天然气处理厂基于风险和可靠性的安全现状评价技术应用

2022-10-09姜海一杨镰菠谢国山

中国特种设备安全 2022年8期

关键词：高风险火炬检修

姜海一苗锐杨镰菠谢国山何萌

（1.新疆维吾尔自治区特种设备检测研究院乌鲁木齐 830011）

（2.中石化西南油气分公司成都 610000）

（3.中国特种设备检测研究院北京 100029）

某气田净化厂2014年投产运行至今，其火炬系统、工业控制系统、电气系统及公用工程装置一直处于连续运行状态，未进行任何停工检修，暴露问题如下：

1）火炬系统存在高压火炬头的流体密封器折流板部分脱落；高、低压备用火炬高能点火器失效，不能点燃；火炬单元压力容器和压力管道一直未进行停工检修。

2）工业控制系统中操作站/工程师站的Win7操作系统已停止维护，漏洞不能更新，存在频繁死机、电源频繁故障、部分卡件停产和备件不足等问题；控制器点位负荷远超设计要求，目前无法正常开展在线自诊断检查，备用点位通道基本用完，无后续新增点位的安装空间；控制系统检修未随各联合装置的设备检修同步进行。

3）电气SCADA系统后台监控和五防系统已连续运行7年，存在死机、后台远程访问无数据上传、服务器通讯中断、后台监控画面缺失、现场监控摄像头黑屏、通道拥堵等问题；部分变配电所未开展停工检修；全厂机柜间UPS无“脱机维修旁路”，当输入输出板件发生故障时，无法保证仪表不间断供电。

4）公用工程的除氧器设计能力有限，无法实现单台系列检修，进水总管的“T”型过滤器发生堵塞，未设计备用旁路。仪表风事故球罐仅能维持全厂20 min仪表风供应需求。PSA制氮效率达不到设计负荷，特殊工况需液氮补充，程控阀门动作频繁（约1次/50 s），潜在故障率较高。循环水系统在夏季部分高温时段给水温度超过设计要求，各系统相互独立且无备用，抗风险能力降低。公用工程车间及图幅约180套重点关键阀门至今未检修。压力容器和压力管道一直未进行停工检修。燃料气系统易发生燃料滤芯堵塞及燃烧器枪管结焦，导致火焰回火烧坏燃烧器。

为明确火炬、工业控制和电气系统以及公用工程装置长周期生产运行所带来风险管控难度和风险值大小，对其进行专业化定量安全现状评估，识别并定量评估潜在风险和隐患，并提出基于风险和可靠性的优化检维修策略。

1 关键技术

RBI（Risk-Based Inspection）是以设备单元的失效破坏可能性和失效导致的后果为分析对象，通过对生产装置中每个设备单元固有或潜在的失效模式而导致的危险及其后果进行定性或定量的分析和评估来量化风险的大小、确定设备的风险等级、发现主要设备薄弱环节、对风险等级较高的设备单元给予重点关注并施以针对性检验的风险评估和管理过程。RBI评估流程[1]如图1所示，本次采用GB/T 26610全定量评估方法，失效可能性类型为概率，后果类型为经济后果，失效可能性等级划分[2]和风险可接受准则[1]按GB/T 26610方法，后果等级划分见表1，不可接受风险范围为中高风险、高风险以及失效可能性大于3的评价单元，并给出评估风险等级与中石化安全风险矩阵中重大风险、较大风险、一般风险和低风险的对应关系。

图1 RBI评估流程

表1 RBI评估后果等级划分

RCM（Reliability Centered Maintenance）是确定有形资产在其使用背景下维修需求的一种过程。对系统进行功能和故障模式分析，明确系统内各故障模式的发生可能性、后果及风险；用规范化的逻辑决断方法，根据风险和故障原因，确定出各故障模式的预防性维修、预测性维修、故障查找、重新设计和事后维修等对策；通过故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性和完好性的前提下，制定以维修停机损失最小为目标优化系统的维修策略。本次RCM评估的流程如图2所示，采用定量评估方法，首先进行设备级筛选风险分析，然后对筛选得出的中风险和高风险设备进行故障模式级FMEA（失效模式和后果影响分析）和风险分析，并将故障模式最高风险等级定为设备最终风险等级，最后对中风险及以上的故障模式进行故障原因分析，并针对故障原因提出检维修策略。失效可能性等级划分、失效后果等级划分和风险可接受准则执行中石化安全风险矩阵。

图2 RCM评估流程

2 评价应用情况

2.1 确定评估范围

考虑到风险评估方法的适用性，选取火炬系统和公用工程装置所有86台压力容器和240条压力管道作为评估对象。考虑到可靠性评估方式是基于部件、故障模式和故障原因逐级分解的，评估工作量巨大，只选取50个关键系统部件和设备进行评估，而缺少检测数据的消防水埋地管网、预测性维修措施较完善的转动设备以及失效后果较低的常压容器，未纳入评估范围。

2.2 识别潜在损伤模式和故障模式

采用GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》的72个损伤模式库[3]，识别出压力容器和压力管道具有大气腐蚀、高温硫化物腐蚀（氢气/无氢环境）、酸式酸性水腐蚀、碱式酸性水腐蚀、锅炉冷凝水腐蚀、含氧工艺水腐蚀、碱腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、碱应力腐蚀开裂、球化、振动疲劳、冲刷和冲蚀等潜在损伤模式。通过文献调研[4-22]，识别出191种故障模式及其故障原因和解决措施，结合实际情况，确定评估采用其中50种故障模式，火炬系统故障模式见表2。

