在线分析小屋仪器失效概率与安全间距研究

Vol. 17 No. 1Jan. 2021
第17卷第1期2021年1月
中国安全生产科学技术
Journal of Safety Science and Technology
doi ： 10. 11731/j. issn. 1673-193x. 2021. 01. 012
在线分析小屋仪器失效概率与安全间距研究!
仇亚洲"，吴瑕",刘汗青,胡燮
(1•西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500 ； 2•瑞丽海关，云南瑞丽678600)
摘要：为探究天然气输气站中在线分析小屋内，因仪器布局紧凑所导致的连锁失效概率的计算方法，并探索在线分析小屋内不
同分析仪器间合理的安全距离，以基于风险的检测技术(RBI )为基础，考虑在线分析仪器间因超压爆炸而引发的连锁事故，建立 在线分析小屋内仪器失效概率计算方法，为仪器的无事故安全管理提供数据基础；同时，采用TNT 当量法建立在线分析小屋内
仪器间安全间距的计算方法，为在线分析小屋内仪器分布与设计提供理论依据。

对某输气站场在线分析小屋仪器进行应用&结
果表明：建立的失效概率计算方法获得的水怪露点分析仪失效概率较标准API RP 581的方法增大59%，验证了模型在表征连锁
反应事故所引入的附加风险;建立的安全间距计算方法获得3个分析仪器间距离爆破能量较大的前2个仪器的安全间距应不小
于2.82 m 与1.47叫大于现有设计尺寸，验证了其可用性&
关键词：分析小屋；在线分析仪器；失效概率;连锁事故；安全间距
中图分类号：X937
文献标志码:A 文章编号：1673 - 193X (2021) -01 -0074 -07
Shdy on failure probability and safety distancc of analyzers ir on-lirr analyzer house
QIU Yazhou 1 , WU Xia 1 , LIU Hanqiny 2 , HU Xie 2
(1. Colleye of Petroleum Engineeriny , Southwest Petroleum University , Chengdu Sichuan 610500 , China ；
2. RuiOi Customs District , RuiOi Yunnan 678600 , China )
Abstract : In order to explore the cclculation method of the ccsccdiny failure pababiOty ccused by the ccmpact layout of ana ­
lyzers in the on-line analyzes house of natural yas transmission station , and explore the reasonable safety distance belseen dit- feant analyzes in the on-line analyzes house,on the basis of the risk-based detection technoOyy ( RBI) ,ecnsideriny the ces-
cediny accident caused by overpressure explosion belseen on-line analyzers , a calculation method for the failure probabilities of analyzes in the analyzes house was established , which provided a data basis for the accident-free safety manayement of the
analyzers. At the same time , the TNT equivalent method was used to establish the calculation method of safety distancc be ­tteen the analyzers in the on-line analyzer house , which provided a theeaticel basis for the distribution and design of the ana ­
lyzers. The application on the analyzers in the on-line analyzer house of a yas transmission station showed that the failure probability of the water hydaccrbon dew point analyzer obtained bz the established celculation method of failure probability
was 59 % laraer than that of the standard API RP 581 method , which verified that the model characterized the additional risk intaduccd bz the chain avetion accident. The established calculation method of safety distancc obtained the distancc belseen the three analyzers. The safety distancc belseen the first tso analyzers with laaer blastiny eneaz should be no less than 2. 82 m
and 1.47 m , which was laraer than the existiny design size , and its availability was verified.
Key words : analyzer house ； on-line analyzer ； failure probability ； cascadiny accident ； safety distancc
收稿日期：2020 - 11 - 10
*基金项目：国家重大专项子课题项目(2016ZX05028 - 01 - 006 )；原国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2016IK274 )；海关总署科研
项目(2019HK076)
作者简介：仇亚洲，硕士研究生，主要研究方向为油气储运安全工程&
通信作者：吴瑕，博士，副教授，主要研究方向为油气储运安全工程、油气管道多相流&
第1期
中国安全生产科学技术
・75・
0引言
天然气长输管道的在线分析仪器通常安装在天然
气站场内金
线 小屋内， 自动测量、
天然气的成
物性参数， 不仅反映现场生产工 、
与天然气计量标准转换［1-3
此一旦发生在线 小屋内 失效,将
重影响天然气长输管道的平稳、 运& 线析小屋受站
局及自身运输、安装
制,通
尺寸有限，
通 局紧凑，
安装间
距甚至不足0.3 m ⑷。

