油气集输联合站设备风险模糊综合评价模型.pdf

2 0 0 8薤 第4期 管 技 术 5 设 各 Pi p e l i n e Te c h ni q ue a n d Eq ui p me n t 2 o 0 8 No ． 4 油气集输联合站设备风险模糊综合评价模型 李凌峰 ， 刘云 ， 廖锐全 ， 姚安林 ， 肖峰 1 ． 长江大学石油工程学院“ 油气钻 采工程” 湖北省重点实验室 ， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3； 2 ． 西南石油大学， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 3 ． 中国石油大学 北京 ， 北京1 0 2 2 4 9 摘要 油田联合站设备的风险评价， 对提高其安全技术水平具有重要意义。根据国内油田联合站设备的安全技术规 范和功 能特性 ， 提 出了联合站设备风险评价的模糊综合评 价模型 ， 建立较全 面的联合站 设备风 险影 响模 糊失 效可 能性 因 素体系和模糊失效后果因素体 系， 制定出较客观的联合站设备失效可能性因素及失效后果因素评价的方法。 关键词 联合站； 风险评价； 模糊综合评判； 评价体 系 中圈分类号 T E 9 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 4 0 0 1 4 0 3 Fu z z y M a t he ma t i c a l M o de l i n Re s e a r c h 0 f I s k As s e s s me nt Te c h no l o g y t o t he Eq u i pme nt o f a Co mbi n e d- - s t a t i o n i n a n Oi l fie l d LI Li n g f e n g ， LI U Yun ， LI AO Ru i q ua n。 ， YAO An l i n ，XI AO Fe n g 1 ． P ctr o l e t m a E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f Y a n g t z e U n i v e r s i t y， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a ； 2 ． S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 3 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g ， B e i ,i i n g 1 0 2 249， C h i n a Ab s t r a c t A n a l y z i n g t h e r i s k l e v e l o f a c o mb i n e d s t a t i o n i s v e r y i mp o r t a n t t o a r a i s e o f t h e s a f e t y t e c h n o l o g y l e v e l o f t h i s c o m b i n e d s t a t i o n ． D e pe n d i n g o n C h i n a c o mb i n e d s t a t i o n s a f e t y t e c h n o l o gy s t a n d a r d s a n d f u n c t i o n al c h a r a c t e ris t i c s ， u s e t h e mo d e l o f f u z z y ma the ma t i c s t o a s s e s s t h e r i s k o f a c o mb i n e d s t a t i o n ． T h e n a d o p t i n g t h e me t h o d o f f u z z y ma t h e ma t i c s ， e s t a b l i s h a c o mp l e t e s y s t e m o f f u z z y l o s i n g e ffic i e n c y f a c t o r a n d f u z z y c o n s e q u e n c e f a c t o r f o r t h e c o mb i n e d s t a t i o n ． A n d p u t for w ard t h e me a s u r e o f f u z z y r l s h a s s e s s me n t for the c o mb i n e d s t a t i o n ． F o r mu l a t e t h e o b j e c t i v e c ri t e rio n t