输气站场风险分析_吴赟

输气站场风险分析
吴赟,赵云胜,刘祖德
(中国地质大学工程学院,武汉430074)
摘要:天然气输送系统中,输气站场的安全、高效运行是保证天然气输送的关键。

将输气站场设备和管线划分为风险评价单元,并将质量管理中常用的定性评价方法(FM EA)和美国石油协会A PI581标准相结合,对输气站场进行风险评价,由于F M EA针对质量管理的特性可以对站场进行持续风险评价,从而确保了生产绩效的不断提高。

关键词:F M EA;A PI581;风险分析;输气站场
中图分类号:T U996.61文献标识码:A文章编号:1671-1556(2007)02-0113-04¹
Risk Assessment on the Transmission Station
WU Yun,ZH AO Yun-sheng,LIU Zu-de
(Faculty of E ngineer ing,China Univer sity of Geosciences,Wuhan430074,China) Abstract:To natural g as transpo rtation sy stem,the stations take an im por tant part in the safe and efficient operation of natural g as transmission.Div iding the equipment and pipelines into risk evaluation modules and ado pting the Failure M ode and Effects Analysis(FMEA),a po pularly used qualitativ e appraisal w ay in the quality co ntrol,and A merican petr oleum Institute API581standards,this paper uses Quantitativ e Risk Assessm ent to assess the r isk of the station in the natural gas transportation sy stem.Because o f its charac-teristics aimed at the quality co ntro l,FM EA can be used fo r the continuo us risk assessm ent of the station, thus making increasing enhancement of perform ance achievements.
Key words:FMEA;API581;risk assessment;g as transm ission station
0引言
失效模式与影响分析(Failure Mo de and Effects Analy sis,FM EA)是产品可信性分析的重要方法之一。

它通过分析系统中每一产品可能产生的失效模式及其对系统造成的可能的影响,并按失效模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类、归纳分析,来鉴别设计、制造、使用中的薄弱环节,以便采取适当的纠正措施,消除或者减轻其影响。

显然这是一种主动、积极的降低失效风险、支持生产过程的预防方法。

FM EA的核心思想是风险分析和控制。

API581(基于风险检测的基本源文件)是美国石油学会提出的十分具体和严格的风险分析文件。

它利用风险作为区分检验程序的优先秩序和对设备进行管理的基础,其应用范围十分广泛。

随着天然气田的不断开发,世界各国和地区的天然气管道建设得到了迅速发展。

我国天然气管道始建于20世纪60年代,近年来随着陕甘宁、柴达木、塔里木和四川天然气的勘探开发,先后建设了陕京、都乌、西气东输、忠武等一批长距离输气管道[1]。

长输天然气管道工程是一个较为复杂的系统工程,涉及输气站场、管道、储气库和下游的各个用户。

任何一处出现问题都将影响整个系统的运行。

因此,天然气管道的安全性和可靠性问题十分重要。

其中输气站场在天然气输送过程中起着调节和控制作用,其稳定性是保证输气系统安全运行的重要部分。

笔者将故障模式与影响分析应用到输气站场的风险分析中,并将其中的半定量化计算用API581
第14卷第2期2007年6月
安全与环境工程
Safety and Environmental Eng ineer ing
Vo l.14No.2
Jun.2007
¹收稿日期:2006-12-10
作者简介:吴赟(1980)),男,硕士研究生,研究方向为油气集输安全技术理论及应用。