因此，若分析小屋内某一在线分
发生
、样气气
失效事故［5 *,易
燃易爆的天然气样气将极 能通过燃烧、爆炸等失效后 及屋内
，由此引发一系列 排布失效&
,比
失效过程，在线分析小屋
失效过程更为复杂、后更为严重，因此如何准确获取在线分析小屋内仪器的失效概 而 安全管理就显得尤为重要&
目前,针 如色谱仪、质谱 静 失效概率
计算方法,国内外学 展大量研究。

在输气站
:
失效研究领域，目前 方法包括故
［
6-7*、指标评价法［8*和基于风险的检验（RiskSased on Inspec ­tion ，简称RBI ）技术［9-10*。

但是， 方法却难以表征在线分析小屋内 间的连锁失效过程,难以准确分析
失效所附加的风
失效概 J
影响&
针对上述问题,以RBI 技术为基础，考虑在线分析 小屋检测 间 事故附加的失效概率影响,建 1
线
失效概
方法， 失效概率与关
联失效概 方法，
失 概率,以便更加合
理、客 反映在线 小屋检测
实失效概率，并最终提
失效风 确性&
,探究在线 间的安全间距,为在线
理
布局提供依据&
1失效概率计算方法
在线分析仪器在分析小屋内的布局尚未明确规定,
《在线分析仪器系统通用规范》（GB/T 34042—2017 ）［ 1 *
中 线 小屋典型平面布置如图1所示&该
图 ，现阶段在线 局过
，仪器间
连锁事故效应不容忽视。

而连锁事故效应的升级向量
一般 为 、爆炸碎
辐射［11-12 *,在线
小屋空间
气 ，
辐射
影响；对于体积小于500 m 3的设备对其爆炸碎片问题通 常不。

因此,本文研究
间 事故效
应主要是通过
递的&
4 500 mm
载气载气
］防爆荧光灯
样品处理箱样品处理箱样品处理箱
可燃气体 检测器
iz /勿
标气标气
/////////////////.////////////// / /
色谱分析仪
可燃气体色谱分析仪
可燃气体色谱分析仪
可燃气体检测器
检测器
a
检测器
F 扇
可燃气体 检测器
接 线 箱
感烟感温 探测器
防爆荧光灯
感烟感温 探测器
接线箱I I I 11 11 I 防爆荧光灯^=!|
空调室外机
接线箱接线箱
接线箱
暖气 」
丨丨
1 1Z/////////////////7///7///// 丿///7/// / / //
O O
图1在线分析小屋典型平面布置
Fig. 1 Typical layout plan of on-line analyzer house
假定在线分析小屋内有4个在线分析仪器（输气站 场一般最多配置4台），编号分别为1 ,2,3和4,由于仪 器间
事故效应,4台线 通过压而相互影响、破坏&那么 某一设备的失效概率
时，其余3个设备中，任意设备超压爆炸产生冲击波超 压造成这一
失效都将作为 失 素， 概
率的附加&此，
1 失概率,则应为
1自身泄漏
失效概率与
2,3,4
超
・76・中国安全生产科学技术第17卷
压爆炸产生冲击波超压导致分析仪1失效的关联失效概率之和(为，将1称评，分
2,3,4统称非评%,如式#1%所示：
Q1二711+(721+731+71)(1%式中：Q为分析仪1的失概率；711为分析仪1的固有失效概率;721,731,71为2,3,4超压失效附加失效概率&
(1%即为建事故效应的在线分析仪器失效概方法。