o a s s e s s t h e l o s i n g e ffic i e n c y f a c t o r a n d c o n s e q u e n c e f a c t o r for t h e c o mb i n e d s t a t i o n ． Ke y wo r d s e q u i p me n t o f c o mb i n e d s t a t i o n；ri s k a s s e s s me n t ； me a s u r e o f f u z z y ma t h e ma t i c s ； ma r k i n g s y s t e m 0引言 在各大油田中， 集输油联合站设备起着枢纽作用 ， 联合站 在使用过程中除了会受到人为和石油中的杂质腐蚀等因素的 影响， 设计和施工环节中由于对联合站环境条件和工作条件掌 握不准确， 或对有关设计、 施工技术标准的相关规定应用失度， 或在设计和施工过程中可能出现的各种人为误差等， 都在一定 程度上增大了联合站的风险水平。由此可见， 联合站潜在的事 故危险性极大， 若安全防范稍有疏忽， 就会酿成重大事故。 用于联合站设备风险评价有定性评价法 、 半定量评价法和 定量评价法 3大类方法。定性评价法根据专家观点提供风险 相对等级， 评价成本较低； 危险事故发生的频率和事故后果均 不能量化、 准确性较差。定量评价法的评价结果是最严密和准 确性最好的； 成本最高、 需信息巨大， 要大量先期工作 ， 短期内 仍不易实现。半定量评价法以风险数量指标形成相对风险值， 准确性较高； 需原始数据较少， 成本较低， 认可度高。 国内目前对联合站设备进行风险评价用得较多的是定性 分析方法， 其常见的有风险评价矩阵法、 事故树分析 F r A 法、 结构重要度评价法等。定量计算有火灾爆炸指数法、 一般危险 基金项目 国家科技支撑计划课题 2 0 0 6 B A K 0 2 B 0 1 一 l 1 ； 国家科技攻关 项 目子专题 2 0 0 1 B A 8 0 3 B 0 3 收稿 日期 2 0 0 8 0 3一O 1 收修改稿 日期 2 0 0 8 0 31 9 评价法等。对于半定量法 ， 在联合站的风险评价方面国内则相 对较少涉及。不论是失效故障树方法还是计算结构重要度的 方法， 都没有考虑到联合站失效具有多个模糊因素与多个评价 指标的特点 ， 因而开展联合站风险评价有必要借助于多层次模 糊综合评判方法。 1 联合站设备风险评价模型及指标体系的建立 分析联合站的失效 ， 主要是指各类装置设备的失效。根据 联合站的基本构成及其特点， 将站内的设备分为压力容器、 运 转设备 、 伴热设备、 站内阀门、 仪器仪表 5大类。借鉴国际通行 的管道常规指数评分法的风险评价体系， 结合国内联合站管理 安装运行的实际情况， 考察了中国石化集团中原油田的3个联 合站的运行情况 ， 对影响联合站的失效因素进行了全面考虑与 分析， 建立了适用性较为广泛的联合站风险评价因素体系。联 合站的失效因素总的分为4级 ， 在联合站环境、 地面压力容器、 埋地管道 、 运转设备、 伴热设备 、 站内阀门、 仪器仪表、 站场流程 适应性和安全消防 9大因素的基础上， 又细分了 1 6 0个单因 素。 借鉴管道风险评价的基本原理来确定联合站的风险评价 模型， 从联合站的失效分析可以看出， 联合站内的设备种类繁 多， 如果直接套用管道的风险评价模型显然是不合适的。因 此 ， 根据联合站的特点及其失效分析 ， 确定联合站设备风险评 价模型框图如图 1 所示。 维普资讯 第4期 李凌峰等 油气集输联合站设备风险模糊综合评价模型 1 5 图 1 联合站设备风险评价流 程 2 联 合站设备风险要素模糊综合评判 2 ． 1 模糊综合评价模型建立 的原理及思路 - 5 联合站风险的评价是一个多 目标多级模糊综合评价的过 程。模糊运算的模型多采用的是模型 ， 。 2 ． 2 模糊风险评价模型 建立 的流程及相关方法的运用 首先， 全面调查和详细收集联合站与风险评价有关的情况 和相关资料， 系统、 全面、 定性地分析影响联合站风险的各种因 素， 进行合理 的分类。根据上 述分析 ， 建立模糊综合评判模型。 2 ． 2 ． 1 定评判对象 ， 建立备择 集 文 中的评判对 象为待评价的联合站。 2 ． 2 ． 2 建立 因素体 系 对 因素集 f ／ 作划分 ， 即 U{ U l ， U 2 ， ⋯， f ／ } 式 中 U i ， “ 。 ， ⋯， “ } ， i 1 ， 2 ， ⋯N； N为总的一级因素个数。 ． r 即 f ／ 中含有 个因素， ∑ n ， 且满 足以下条件 u U f ／ ， f ／ nf ／ ， ， ， 具体以联合站来说， 可能造成联合站失效的 原因非常多 ， 这里把影响联合站失效的所有 因素 中分成 9个大 类 ， 即 f ／ 分为相应 的 9个子集 即 N9 ， U{ U ， ， U ， ， U 4 ， ， ， ，f ／ ， } ， 换一种 表达方式 为 U{ “ ， “ ， “ ， ， “ ， “ ， 1l 6， 11 7 ， 1 l 8， 1l 9}。 