源辨识后，辨识出各个风险区块的重大运行风险源，采用专家评分的方式对各个风险区块进行风险评估，最后依据工程实际赋予各个风险区块不同的权重，得出输油站的整体运行风险值，具体分析过程如图1所示。

图 1 输油站场运行风险因素分析及定性评价技术路线图

2 输油站场区块运行风险因素分析

本文在此以输油站的加热炉区为例，采用故障树分析方法对其进行运行风险源辨识。其余风险区块按相同方法进行运行风险源分析，限于篇幅这里不再详述。

目前，长输管道的原油加热方式有直接加热和间接加热两种[7]。直接加热是原油直接流经加热炉，吸收燃料燃烧放出的热量；间接加热是原油通过中间介质在换热器中吸收热量，达到升温的目的。

本文仅研究长输管道中使用较多的直接加热方式。直接加热方式最常见的设备是管式加热炉。本文以管式加热炉及其辅助仪器仪表为主要研究对象，采用故障树分析方法对加热炉区进行运行风险分析。

2.1 加热炉区运行故障树建立

根据安全理论，使用故障树分析方法，将加热炉运行故障作为顶事件，从顶事件开始，分析加热炉运行过程中可能产生的故障模式及其原因作为中间事件或基本事件，运用逻辑推理方法，分析导致起因的中间事件与基本事件的关系，最后判断出加热炉运行故障的各种影响因素。根据加热炉在输油站工艺流程中的作用，建立起加热炉运行故障树，如图2所示，图2中符号所代表的事件见表1。

图2 加热炉区运行故障树

表1 加热炉区运行故障树事件表

2.2 加热炉区运行故障树最小割集分析

在加热炉区运行故障树中，能够导致顶事件发生的基本事件的集合称为割集。能引起顶事件失效的基本事件的最小组合称为最小割集，最小割集能够指出发生哪一种基本事件或组合时就会发生事故，因而可以发现系统最薄弱的环节[8]。

本文采用布尔代数求解：

T=F1+F9+F19

=X1+X2X3+X2X4+X2X5+X6+X7+X8+X3X9+ X4X9+X5X9+X10+X11+X12+X13+X14X15X16+X17 +X18+X19+X20+X21+X22+X23X24+X25+X26+X27 +X28+X29+X30+X31+X32

从上述分析可知，加热炉区运行故障树共有30个最小割集，其中一阶最小割集22个占总数的73.3%，二阶最小割集7个占总数的23.3%，三阶最小割集1个占总数的3.4%，以一阶最小割集为主。

2.3 加热炉区运行故障树底事件的结构重要度分析

结构重要度是指不考虑基本事件自身的发生概率，或者说假定各基本事件的发生概率相等，仅从结构上分析各个基本事件对顶上事件发生所产生的影响程度。结构重要度反映了底事件对顶事件发生所做贡献大小的量度[9]。结构重要度系数可用式（1）进行计算：

式中：

kj——第j个最小割集；

Nj(j∈kj)——底事件i位于kj的底事件数；

xi∈kj——第i个底事件属于第j个最小割集；

Ii——第i个底事件的结构重要度系数。

加热炉区运行故障树基本事件结构重要度计算结果如下：

I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22=I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32=1.0

I2=I9=0.875

I3=I4=I5=0.75

I23=I24=0.5

I14=I15=I16=0.25

根据上述故障树底事件结构重要度系数的计算结果，按照相对重要程度对各底事件进行排序，结果如下：

（I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22=I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32）＞（I2=I9）＞（I3=I4=I5）＞（I23=I24）＞（I14=I15=I16）

从加热炉区运行故障树的底事件结构重要度系数排序结果可以得出：X1、X6、X7、X8、X10、X11、X12、X13、X17、X18、X19、X20、X21、X22、X25、X26、X27、X28、X29、X30、X31和 X32的结构重要度系数最大，其次是X2和X9，然后是X3、X4和X5，接着是X23和X24，最后是X14、X15和X16。结构重要度系数越大，对应的底事件对加热炉运行故障的影响越大。由此可见，为了在随后的风险评价中抓住主要矛盾，可选取结构重要度系数最大的22个底事件作为分析加热炉区运行风险的基本风险因素。

