注减氧空气驱油注气系统空压机爆炸风险分析

王 典，史宝成，应若蒙，潘建澎，张兴凯，张引弟

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

空压机作为注气采油环节中的重要组成部件，其本身是存在爆炸风险的，若发生了爆炸，则会引起人员安全事故的发生和停产的发生。2011年11月14日，某印刷厂一台小型可移动式空压机发生火灾，操作工迅速把火扑灭，未造成严重后果，后经查明为内部积碳燃爆引起[1]。2016年8月29日，某高压空气站5套美国卡麦隆(CAMERON)CFA34型活塞式空压机组，2#压缩机在运行过程中突然发生三级排气管道内部燃爆，后经查明本次事故的主要原因为润滑油的注入量和质量有问题[2]。在注减氧空气系统中，分析可能引起空压机爆炸的因素，明确最应该注意的事件，能有效减小空压机发生爆炸的风险，提高设备和人员的安全性，对于油田企业来说是很有必要的。

在目前的空压机爆炸事故研究中，研究者根据已发生的事故或是可能潜在发生事故的方面进行分析，并寻求相应的解决方式[3]，但是没有明确不同因素对事故发生的重要程度影响[4]，用事故树分析法分析空压机爆炸的文献较少。事故树分析法(Fault-Tree Analysis)是一种可以定性定量分析系统安全可靠性的方法，并在许多领域都有应用，如石油天然气的储存运输、油库火灾预防、航空航天部件失效、粉尘爆炸等。事故树分析法，也被称为故障树分析法，通过建立事件之间的关系图，分析能引起事故发生的各种途径，找出系统主要的薄弱环节，进而提高系统的安全性和可靠性[5]。

1 空压机爆炸事故树构建及分析

1.1 基本事件确立

影响空压机安全的因素众多，但是要造成空压机爆炸往往是多种因素交叉结合在一起的结果。爆炸是一种剧烈的燃烧反应，发生爆炸的基本条件是点火源、燃烧物和助燃剂这三点。因为空压机是在大气环境中运行的，会一直与空气中的氧气接触，要防止爆炸的发生，只能从点火源和燃烧物这两个方向着手。通过调研文献和结合现场实际情况可知，空压机在运行中，会有积碳的产生，积碳会发生氧化还原反应放出热量，当其热量超过散热量时，温度便会不断升高，以至于发生自燃，引起排气系统燃烧或爆炸[6]。空压机在运行的过程中，发动机会产生很高的温度，若冷却不及时[7-8]，也会引起积碳的爆炸或燃烧。因而可以确定空压机中的燃烧物主要为积碳，主要热源为系统运行过程中各部件的产热。积碳产生的主要方式有润滑油不良和空气中的灰尘过多，而热源产生的形式则较多，主要包括发动机温度高、排气温度高、冷却不行等。通过调研文献和结合一些现场实际情况，总结出能造成事故的15个中间事件，进而细化到造成这些原因的基本事件有25个，如表1所示。

表1 空压机爆炸事故的基本事件

1.2 空压机爆炸事故树的建立

事故树分析法在分析系统的安全性和可靠性时是非常有效的，它以事故发生为目标，寻找导致该事故发生的各种原因，并将其间的逻辑关系用树形图表示[9]。事故树中的符号主要有事件符号和逻辑门符号两大类[10]，顶上事件为要分析的事故，中间事件为导致事故发生的笼统因素，基本事件则为导致事故发生的最基础原因，不可以再被细分。逻辑门符号则为层与层事件的连接关系，应用最多的为与门和或门，与门表示某一事件下的全部子事件同时发生才能导致这一事件的发生，或门则表示该事件的任意一件子事件发生都会导致这个事件发生。

事故树分析法包括定性分析和定量分析。最小割集反应了能引起顶上事件发生的途径，其中基本事件较少的途径则是需要重点关注的。最小径集则是能避免事件发生的途径，最小径集的数越多，则说明能够采取的预防措施越多。由于缺乏每个基本事件发生的概率，因而无法求出顶上事件发生的确切概率，在不知道基本事件发生的概率时，我们可以通过求解基本事件发生的结构重要度系数[11]，得出基本事件对顶上事件的影响程度。

图1 事件类型

图2 关系类型

建立事故树首先确定顶上事件，也即我们需要分析的问题。选取“空压机爆炸”作为顶上事件，选取“积碳引燃”、“积碳自燃”、“温度高”、“积碳厚”、“发动机温度高”、“排气温度高”、“产生火花”等为中间事件。建立如图3所示的事故树图。

图3 空压机爆炸事故树图

图中各符号所代表的事件如表2所示。

表2 各符号代表的事件

1.3 空压机事故树定性分析

1.3.1 最小割集

最小割集是能引起空压机发生爆炸的最低途径，最小割集的数量反应了引起顶上事件发生的途径的多少。利用等效的布尔代数方程法可以求得事故树得最小割集。对空压机爆炸事故树运用布尔代数方程法可得：

T=M1+M2=M3·M4+M2=(M5+M6+M7+X1)M4+(M4·X1X2X3)=(M5+M6+M7+X1+X1X2X3)M4=(X5+X6+X7+X8X9X10M9+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=(X5+X6+X7+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=X4(X9+X14+X15+X16X17)(X1+X5+X6+X7+X11+X12+X13+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+ X1X2X3)