E-mail:ivan55001@
进行量化计算代替,以期获得更为准确的风险评估结果。

1FM EA方法介绍
FM EA由管理项目负责人员编制、实施、跟踪、分析。

其分析步骤是提出管理项目的潜在失效模式、确定潜在的失效后果、制定应对措施[2]。

1.1确定失效后果
确定潜在失效模式发生作用后所产生的失效后果,以及对各方面的影响。

1.1.1确定后果严重度(S)
确定潜在失效后果为管路损坏,引发天然气泄漏,并发展成为火灾或爆炸事故。

其严重程度参照美国石油协会提出的A PI581(基于风险检测的基本源文件)进行定量计算。

1.1.2确定不易探测度(P)
确定对潜在的失效模式发生作用的可测量或预测程度,以及发展为后续失效模式或转化为失效后果的可测量或预测程度。

1.1.3确定可能性程度(D)
失效模式发生作用或发展为后续失效模式或转化为失效后果的可能性程度,根据API581提供的同类型设备失效概率和调整系数定量地确定失效后果的可能性。

1.1.4确定风险度(RP N)
风险度的计算公式为
RPN=S#P#D(1) 1.1.5计算结果分析
根据风险度值计算结果,排序设备危险次序,分析其潜在失效原因与机理,并简要描述。

1.2制定应对的措施
明确纠正、预防措施。

项目负责人对所采取的措施的实施情况进行跟踪,并予以记录,以掌握措施的有效性。

2FM EA方法在输气站场的运用
陕京天然气输气管道总长为1095.3794km,于1997年投产。

现以该输气沿线某输气站场为例,说明FMEA方法的运用。

站场的功能是将输气管线上的天然气汇合增压后进行输送,以保证管线输送的压力要求。

站场内部主要有压缩机、分离器、阀组以及各类不同内径的管线等设备。

将输气站场设备和管线划分为风险评价危险源及危险区。

2.1确定失效后果
天然气输气站场包含压缩机组、清管发球装置、重力分离器、旋风分离器、电动球阀、管网等。

由于设备工艺等的多样性,以设备为单元确定其失效后果。

对输气站场而言故障主要为管路破损泄漏,进而引发火灾或爆炸。

2.1.1确定后果严重度[3]
(1)气体泄漏量的计算
管道中气体泄漏质量流量与其流动状态有关,当p0
p
[2
k+1
k
k-1
时,气体流动属于音速流动;当
p0
p
>
2
k+1
k
k-1
时,属于亚音速流动(其中k为气体绝热指数)。

音速流动的气体泄漏质量流量[4]:
q mG=C dg A p kM
RT
(2
k+1
)k k+1(2)亚音速流动气体泄漏质量流量:
q dG=
C dg A p kM
(k-1)RT
p2
p0
2
k
1-
p
p0
k-1
k
(3)式中:C dg为气体泄漏系数(裂口为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90);k为气体绝热指数;p为气体操作压力(Pa);p0为大气压力(Pa); M为分子量;q m G为气体泄漏质量流量(kg/s);R为气体常数,8.314J/(mo l#K);T为气体温度(e)。

风险评价中,裂口的大小和形状一般是按照工程实际情况进行预先假设,再通过假设计算出评价所需的泄漏量,如果情况较为复杂,也可根据已有工程的数据或者经验知识直接假设泄露总量,并进行相应的定量评价。

(2)泄放类型的确定方法
所有小孔径([1/4ft)模拟为持续泄放。

对于其他类型孔尺寸,当泄放4540kg耗时不足3min 时,通过给定孔尺寸的泄放为瞬时泄放,所有较低泄放率模拟为持续型泄放[5]。

压气站中相应的管线和设备,孔尺寸大于1/4ft时泄放质量都大于4540 kg,即大于1/4ft的都视为瞬时泄放。

(3)泄放潜在后果分析
根据API581,泄放后果表达形式为
A=a#x b(4)式中:a、b为常数;x为泄放物质量。

计算自动点火不可能的两个部分,结合具体泄放类型得出如下计算公式:
持续泄放后果为
114安全与环境工程第14卷
设备破坏面积A=43x0.98
人员伤亡面积A=110x0.96
瞬时泄放后果为
设备破坏面积A=41x0.67
人员伤亡面积A=79x0.67
2.1.2确定不易探测度
针对输气站场的评估,以各设备单元为主体进行评价,虽然各设备复杂程度不同,但其失效模式均为管路损坏形成泄漏,故此处将不易探测度进行统一赋值,取不易探测度P=1。