关联失概方理如图2所示&
图2关联失效概率计算方法原理
Fig.2Priccicle of calculation model for associated
failere probability
其中固有失效概率通过API RP581—2016标准即可求得，而失效概率则基于物理爆炸模型斯数得,将二加即可得到评
失效概率&将求得的失效概率带入API RP581—2016中，后失效风&具体评价流程如图3所示&
图3在线分析小屋分析仪器失效概率定量评价流程
Fig.3Quantitative evaleation process of analyzer failere probability ic on-lice analyzer house
1.在线分析仪器固有失效概率计算方法
线失效概早期由API RP 581—2016版本的基础上，根据多年的应用经验，进一步整合、调整得到,公［10*如式(2%所示：
7()二gff#/()・Q ms(2%式中：7()为固有失效概率,次/a；/为通用失效概率,次/s；/()为设备损伤因子；Q ms为企业管理因子&
中,通用失效概率"由原文件中同类设备通用失效概率数据库得到。

/()由式#3%或式#4)计算求得。

若设备存在局部腐蚀，则损伤因子/()如(3%所示：
式中:/fg为壁厚减薄因子；/o-o为外部损伤因子；/S-/g为应力腐蚀开裂因子；/t ho为高温氢致开裂因子；/亀'为脆性断裂因子；m为机械疲劳因子&
为全面腐蚀,损伤因子/()计算如式(4%所示:
/()二/y hin+/fxtd+/.：/+
t\/I-2；0V I-2；0V I-2；0V/、
(4%
/t ho++/畀
企业管理因子Q ms反映管理水平对机械完整性的影响，基中13
标102个问题采用面谈和问卷调查的形式对站场进行评分,得到管理评，然后将换为管理因子，转换如式(5%所示：
Q ms二101赛(5%式中:Score为管理评价分值。

1.在线分析仪器关联失效概率计算方法
评爆炸产生评
失效的关联失效概率，是非评发生超压爆炸的概(初始事件概率%与产生评(器失效的概率之积&
1.2.1初始事件概率
目前，在线发生超压爆炸的相关事故数据,能一些数据作为&将
析仪器视为承压容器，采用OREDA Offshoe Reliability­Date Handbook.4th Edition［13*中的有关压力容器超压破裂损坏的失效概率,记为人&
1.2.2冲击波超压导致评价仪器失效的概率
基于TNT当量法［14*解评受的冲击波超
；通过斯数将为失概&
1%
将爆炸能量为TNT炸药的当量,基于冲
则,将爆炸与已知的TNT炸药爆炸所产生&
①盛装气体力爆炸能量
气体压力爆炸能量如式(6%所示：
$g"吕［1-(帘)、1。

