站场加热炉安全仪表系统失效概率分析与研究

祝新泰，马军鹏，王文彬，刘畑，梁昌晶

1.万香科技股份有限公司（江苏 淮安 223001）

2.中国石油华北油田分公司 消防支队（河北 任丘 062552）

3.中国石油新疆油田分公司 王家沟油气储运中心（新疆 乌鲁木齐 830023）

4.中国石油新疆油田分公司 油气储运公司（新疆 昌吉 831100）

5.华北石油港华勘察规划设计有限公司（河北 任丘 062552）

0 引言

设备风险评价是站场完整性管理的一项重要环节，与相对成熟的长输管道风险评价相比，目前仍处于探索阶段[1-3]。根据功能的不同，站场设备可分为静设备（压力容器及工艺管线）、动设备（泵、压缩机及阀门等）以及安全仪表系统（紧急关断装置等）[4]。目前，针对三类设备进行风险评价，采用的较为通用的方法分别是：RBI（基于风险的检验）方法[5-6]，RCM（以可靠性为中心的维护）方法[7]以及SIL（安全完整性等级）方法。但是，采用以上方法对站场设备进行定量评价时，操作成本较高，评价事故发生的可能性大小时，需将同类设备失效概率作为计算依据，但目前我国站场设备失效数据库建设不足，定量结果不准确。

为了解决失效分析这一难题，故障树分析方法被引用到长输管道的失效分析[8-9]中，但目前针对站场设备尤其是加热炉安全仪表系统方面的研究较少，加热炉是油气集输及储运中提供热量的重要单元，装置的合理操作、稳定运行是保证安全生产的关键。因此，对引起加热炉安全仪表系统失效的因素进行综合分析，建立相应的故障树模型，在此基础上，通过层次分析法综合专家意见，利用模糊概率得到基本事件概率，对传统故障树的定量分析加以改进，最终得到故障树的顶事件失效概率，找出系统最薄弱的环节，计算事故发生概率，得到失效可能性等级，以期为站场设备的安全运行提供理论依据。

1 传统故障树分析法

1.1 模型建立

故障树是一种表示导致事故发生的各种因素之间因果及逻辑关系图，属于图论的一种。故障树分析是一种演绎分析方法，可同时用于定性和定量分析，故障树建立步骤如图1所示。

图1 故障树示意图

第一步，将系统所不希望发生的事件作为顶上事件。

第二步，从顶上事件开始，分析引起各个故障模式的原因，由因到果，层层分析，直到确定基本事件为止。

第三步，确定各个因素之间的逻辑关系，用逻辑门将它们联系起来。

1.2 定性分析

故障树定性分析的第一个任务是求出最小割集，即导致顶事件发生的最少基本事件的组合。最小割集在一定程度上代表了危险性大小，一般来说，包含基本事件个数少的割集比包含基本事件个数多的割集容易发生，由此，求出引发事故的最少事件组合，发现系统安全的薄弱环节，为改善安全提供对策及方案。运用布尔代数运算法则[10]处理图1所示故障树的结构函数式，求得最小割集如下。

式中：T为顶上事件；A1、A2为中间事件；X1～X5均为基本事件。

故障树定性分析的第二个任务是从故障树结构上研究各个基本事件对顶事件的影响程度即结构重要度，用以指导现场管理人员对重点隐患进行排查。运用以下计算公式处理图1所示故障树的基本事件的结构重要度。

式中：i为基本事件的序号；m为基本事件出现在最小割集中的次数；n为最小割集中基本事件的个数。

1.3 定量分析

故障树定量分析的第一个任务是已知各基本事件发生的概率，按逻辑代数运算法则，计算顶上事件发生的概率。通过故障树的定性研究得出系统的全部最小割集，则最小割集Ki发生的概率P(Ki)用与门结构函数计算，顶事件T的发生概率P(T)用或门结构函数计算。