其中 1l 为联合站环境； 1 l 为地面压力容器； 1 l 为埋地管 道 ； 1l 为运转设备 ； 1 l 为伴 热设 备； 1 l 为站 内阀门 ； 1 l 为仪 器仪 表 ； 1 l 为站场流程适应性 ； 1 l 。 为安全消防 。 然后， 对这 9大类因素再细分， 其中“ i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9 1 ， 2 ， ⋯， 1 1 为第 i 个因素子集的第 个因素。显 然 ， 不 同 的 i 可以有不同的 1 1 ， 依次划分。如果 1 l 因素还可再分 ， 则再往 下 分 ， 文中的单 因素最高达到 4级 ， 即可表示为 i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9 1 ， 2 ， ⋯ ， 12 ； k1 ， 2 ， ⋯ ， m； f 1 ， 2 ， ⋯ ， P n 、 m、 P为 具体因素集的单因素个数 。这样就建立起了总的因素体系及 其表达形式 。 2 ． 2 ． 3 联合站设备的单 因素评判 为了对联合站风险程度进行客观地评价， 聘请一定数量的 相关专 家， 以满 足模糊统 计 的需 要 。评 价集 V{ 很 大 ， 大 ， 较 大， 中等， 较， J 、 ， ， J 、 ， 很， J 、 } 。 就任意一个单因素而言， 可以采用统计方法得到其隶属函 数。例如， 就联合站防腐设备的运行维护这一单因素来说， 5 0 个专家就评判结果给出评语如下 没有专家认为风险很大， 有 2 个专家认为风险大， 1 0个专家认为风险较大， 2 3个专家认为风 险中等， 1 2 个专家认为风险较小 ， 3个专家认为风险小， 没有专 家认为风险很小。求出各评价语言的频率 ， 则可得联合站防腐 设备 的运行维护的单因素评价结果 。 联合站防腐设备的运行维护的单因素评价矩阵可用向量 ， 表示为 r 0 ， 0 、 0 4， 0 、 2 ， 0 ． 4 6 ， 0 、 2 4 ， 0 、 0 6 ， 0 。采用 以上方法 便可得到任意一级因素各单因素的评判矩阵。 2 ． 2 ． 4 根据各 因素的统计规律确定各级 因素的权重向量 在联合站风险模糊综合评价中， 权重的选择仍然采用的是 专家调查法。其步骤如下 。 1 制定 因素调查表 。 2 编制调查汇总表 。 设 n位专家参加了调查， 得到调查结果表。表中o 表示第 m 位专家对因素 “ 给定的重要程度系数值， 且要求 o 满足 o 1 。调查时， 专家数量要足够满足统计需要。 3 计算因素u 的重要程度系数 a n n m 0 g ／ 0 ，， ⋯， m 由此 ， 得出因素 , - 模糊子集 i 1 2 1 At a 。 ， a ， ⋯， a t 2 4 进行各级因素的模糊综合评判。 通过以上的方法就可以得到联合站的总体失效可能性的评 价集 B{ b ， b ， b ， ， b ， b ， b ， b } 。采用同样的方法 ， 也可得到关 于失效后果严重性的评价集 B t b ， b ， b ， b ， b ， b ， b t 。 2 ． 3 联合站设备失效 后果因素模糊评价准则 风险评价模型中的失效后果一般用泄漏影响系数来衡量， 失效后果是评估联合站发生介质泄漏对周围公众、 财产和环境 造成的损失程度， 它主要由联合站处理介质危害性和扩散系数 两类因素来确定。借鉴美国w． K ． M工程咨询公司相关内容建 立评分指标 ， 详见表 1 。 表 1 联合站设备泄漏影响 系数评分指标体 系 3 联合站设备相对风险值 的计算及风险等级的划分 对于联合站， 通过上述分析运算可以得到联合站失效发生 可能性 的评判集 和失效后果 严重程 度的评价 集。对于联合 站 失效发生总体可能性评价集 曰， 采用下面的加权平均法来确定 其值 。 V { 很大， 大， 较大， 中等， 较小， 小， 很小} ， B{ b ， b ， b ， b 4 ， b 5 ， b 6 ， b 7 } 给定一个加权集 Qt q 。 ， q ， q ， ， q ， q ， q ， q t ， 可赋值 Q { 1 0 ， 8 ， 6 ， 5 ， 4 ， 2 ， 1 t 。于是联合站失效的总体可能性 P， 可用式 3 计算 7 P 8 0Y ． b q 3 失效后果严重程度的评语为 维普资讯 1 6 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J u 1 ． 2 0 0 8 W{ 很严重， 严重， 较严重， 一般， 较轻微， 轻微 ， 很轻微} 可以按照其后果的严重程度定义一个失效相对损失值， 并 以评语“ 很轻微” 造成的损失程度取值为 1 ， 其余评语按照语气 加重程度依次取相对值为 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 。失效损失集 为 X{ l ， 2 ， 3 ， X 4 ， 5 ， 6 ， 7 } { 7 ， 6 ， 5 ， 4 ， 3 ， 2 ， 1 } 。 