2.1.3确定可能性程度
针对站场内各设备进行失效概率的计算,使用API581同类设备失效概率[5](F同类),并在此基础上通过设备修正和管理修正得出失效概率(F调整)。

这里令可能性程度D=F调整,即
D=F调整=F同类#F E#F M(5)
同类失效频率数据建立在多个工业设备失效的历史数据汇编的基础上;设备修正系数F E是根据设备运行的特定环境确定;管理修正系数F M则根据具体的安全管理系统来判断其对同类失效频率的影响,该系数区分了具有不同管理系统的装置之间的失效可能性。

(1)设备修正系数(F E)
针对站场的计划停车周期大于6a、地处1级地震区、压缩机进行定期振动监测、泄压阀没有大量结垢等情况,取其设备修正系数为6。

(2)管理修正系数(F M)
F M考虑了设备及安全管理对装置机械完整性的影响,根据管理系统分置与修正系数的关系,取管理修正系数值为0.33。

(3)修正失效概率的计算
根据API581的建议得到相应设备的同类失效概率,并由公式(5)计算调整后的失效概率,即同类失效概率乘以6(设备修正系数)乘以0.33(管理修正系数),最后得到站场内主要设备和管线的修正失效概率。

2.1.4确定风险度值R PN
根据上述三项数据及公式(1)计算各风险度值(前者为设备风险度值,后者为管线风险度值),结果如表1所示。

表1设备和管线风险度值
T able1Equipment and pipeline r isks
设备
风险度值
1/4ft1ft4ft 重力分离器 4.34/25.67 3.62/13.4274.26/192.56
旋风式分离器 4.34/25.67 3.62/13.4274.26/192.56
高级孔板阀0.15/0.88 3.00/11.1512.34/45.89 M OKVELD调压阀0.20/1.21 3.86/14.3215.84/58.82
M OKVELD止回阀0.17/1.01 3.33/12.3513.63/50.63
CAM ERON电动球阀0.18/1.08 3.49/12.9614.40/53.21往复式压缩机组0258.60/959.711061.86/3942.19电动球阀0.19/1.10 3.59/13.0214.42/53.41
止回阀0.17/1.01 3.33/12.3513.63/50.63
内径487.4m m的管线(阀门XV-80001入口管线) 2.24@10-4/1.32@10-3 6.01@10-3/2.23@10-2 2.47@10-2/9.18@10-2内径487.4m m的管线(汇管1经XV-80003
到汇管2的管线)
2.2@10-4/1.28@10-3 5.91@10-3/2.20@10-2 2.43@10-2/9.02@10-2
内径255m m的管线7.40@10-4/4.39@10-39.02@10-3/3.35@10-29.89@10-2/0.367
内径103m m的管线 3.24@10-3/1.92@10-2 1.77@10-2/6.59@10-20
内径309.7m m的管线 3.60@10-4/2.14@10-38.88@10-3/3.29@10-2 3.65@10-2/1.35
2.1.5计算结果分析
由表1计算结果可以看出,设备风险远大于管线风险,其中压缩机组的风险度最大,其次是重力分离器和旋风式分离器,而管线部分内径为103mm 的管线风险度值也比较大,这是因为管线的操作压力较大所致。