式中：P(Xj)为第j个基本事件Xj发生的概率；Li为第i个最小割集中基本事件的个数；n为最小割集的数目。

故障树定量分析的第二个任务是概率重要度分析，即求解某一基本事件对顶事件发生概率的贡献，定义为顶事件的发生概率对某基本事件发生概率的偏导数。按照以下简化公式可进行求解。

式中：Ig(j)i为第i个最小割集中第j个基本事件的概率重要系数；Ig(j)为第j个基本事件对顶事件的概率重要系数。

2 改进故障树分析法

保证故障树定量分析准确的前提是要获得可信的基本事件的发生概率。目前，获得故障树基本事件发生概率的途径一般有统计法或专家主观判断估算。由于目前我国缺乏完备的事故数据库，而且个别事件的发生概率难以用频数替代，因此，专家主观判断法是较为通用的方法。本文将采用层次分析法和模糊概率法改进传统的专家主观判断法，最大限度提高专家判断的客观性和科学性。

2.1 层次分析法

层次分析法是通过对多目标复杂决策问题构建层次结构模型，用一定标度将主观判断进行客观量化，实现从定性分析到定量分析的转变，在此利用层次分析法确定专家能力的权重，具体步骤如下。

1）明确问题，建立递阶层次结构，包括目标层、准则层以及方案层。

2）构造两两比较判断矩阵。用aij表示因素Ai和Aj对上一层某一因素的影响程度之比，按9标度法度量[11]，构成两两比较的判断矩阵A=(aij)n×n。

3）由判断矩阵计算权重向量并做一致性检验。利用一致性指标，随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。当一致性比率小于0.1 时，认为一致性可以接受；否则，应对判断矩阵作适当的修正。

4）计算各层次元素的组合权重向量并做一致性检验。

2.2 模糊概率法

专家的意见一般通过自然语言给出，如很小、小、中等、大、很大，本文将采用梯形或三角形模糊数代替以上自然语言，如图2所示。

图2 专家判断自然语言模糊数

利用模糊概率评价基本事件的概率，大体可分为4个步骤。

1）选择若干来自设计、维修、管理等方面的专家，对基本事件做出主观判断。

2）将自然语言转化成模糊数，给出隶属度函数表达式：

式中：a和b表示自然语言模糊数的上下限。

3）利用左右模糊排序法将模糊数转化为模糊可能性值。首先，定义最大模糊集fmax（x）和最小模糊集fmin（x）：

然后，计算模糊数的左、右模糊可能性值FPSL(w)、FPSR(w)：

最终得到模糊数的可能性值FPST(w)：

4）将模糊可能性值转化为模糊失效率FFR：

3 案例分析

3.1 失效问题分析

采用本文所介绍的方法，对某个站场加热炉安全仪表系统进行失效分析。

安全仪表系统是工业运行中的重要组成部分，通过检测单元的实时监测信息，在一定的时域范围内对控制单元中的设备实施报警、调节、控制或停机等操作，以期提高产品合格率，减少设备故障带来的损失。在此选择加热炉安全联锁保护装置作为安全仪表系统进行失效分析。

加热炉作为石油石化装置常用的设备之一，如当燃料气流量低、长明灯压力低时，将导致油品或天然气在炉膛内积聚，当浓度达到爆炸下限或遇明火时将发生爆炸，为此设了安全仪表系统来实现各种安全功能，以达到保护操作人员和生产设备的目的。经研究表明，大部分事故的发生均与安全仪表系统的完整性有关，通过收集现场的工艺流程数据，包括PID图、技术规格书、仪表逻辑图、维护和使用手册等，对安全仪表系统的安全仪表功能进行准确清晰的辨识。以阿尔联合站的管式加热炉为例，见表1。加热炉联锁保护有以下几类关键问题：无炉膛温度超温联锁设置；无介质入、出炉差压联锁设置；无排烟温度超温联锁设置；无介质流量低联锁设置；无炉膛超压报警设置。