6(6%式中:$g为容器内气体的爆炸能量,J；P为气体爆破前的绝对压力,MPo；_为容器体积(无液体时％,m3；8为气体数&
②T NT
量
第1期中国安全生产科学技术-77-TNT当量值计算如式(7%所示:
(TNT
$
_____y____
4520x103
(7%
式中：(tnt为TNT当量值，即容器爆炸产生冲击波所消耗的能量相当于TNT炸药量，ky&
③
冲击波超压值计算
大量实验数据表明，当不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离'之比与炸药量9的3次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同‘14*，其关系如式(8%所示：
'=(—)=a,则!p=!?0( 8%式中：'为目标与爆炸中心距离，m;'为目标与基准爆炸中心的距离，m；—为基准爆炸能量，相当于TNT 炸药量，ky;—为爆炸时产生冲击波所消耗的能量，相当于TNT炸药量，ky；!p为目标处的超压，MPa；为基准目标处的超压，MPa；a为炸药爆炸实验的模拟比&此时,仪器爆炸产生冲击波所消耗的能量(tnt即为—1000ky TNT炸药在空气中爆炸时，目标与基准爆炸中心的距离和目标处超压值的关系见表1&
表11000kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的
冲击波超压
Table1Shock wave overpresstre generated when
1000kg TNT explosives explode ir air
距离'/m超压A/?0/MPv
5 2.940
7 1.670
90.950
100.760
140.330
180.170
$00.126
$50.079
300.057
350.043
400.033
500.024
由式#8%可知，若计算得到TNT当量—且已知仪器设备的实际距离'，即可得到模拟实验中目标与基准爆炸中心的距离'，基于表1[14]结合拉格朗日插值法估算相应距离的冲击波超压值&
2%冲击波超压造成仪器失效的概率计算
采用基于经验数据的高斯分布函数概率模型[15*计算由冲击波超压导致评价仪器失效的概率，计算如式(9%所示：
1r2-5
/=%e®dW(9%
槡2打J-8
式中:/为冲击波超压导致评价仪器失效的概率；W 为积分变量；2为评价仪器失效概率单位值，其确定方式见表2[16]&
表2事故扩展概率计算模型
Table2Calculation model of accident expansion
probability
物理影
响因素
目标设备
阈值
/kPa
概率函数模型超压
常压设备
高压设备
15
32
2二-9.36+1.431n(!!
2二-14.44+1.821n(!! 1.2.3在线分析仪器关联失效概率计算
在线分析仪器关联失效概率为非评价仪器发生超压爆炸的初始事件概率九与产生的冲击波超压造成评价仪器失效的概率/的乘积，计算如式(10%所示：
7=九-/(10%式中：7为在线分析仪器关联失效概率，次/a;九为非评价仪器超压破裂损坏的失效概率，次/a&
1.3在线分析仪器失效概率计算方法
基于式(1%，可得评价仪器的失效概率，如式(11%所示：
Q= 7()+#7(11%
6=1
式中：Q为评价仪器的失效概率，次/a;5为非评价仪器的数量&
2安全间距计算方法
目前，在线分析小屋检测仪器的布局没有明确的距离规定&针对分析小屋内可能出现的连锁事故效应，应当建立分析仪器间的安全间距计算方法&
安全间距的计算方法主要是基于上述已知的1000 ky TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压结合TNT当量法完成的&首先,基于表1与高斯分布函数概率模型得到冲击波超压值、关联失效概率与相当距离的关系，具体关系如图4所示&
由图4可知，随着相当距离的增大，冲击波超压先快速下降后缓慢递减，值得注意的是，当相当距离大于45m后，冲击波超压值下降曲线斜率接近于1；随着相当距离的增大，仪器间关联失效概率先保持为1不变后急剧下降最终变化趋于平缓，且相当距离等于45m时，分析仪间关联失效概率小于20%。

当相当距离大于45m 并继续增大时，冲击波超压值变化不再明显，仪器间关
・78・
中国安全生产科学技术第17卷
0 10 20
30 40 50 60 70 80
相当距离/m
—o —冲击波超压值 占关联失效概率
图5在线分析仪器壁面布置
Fig. 5 Wall layout of on-lire analyzers
图4冲击波超压值、关联失效概率与相当距离的关系
Fig. 4 Relationstir between stock wave overpresstre valee , associated failere probability and equivalent
distance
失效概率减小趋势渐缓，且由式（8）可知，当在线分析 仪器爆破能量g 确定时， '增大会
间
实际 '的增大，进一
大在线 小屋尺寸,将
增加其建 维护成本。

因此， 终确定
'
为45 m 作为限定值，反 线
间的安全间
如（12）所示：
3计算方法应用
为明确建立计算方法的应用效果，本文以西南地区 某输气站 线
小屋为例，
上述方 线分
失效概
&
3. 在线分析小屋概况
线分析小屋内部空间尺寸长、宽、高分别为
3.5 m ，2. 5 m ，2. 7 m ，屋 内壁面安装有 HYGROPHIL HCDT 水桂露点分析仪1台、AMETEK 933型分析
仪1台 GC800气色谱 1台，对应 体积
分别为0.214 m 3，0.038 m 3与0.208 m 3，在线分析仪器壁
面 如图5所示&
将取 气通过3条
独 气管道输送至 工 力 为
2.70 MPa ，0.56 MPv 与0.70 MPa 。