由此可知该事故树得最小割集共68项，如表3所示。

表3 最小割集

这68项最小割集都是能引起空压机爆炸的基本途径，特别其中基本事件越少的割集越容易引起顶上事件的发生。在割集中出现频率越高的事件，越是能引起事故发生的事件，即为我们需要重点关注的事件。如{X1，X4，X9}为当周围温度高时，积碳清理不及时，且润滑油品质低，这个情况下就容易导致空压机发生爆炸事故。只需要这3个事件同时发生就能导致顶上事件发生，因而需要重点关注。

1.3.2 最小径集

求最小径集是将事故树转换为成功数，运用简化的布尔代数法求解。如果最小径集的数量越多，说明解决的途径也就越多，顶上事件也就越不容易发生。求解出的最小径集有42组，如表4所示。

表4 最小径集

T=M1M2=(M3+M4)(M4+X1+X2+X3)=(M5M6M7X1+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(M9+X8+X9+X10)+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(X18X18X19X20X21X22X23X24X25+X8+X9+X10)+X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17)(X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17+X1+X2+X3)

表明在预防空压机爆炸上我们能采取的途径很多，如{X3，X4}为“积碳空隙小”、“积碳清理不及时”这两个事件都不发生时就不会引起空压机事故的发生。

1.3.3 基本事件结构重要度计算

目前我们不知道每个基本事件发生的概率分别是多少，因而假设他们发生的概率都是相同的。那么这时我们求解事故树的结构重要度系数，它反应的是基本事件对顶上事件的影响程度。结构重要度系数越高，则说明这个基本事件导致事故发生的可能性越大，这个事件也就需要被更加的重视。基本事件结构的重要度系数可用公式(1)计算[12]：

(1)

式中：Iφ(i)为第i个基本事件的结构重要度系数

nj——第i个基本事件所在Ej中各基本事件总数

计算可得：Iφ(1)=0.7053、Iφ(2)=Iφ(3)=0.2018、Iφ(4)=0.9993、Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=0.6309、Iφ(8)=Iφ(10)=0.3909

Iφ(9)=0.9427、Iφ(14)=Iφ(15)=0.9060、Iφ(18)=0.1991

Iφ(19)=Iφ(20)=Iφ(21)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)=Iφ(25)=0.1051

由此可见Iφ(4)结构重要系数最大，其次是Iφ(9)，再然后是Iφ(14)、Iφ(15)，即最为重要的基本事件为积碳清理不及时、润滑油品质低、润滑油温度高、润滑油过多。周围温度高、空气中灰尘多、过滤效果差为次重要事件，也需要多注意。供水太少、给水指示器故障、设计不合理、已达使用寿命、润滑油供给少、冷却器质量不合格、水垢太厚这些事件则为非重点事件，不需要重点关注。

2 安全对策措施

通过对事故树及其定性分析得到了引起空压机爆炸的主要因素，在一定程度上给现场施工操作人员改进操作方式提供了依据。由结构重要度系数的排序可以得出，积碳清理不及时、润滑油品质低、润滑油温度高、润滑油过多这4个因素是容易引起空压机爆炸的最主要原因，再其次就是周围温度高、空气中灰尘多和过滤效果差。冷却不良、润滑油过少、压缩比高、机械冲击、积碳氧化、静电放电这些因素造成的影响比较小，相对来说不用花主要的时间。而像供水太少、给水指示器故障、设计不合理、已达到使用寿命、润滑油供给少、冷却器质量不合格、水垢太厚则很难引起空压机爆炸事故的发生，这些低概率事件可以不用重点关注。

在考虑安全对策措施建议时，要优先考虑解决主要矛盾，将最重要的事情优先解决。由结构重要度可得解决主要矛盾的优先关系应该为：制定合适的积碳清理周期，以保证及时的清理积碳；选用抗氧化性品质较高的专用润滑油，注意润滑油的使用量不要过多；然后要注意空压机的运行状态和保证空压机周围环境的干净。

为此建议采取以下措施：

(1)选用抗氧化安定性高的润滑油(康式残炭值<3%)；供油量≤105 g/h；排气温度在150 ℃以下。

(2)注意冷却水运行时的温度和压力，冷却水阀后入口处的给水压力不宜大于2×105Pa或小于0.7×105Pa。同时注意冷却水的进口温度小于25 ℃；排水温度小于65 ℃。当发现温度计计量温度高于规定的温度时要及时检查，查明原因以解除潜在威胁。

(3)保证冷却水的品质，水质要求pH值在6.5～9.5之间；硬度不大于4.3×10-3mol/L；悬浮物不大于100 mg/L；含油量不大于5 mg/L；有机物含量不大于25 mg/L。

(4)在空压机运行过程中要注意周围环境、可安装温度计时时监测，同时在空压机周围安装防尘网，避免灰尘的积累。

3 结 论

(1)引入事故树分析法分析注减氧空气驱油注气系统空压机爆炸风险，以“空压机爆炸”为顶上事件建立了事故树，分析了可能引发事故的25个基本事件，得到了引起事故的68个基本途径。这些引起事故的基本途径定性地描述了空压机爆炸的薄弱环节。

(2)通过对基本事件的结构重要度分析，得到引起空压机爆炸的主控因数4个，重要度排序为：积碳清理不及时、润滑油品质低、润滑油温度高、润滑油过多。

(3)针对分析的到的4个主控因数，采用保证主要因素安全的分析法，提出了选取合适的润滑油、保证冷却水的品质和温度、对周围环境实时检测等相应的防护措施。可以为现场的工作人员在空压机的运行维护方面提供指导意见。