表1 管式加热炉失效情况统计（部分）

引起安全联锁装置失效的直接原因主要有：①传感单元故障；②逻辑控制器PLC 故障；③执行机构发生故障。传感单元故障由压力变送器故障和安全栅故障等因素造成，执行机构发生故障由两个切断阀同时发生故障造成。

根据统计的实际失效情况，对加热炉燃料气流量低低联锁回路失效建立故障树模型，如图3所示，故障树基本事件见表2。

图3 加热炉燃料气流量低低联锁回路失效故障树

表2 加热炉燃料气流量低低联锁回路失效故障树的基本事件

3.2 最小割集和结构重要度计算

根据公式（1）计算出故障树的最小割集：系统的全部最小割集12个。其中一阶最小割集有3个，二阶最小割集有4个，三阶最小割集有4个，四阶最小割集有1 个。说明加热炉安全连锁保护（燃气低压保护）失效发生有12种可能性原因。根据计算结果，各机构管理、操作人员可以根据12 个最小割集中基本事件的特性及其可能发生的条件作出比较全面的预防措施，从而保证工程运行过程中的安全性。

根据公式（2）计算各基本事件的结构重要度，其中基本事件X1逻辑控制器PLC 故障的结构重要度最大，说明它是该系统中最薄弱的环节，应当引起重视，现场管理人员应采取强有力的防范措施，保证系统安全。基本事件X4～X11相对而言结构重要度较小，在人力物力有限时，可减少或延后检修维护。

3.3 失效概率计算

本次选择了4 位专家对13 个基本事件发生可能性做出判断。专家C1专业知识比较丰富，资料来源很广泛，评价较为合理，但是现场经验一般；专家C2专业知识很丰富，资料来源一般，评价合理性一般，但是现场经验比较丰富；专家C3专业知识一般，资料来源一般，评价合理性较差，但是现场经验很丰富；专家C4专业知识不丰富，资料来源比较广泛，评价很合理，且现场经验丰富。将各个专家的能力指标定为专业知识水平、资料来源、观点合理性以及现场经验，并建立专家能力层次分析模型，如图4所示。

图4 专家能力层次分析模型

根据层次分析法实施步骤，计算得到的结果层次总排序及权重向量，见表3，均通过一致性检验。

表3 层次总排序及权重向量

综上所述，得到本次邀请专家能力权重分别为：0.231、0.267、0.202以及0.300。

根据现场资料和实地考察，4 位专家对11 个基本事件发生的可能情况进行了判断，判断结果，见表4。

表4 专家判断结果

根据模糊概率法实施步骤，计算得到各个基本事件的模糊失效概率，见表5。基于表5得到的基本事件的失效概率，根据公式（3）计算加热炉安全连锁保护（燃气低压保护）失效概率为0.077 257。同时，根据公式（4）计算各个基本事件的概率重要系数。考虑基本事件概率后，得到的重要度排序与定性分析一致，逻辑控制器PLC 故障、压力变送器故障以及安全栅故障等均为重要度较高的因素。因此，着重进行检测，及时更换故障元件。建议用信号发生器或短路线模拟现场报警信号，观察现场相关设备是否按程序联动。

表5 基本事件模糊失效概率

4 结论

1）运用故障树进行站场设备的失效可能性分析，可以弥补目前设备失效数据库建设不足的劣势，其分析结果可为站场设备风险评价提供理论支持和指导。

2）运用层次分析法和模糊概率法改进传统故障树，可以提高专家判断的客观性和科学性，同时增加现场工作人员的可操作性。

3）以加热炉安全仪表系统为例，建立了故障树，定性分析后得到了12个最小割集以及各基本事件的结构重要度，定量分析后加热炉安全连锁保护（燃气低压保护）失效概率为0.077 257，失效可能性等级中等，逻辑控制器PLC 故障、压力变送器故障以及安全栅故障的重要度较高。