现以水桂露点分析
仪为例，用上述方 失效概率&
3.2 计
3.2. 1 水炷露点分析仪固有失效概率
点
失效概率时，由于该
仪器无内涂层，因此
里损伤不 &基
工 与管输 综合判断，水桂露点 f
仪的损伤机理为减薄缺陷与 损伤，因此 减
薄损伤因子//w W o '与外部损伤因子/vxw ov ，总损伤因子
/（）则由式（3） 为式（13） &
/（ ） = mvx [ /-W o '，/VXSJ
（ 13 ）
损伤因子的计算结果见表3，具体计算/；W ：o'与
/fx/v 过程可参见 API RP 581 —2016&
表3 水:露点分析仪损伤因子值
Table 3
Damage factor valees of water hydrocarion
dew poirt analyzer
损伤因子类型减薄损伤子
D —W 损伤 子
VX/损伤 子/（）
子
50. 195
对该输气站场进行管理系统评分，总得分为753
分，经式（5）计算可得企业管理因子Q ms =0.316，具体
操作过程可参见API RP 581 —2016&
经多年实际应用后，API RP 581 —2016对通用失效
概率数值进行了修改与统一，为3.06 x 10-5次/a 。

通过固有失效概
公式得到水桂露点分析仪
的固有失效概率为7（ ） =4.834 X 10-5次/a 。

3.2.2 水炷露点分析仪关联失效概率
1） 初始事件概
在本例中，初始事件概率即为H 2S 分析仪或气相色
谱仪发生超压爆炸的概率，由Offshore ReeabiWty-Date Handbook 数据库得到2承压设备爆破概率均为2. 009 X 10-5 次/a 。

2） 失 概
线分析仪器壁面布置图得到水桂露点分析仪
与其他设备的间距，通过式（6） - （10）和表1可得非评
产生
及
失效概率，计
见表4& （取水桂露点分析仪样气8 =1.25，H q S 分析仪 样气8 =1.29，气相色谱仪样气8 =1.38）
3.2.3 水炷露点分析仪失效概率
通过式（11）可得
点
失效概率为
7.687 x 10-5次/a 。

3.3 安全间距计算
以本例
安全间距的操作流程&首先，由
式（6）〜（7）计算水桂露点分析仪、H 2S
分析仪与气相色
第1期中国安全生产科学技术・79・
表4水:露点分析仪失效的关联失效概率
Table4A ssoc ta hed fa tlu(e p(obab tl thy fo(fatlu(eofwahe(hyd(oca(bondew po tn hanalyze(
能爆爆能量/J TNT当量值/x10-3kg/m/kPa失概/X10-5(次・a-1% H2S分析仪23417 5.18120.809118.433 2.028
气色谱15814134.98735.65040.8430.953
谱仪的TNT当量值9依次为246.142X10-3,5.181X 10-3,34.987X10-3kg。

取TNT当量值较高的水桂露点与气象色谱仪为布局依据&然后，(12%'知，当确定相当距离'=45m,基准TNT炸药量90= 1000kg时，得到点与气相色谱仪的安全间距'应分别不小于2.82,1.47m。

该计算结果可应用于在线分析小屋设计初期对分析仪器的位置进行规划；同时，也可对已投入应用的在线小屋整&为方管理,如线小屋的一面墙壁3个则可安排到一面，若不能满足,应当考虑多面墙壁&这里给出2线整方式,如图6所示&
图6在线分析仪器布局调整结果示意
Fig.6Schematic diagram for layout adjustment restlts of on-line analyzers
4结论
1%基于本文提出的失效概率计算方法，当考虑分析小屋内连锁事故效应造成的附加影响后，水桂露点分析仪的失效概率较固有失效概率增大59%,失效概率的急剧增大将影响后失效风级而影响仪器的维护维修资源的分配，传统计算方法无法正确反映在线面风险&
2%TNT量,提小屋内线安全间方,得到
点分析仪与气相色谱安全间距应不小于2.82, 1.47m。