3 风险矩阵评价法

风险具有两维性，对于一个给定的设备，其风险的大小由该设备事件发生的概率和事件相联系的后果来确定[10]。风险的数学表示式为：风险=失效概率×失效后果[11]。对于输油站的单个区块运行风险和整体运行风险依据RBI技术，采用风险矩阵方法进行表征[12]。该方法是根据风险的定义，将评价的结果放入5×5的矩阵，按高、较高、中等、较低及低风险来分级，水平轴代表故障发生可能性的等级，垂直轴代表失效后果的严重程度等级，其中严重程度分为人身伤害、财产损失和环境破坏三个维度，由于这三类后果不具有可叠加性，所以在实际评价中可选取三类后果中最高级别的作为后果严重程度等级来判定区块运行风险。本文建立如图3所示的风险矩阵。

图3 输油站场运行风险评价矩阵示意图

3.1 运行故障可能性评价

这里仅对所有结构重要度最大的基本事件进行分析，由于缺乏可靠的统计数据库，本文在此采用专家打分的方法对各个故障可能性进行评分（满分100分），根据故障发生的可能性将其分为五个等级：[0，20]为不可能发生，（20，40]为极少发生，（40，60]为有时发生，（60，80]为很可能发生，（80，100]为频繁发生，见表2。

表2 输油站场运行故障可能性评价指标表

组织一支对输油站场非常熟悉的5位专家组成的专家评价小组，对某输油站加热炉区运行故障发生可能性影响因素进行评价。按照每个专家的评分结果进行加权平均后得到该站加热炉区故障发生可能性评分见表3。

表3 输油站加热炉区故障可能性专家评分表

综合各个一阶最小割集的逻辑关系，对导致加热炉区四种故障模式的基本事件的可能性评分进行加权平均后，得出加热炉区发生四种主要故障模式的可能性评分见表4。

表4 输油站加热炉区故障可能性专家评分表

同时组织专家根据经验和国内同类输油站历史故障统计数据确定各个风险区块的权重，并据此计算出整个输油站场运行故障可能性评分见表5。

表5 输油各风险区块故障可能性专家评分表

3.2 运行故障严重性评价

由专家组对于每个风险区块分别按照人身伤害、财产损失、环境破坏三个评价指标对其后果严重程度进行评价，结果见表6。

表 6 输油站各风险区块运行故障后果严重度评价表

以各风险区块在人身伤害、财产损失和环境破坏三类后果中最高级别的作为该区块的运行故障后果严重度等级；以输油站场各个区块中级别最高的作为站场整体运行故障后果严重性等级，依据图3所示的风险矩阵图可得综合评价结果见表7。

表 7 输油站运行风险等级

4 结论

1）利用故障树分析方法辨识输油站场在运行过程中的主要风险因素有助于明确引起运行故障的主要诱因，从而节省风险评价的成本。

2）虽然运行风险因素一般不会直接导致输油站发生重大安全事故，但是如不加以管控，随着输油站场运行时间的延长，极有可能诱发站场的重大安全事故。

3）站场管理人员依据运行风险来制定站场设备的安全维护计划有助于进一步将预防站场事故的关口前移，提高安全管理措施的针对性，真正体现完整性管理策略中“治早、治小”的管理理念。

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[国家“十二五”科技支撑计划课题：2011BAK06B01-11]

Analysis of Risk Factors in Oil Transmission Station Operation and its Assessment Methodology

Yao Anlin1,2Zeng Mingyou1Zeng Mingyong1
(1. Petroleum & Natural Gas Engineering Institute, Southwest Petroleum University Chengdu 610500) (2. Oil & Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province Chengdu 610500)

Based on the summarizing of research on the oil station risk assessment technology at home and abroad, in this paper, the risk evaluation time is forwarded to the time before each unit fails in the system; by the identification of the fault cause in oil transmission station operation, combining with the probable result of different failure modes, the oil station operation risk assessment model is established using risk matrix method. Firstly, this paper use fault tree analysis (FTA) to recognize the risk sources of various risk module in oil transmission stations operation, and clears failure risk factors. Then, with the method of expert evaluation on various risk factors and failure modes to evaluate the severity of the consequences, the failure possibility of various blocks and consequences severity level is concluded, the getting level is corresponded to the risk matrix to obtain operation risk level of each block. According to the risk allocation weights of different blocks, the overall risk level of oil station is estimated.

Oil transmission station Operation risk Risk source identification Risk assessment Fault tree analysis

X933.4

B

1673-257X(2015)09-0019-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.09.005

姚安林(1959～),男，教授，长期从事油气储运系统风险评价与完整性管理技术方面的教学与研究工作。

2015-07-04）