这样结合失效后果严重性的评价集 ， 可以得到联合站失 效后果的相对损失期望值 c 7 c B X 6 t i 4 ‘ I 综合以上的分析结果， 联合站的风险值 可以用式 5 来 确定 7 7 R P C q 6 。 5 由以上的计算过程得出联合站风险值 的取值范围是 1 ≤ R 5 0 ／ 1 2． 5 1 ／,／2 2 _ 0．0 54 ／,／2 4- 标准规定 缺陷最大深度超过名义壁厚的 8 0 ％， 则需及时 更换； 最大深度小于名义壁厚的 1 0 ％的缺陷可以忽略不计； 在 两个限度之间的用式 1 进行评价。 3 水压爆破试验验证 文中收集了国外的水压爆破试验压力数据 ， 分别采用有 限元、 A S ME 1 1 3 1 G标准两种评价方法进行了腐蚀管道失效压力 的计算 。 以水压爆破试验压力数据为基础 ， 比较这两种方法的 准确性和可靠度， 计算结果见表 1 。通过图 7可以看出， 利用有 限元计算得到的结果低于实际值。这主要是由于用有限元方 法进行建模和计算时， 不可避免地要引入一定的假设， 而材料 的屈服强度和抗拉强度又取的是平均值， 因而计算结果一般要 低于水压试验值。 重 誊 善 孚 果 圈 7结果比较 通过比较还发现， 利用有限元方法计算得到的极限载荷与 A S ME B 3 1 G准则的极限载荷相 比， 更接近试验载荷， 用 A S ME B 3 1 G标准计算的结果相对保守。通过计算得到， 当采用有限 元方法对含体积型缺陷压力管道计算剩余强度时， 和真实的水 压试验结果相比， 误差不到 1 0 ％。而采用 A S ME B 3 1 G准则进 行计算， 误差较大。所以采用有限元方法对含体积型缺陷压力 管道计算剩余强度是可行的。 4结论 1 分析计算表明 利用有限元方法计算含有体积型缺陷 压力管道的极限载荷是可行的。 2 当V an M i s e 应力到达贯穿整个腐蚀 区域 的参照应力 时，管道将发生失效。分析表明当参照应力取强度极限的 8 0 ％时，利用有限元方法计算得到的结果跟试验结果较接近。 3 基于全尺寸爆破 实验结果 的验 证 ， 可 以看 出， 对 于中、 高强度等级钢管的缺陷评定， A S M E B 3 1 G标准规范方法有一定 的保守性， 有改进的余地。而利用有限元方法计算得到的结果 跟水压试验得到的结果比较接近， 误差都在 1 0 ％以内。 参考文献 [ 1 ] 帅 健． 腐 蚀 管道 剩 余强 度 评 价方 法 的对 比研 究． 天然 气工 业 ， 2 0 0 6， 2 6 1 1 1 2 21 2 5 ． [ 2 ] 张慧敏 ， 潘家 祯． 蒸汽跨越管线 含体积型缺 陷的塑性极限载荷分 析． 压力容器 ， 2 0 0 7 ， 2 4 5 58 ． [ 3 ] 魏化 中， 周小兵． 含交叠型缺陷压 力管道 的极 限载荷分析． 管道技 术 与设备 ， 2 0 0 7 2 3 63 7 ． [ 4 ] 白葳， 喻海 良． 通用有限元分析． 北京 清华大学出版社 ， 2 O O 5 5 2 8 ． [ 5] C H O I J B， G O O B K， K I M J C ． D e v e l o p m e n t o f l i mi t l o a d s o l u t i o n s f o r c o r r o d e d g a s p i p e l i n e s ．I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f P r e s s u r e Ve s s e l s a n d Pi p i n g， 2 0 0 3， 8 0 1 2 11 2 8． [ 6 ] Am e r i c an S o c i e t y o f M e c h ani c a l E n g i n e e r s ． A S M E B 3 1 G -- 1 9 9 1 ． M a n u a l f o r d e t e r mi n i n g t h e r e ma i n i n g s t ren g t h of c o r r o d e d p i p e li n e s ． Ne w Yo r k ASME B 31 Co mmi t t e e， 1 9 9 1 ． [ 7 ] KI M W S ， K I M Y P， KH O Y T ． F u l l s c a l e b u r s t t e s t and fi n i t e e l e me n t a n My s o n c o r r o d e d g a s p i pe lin e ．P r o c e e d i n g o f I PC D2， 4 th I n t e r n a - ti o n a l p i pe li n e c o n f e ren c e ． Ca l g a r y ， C an a d a ， 2 0 02 ． 作者简介 舒 安庆 1 9 6 4 一 ， 教授 ， 主要从事压力容器 压力管道、 新型高 效过程装 备及仿真技术研究 。 维普资讯