该方线局、安装具有重要意义和应，可推广应用寸
小屋。

3%由于国内尚未建立输气站场领域的失效概率数据库，不同的数据库将不失效概；
,发生初始事件概率,不，得到会有所差异，但整体上均体现了失效概率的增大&
参考文献
)1*中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会•在线分析仪器系统通用规范:GB/34042—2017 :S*•北京：中国标准出版社,2017.
:2*王森•天然气工业在线分析技术［M*.北京：化学工业出版社，2017.
:3*李克，罗勤，王文华，等•天然气在线分析系统性能评价标准现场应用:J*•石油与天然气化工,2018,47(4%：94-100.
LI Ke,LUO Qin,WANG Wenhua,et at.Field application of perform­ance evaluation standard for natural gas online analytical system )J*.Chemical Engineering of Oil&Gas,2018,47(4%：94-100.
:4*彭守泉,李新平,杨立青，等•在线分析小屋设计安装注意的问题及国产HVAG系统在分析小屋的成功应用［J*•化工自动化及仪表，2011,38(4%：481-484.
PENG Shouquan,LI Xinping,YANG Liqing,et at.The problem of design and installation of the on-line analyzer house and the success­ful application of the domestic HVAG system in the on-line analyzer house)J*.Control and Instruments In Chemical Industry,2011,
38
・80・中国安全生产科学技术第17卷
(4%：481-84.
)5*蒋敏敏•在线分析仪器故障诊断专家系统若干关键技术研究与实现)D*•北京：华北电力大学(北京%$2017.
)6*蒋宏业，姚安林，郑兴华，等•天然气球罐失效故障树分析[J]•天然气工业$2003$23(6%：143-145.
JIUNG Hongyc$YAO AnOn$ZHENG Xinghua$et al.Faull tree analy­sis of natural gas spherical tank failure)J*.Natural Gas Induste，2003$23(6%：143-145.
)7*黄亮亮，姚安林,杨鲁明，等•基于T-S模糊故障树的输气站场设备失效可能性研究)J*•中国安全生产科学技术$2014$10(8%：
144-149.
HUANG Liangaiang$YAO Anain$YANG Luming$etaa.Studyon eaia-ure possibility of facilities in gas transmission station based on T-S fuzzy FTA)J*.Journal of Safety Science and Technology$2014$10 (8%：144-149.
)8*施林圆，郑洁，李晶•四川输气站场风险评价研究)J*•天然气工$2004$24(11%：135-138.
SHI Linyuan$ZHENG Jic$LI Jing.Risk-valuation of gas transmis­sion stationsin Sichuan)J*.NatueaaGasUndustey$2004$24( 11%：135-138.
)9*崔凯燕，王晓霖，刘明亮，等•基于定量RBI技术的输气站场设备风评)J*.中国安全科学学$2016$26(2%：152-157.
CUI Kaiyan$WANG Xiaolin$LIU Mingliang$et al.Risk assessment of equipment in gas transmission station by quantitative RBI tcchnol-ogy)J*.China Saeety Science Jou enaa$2016$26(2%：152-157.
)10*American Petroleum Institute.Risk-based inspection methodology:
APIeecommended peactice581)S*.Thied Edition.Washington
DC：Ameeican Peteoaeum Institute$2016.
)11*魏沁汝，姚安林•基于多米诺效应的输油管道重大事故后果分)J*.中国安全生产科学技术$2014$10(11%：168-173.
WEIQineu$YAO An ain.Anaaysis on consequencesoemaioeacci-
dents in oil pipeline based on domino effect)J*.Journal of Safety
Scienceand Technoaogy$2014$10(11%：168-173.
)12*黄亮亮，姚安林，魏沁汝，等•基于RBI与多米诺效应的输气站定量风评)J*.中国安全生产科学技术$2014$10 (5%：90-94.
HUANG LiangOang$YAO AnOn$WEI Qinru$et al.Quantitative risk
a s e s mentoeeaciaitiesin gasteansmi s ion station based on RBIand
dominoe e ct)J*.JouenaaoeSaeetyScienceand Technoaogy$2014$
10(5%：90-94.
)13*Det Norsk-Veritas.OREDA offshore reliability data handbook )DB*.4th ed.OREDA Pa eticipants$2002.
)14*蒋军成•事故调查与分析技术•第2版)M*•北京：化学工业出$2009.
)15*COZZANI V$GUBINELLI G$ANTONIONI G$et al.The assessment
of risk caused by domino effect in quantitative arev risk analysis
) J*.Jou en+aoeH+e+edous M+te ei as$2005$127(1-3%：14-30.
)16*ZHANG M G$JIANG J C.An improved probit method fos assess­ment of domino effect to chemical proces s equigment caused by
overpressure)J*.Journal of Hazardous Materials$2008$158(2-3%:
280-286.
(责任编辑：刘贵丽)。