表2 火炬系统调研的故障模式

2.3 RBI评估

评估了2021年10朋30日、2022年10朋30日和2023年10朋30的风险分布结果（如图3所示）。首个评估时间点对应中石化安全风险矩阵52个较大风险、41个一般风险和251个低风险，无重大风险。2021年10朋30日评估结果中不可接受风险（中高风险和高风险以及失效可能性大于3）的评价单元为88个，应尽快安排降险检验。2022年10朋30日和2023年10朋30日分别增至91个和99个，装置整体风险水平大幅升高，安全隐患进一步加大，应尽快降险。

图3 RBI评估结果

不可接受风险评价单元主要为：公用工程装置的含有硫化氢的酸性水管道、液硫管道、胺液管道以及排污水管道、303与412单元的凝结液管道和动力站排污水管道（内部减薄的失效概率高）；火炬分液罐、水封罐和酸性水管道（应力腐蚀的失效概率高）；净化风事故球罐（内部减薄和外部腐蚀的失效概率高）；图幅单元的大口径（φ475 mm）含硫天然气和净化天然气管道（失效后果高）。

2.4 RCM评估

RCM评估结果如图4所示，50个关键系统部件和设备的RCM评估结果中属于中高风险和中风险（分别对应中石化安全风险矩阵的较大风险和一般风险）的均占26.0%，其余为低风险（对应中石化安全风险矩阵的低风险），风险水平较高，主要集中在火炬系统的流体密封、工业控制系统的DCS控制器、电气系统SCADA系统的交换机和快切装置以及公用工程装置动力站的除氧器等。

图4 RCM评估结果汇总

在70个故障模式级评估中，中高风险有14个（占19.4%），中风险有16个（占22.2%），风险水平较高，主要集中在火炬系统（如流体密封折流板掉落等）、工业控制系统（如DCS控制器不稳定输出等）、电气系统（如SCADA系统交换器控制系统通讯堵塞和快切装置电源模块故障致功能失效等）以及公用工程装置动力站（如除氧器负荷不足将影响工艺运行并加剧锅炉水-蒸汽系统腐蚀等）。火炬系统、DSC系统和公用工程装置的关键系统部件和设备的风险等级及对应各故障模式的失效可能性等级以及后果等级，见表3～表5。

表3 火炬系统RCM评估结果

表4 DCS系统RCM评估结果

表5 公用工程设备RCM评估结果

对中风险及以上故障模式进行故障原因分析，得到154个故障原因。针对各故障原因，提出检维修建议措施，包括预测性维修类（13个）、预防性维修类（46个）、故障查找类（17个）、重新设计类（27个）和事后维修类（49个），其中涉及检验、检测、点检、测试和更换/升级等措施需停车实施。流体密封器故障原因和检维修策略分析结果见表6。

表6 流体密封器故障原因和检维修策略分析结果

2.5 评价结论及管理建议

通过综合评价分析，得出未检修系统和装置存在不可接受风险的设备和事故隐患，整体风险水平较高，影响运行可靠性，尽快实施停车检修和软硬件升级，并积累数据以进一步排查故障模式，保障装置长周期安全运行。涉及高风险和中高风险的系统部件/设备的管理建议如下：

1）立即整改措施：火炬系统的流体密封器和火炬头长明灯系统属于中高风险，其“增加高压火炬放空管网的燃料气补气量”等立即整改措施应马上整改。DCS系统的控制器、系统软件和网络安全设备属于中高风险，其“升级后更换控制器，满足扩容的需求”等应尽快停车实施。SIS系统的SM控制器和CISCO交换机属于中高风险，其“升级后更换控制器，满足扩容的需求”等应尽快停车实施。电气系统的SCADA系统交换机和快切装置属于中高风险，其“对交换机进行升级优化”等应尽快停车实施。公用工程装置的除氧器属于中高风险，其“增加1台除氧器”等应尽快停车实施。

2）周期性预防措施：火炬系统的流体密封器和火炬头长明灯系统属于中高风险，其“停车维修”等应实施周期性停车检修。DCS系统的控制器、I/O卡件和静电转换开关属于中高风险，其“每3～4年（检修周期）点检1次”等实施周期性停车检修。SIS系统的SM控制器、SMI/O卡件和CISCO交换机属于中高风险，其“每3～4年（检修周期）点检1次”等实施周期性停车检修。电气系统的SCADA系统交换机和快切装置属于中高风险，其“每3～4年（检修周期）点检1次”等实施周期性停车检修。公用工程装置的除氧器属于中高风险，其“定期停车内部检修”等实施周期性停车检修。本次所评价的系统和设备中，除了巡检和法检设备在线降险检验外，涉及停车检修和周期性点检等均需要全厂停车检修。建议对火炬系统和公用工程装置中不可接受风险的法检设备进行在线降险检验，并在到达上一检验周期后采用有效的检验方法实施停工检验。

3）长期管控建议：火炬系统的流体密封器和火炬头长明灯系统属于中高风险，其“日常加强中控室人员技能操作培训”等措施应长期管控实施。

4）事后维修：对于较低风险的故障模式，可以优化检维修资源，以事后维修的方式开展工作。