对于设备来说,一般失效概率大多集中在小泄漏孔尺寸上,对于管线,1ft左右的泄漏尺寸比较常
115
第2期吴赟等:输气站场风险分析
见。

温度对失效后果也是有影响的,温度越低,失效后果越大,这是由于不论气体处于音速或是亚音速流动,其泄放率都与温度的平方根成线性反比关系。

对于失效概率的修正系数,管理修正系数与承包商所实施的管理程序有关,因为整个厂区都遵守同样的管理规则,所以管理修正系数不会改变设备项之间基于风险值的顺序排列。

管理修正系数可能对每一设备项和整个工业设施的总风险水平有显著影响。

2.2制定应对措施
针对设备风险远高于管线风险的评价结果,对高风险设备采取调整其设备工艺、操作规程、提高巡检频率、缩短检验周期等相关措施。

在日后的常规管理中可针对调整后的设备再次进行R PN危险度值计算,并比较措施可行性及效果,确保输气站场的运行更加有效、安全。

3结语
针对油气管网安全评价或风险评价的传统方法较多,主要有定性评价、定量评价和半定性评价三大类,但都存在缺陷这一客观现实,如定性评价主要是找出各种危险和危险因素,对风险后果程度和概率打分,其缺乏准确性;定量评价是对风险后果和概率进行准确计算,摒除了定性评价不准确的缺陷,但由于需要大量的数据支持,因而适用范围有限。

将质量管理中常用的定性评价方法和API581标准相结合,采用半定量对输气站场进行风险评价,既能使评价结果更符合实际,又可以在有限数据提供的情况下进行有效的评价,是一种较好的评价方法,值得推广。

参考文献:
[1]刘诗分.长输管道安全[M].北京:化学工业出版社,2004.154-
155.
[2]American Petroleum Institute.Risk Based R eource Document
A P I581[S].2000.
[3]王军,周菁.M FM EA风险分析方法及应用[J].铁道技术监
督,2006,6(34):25-27.
[4]谷志宇,帅健,董绍华.应用API581对输气站场进行风险评价
[J].天然气工业,2006,5(26):111-114.
[5]李国兴,柳岩.长输天然气管道的安全问题及其对策[J].油气
储运,2006,25(7):52-56.
通讯作者:赵云胜(1956-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事安全系统理论的应用与研究。

E-mail:ys hzhao@
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规章制度的重要组成部分。

石太客运专线应制定系统的安全制度,规定组织、管理和技术方面的安全要求,使各级管理人员在安全工作中做到有章可循,使安全工作做到统一行动、统一指挥,最大限度地预防各类事故的发生,保证客运专线的正常运行。

(2)强化风险预警机制研究。

客运专线行车事故和影响行车的自然灾害(风、雪、雨、洪水、地震等)一旦发生,将有可能造成重大人员伤亡、设备损坏、经济损失和恶劣的社会影响。

石太客运专线应建立对风险事故的研究,对风险进行合理的等级划分,并根据风险等级制定一系列的应急救援预案,最大限度减少事故带来的经济损失和社会影响。

(3)加强以人为本的安全生产文化建设。

客运专线要把安全生产提高到安全文化的战略高度来认识,突出/以人为本0的原则,提高企业的安全生产管理水平,构建具有客运专线特色的企业文化,使石太公司管理人员从安全生产的深层次观察问题、思考问题,把安全生产诸要素通过机制形成责任链条,突出人在安全载体中的润滑、调整作用,强化职工的责任意识和危机意识,激活人这一安全主体的原动力。

参考文献:
[1]王山,孙全欣.高速铁路运行安全系统的研究[J].内蒙古科技与
经济,2003,(4):69-71.
[2]铁道科学研究院高速铁路技术研究总体组.高速铁路技术[M].
北京:中国铁道出版社,2005.
[3]上海交通大学.智慧的钥匙:钱学森论系统科学[M].上海:上海
交通大学出版社,2005.
[4]张新芳.高速铁路、客运专线防灾安全监控系统设计探讨[J].铁
道工程学报,2006,(2):71-74.
[5]穆恩生.高速客运专线的行车安全保障体系[J].世界轨道交通,
2005,(3):20-22.
[6]崔丽红,刘鑫,魏庆朝.高速铁路安全系统的研究[J].中国安全
科学学报,2001,11(2):7-10.
通讯作者:贾元华(1962)),男,教授,博士生导师,主要从事铁道运输管理、交通项目评估与后评价、高速公路运营管理、交通运输系统分析、宏观管理与决策等。

E-mail:jiayuanhua@
116安全与环境工程第14卷。