HIPPS在高含硫油田集输管道超压保护中的应用

曹开华

(中国石油工程建设有限公司，北京 100120)

近年来，中国油气建设企业在中东地区承揽了大量的油田地面建设项目，中东地区的油田多处于沙漠深处，自然环境非常恶劣，且原油含硫量高，井口产出物对集输管道的腐蚀严重，导致集输管道超压引起管道破裂，对环境和人身安全都造成非常重大的影响。在油田集输管道超压保护中引入高完整性压力保护系统HIPPS，使集输管道处于安全的运行压力范围之内，并且具有非常高的安全完整性，技术和经济优势显著，在中东地区各大石油公司得到了普遍的应用。

1 HIPPS在油田集输管道中的应用背景

HIPPS属于安全仪表系统(SIS)中的一种特殊技术，通常用于安全等级要求很高的工艺设施，可通过切断危险压力源防止下游管道和设施超压，从而实现安全保护的目的。HIPPS技术的应用一方面可以降低被保护对象的承压等级，另一方面可以取消机械式安全阀和放空火炬等被动安全泄放设施，对于整个工程既提高了安全可靠性，又降低了投资成本。

中东地区部分油田经过多年生产后，需要注气维持油藏压力，使油气比逐渐提高，油井的产出压力也逐渐提高，同时由于集输管道在高含硫工况下经过长时间服役被腐蚀后，管线的最大允许工作压力逐渐降低，当油井的出口压力超出集输管道的最大允许工作压力时将造成爆管事故。中东高含硫油田的硫化氢含量非常高，为避免运营过程中超压事故的发生，可以考虑更换原有集输管道，使管道的最大允许工作压力重新高于油井出口压力。由于该方法需要更换大量的管线，显然是不经济的，因此一种经济的替代方案应运而生，让集输管道工作在一个稍低的最大允许工作压力下，并用HIPPS来检测运行压力；当运行压力超过现有管道的最大允许工作压力时，关闭井口安全截断阀，实现预防下游管道和设施超压的目的。HIPPS在集输管道中的工艺控制流程如图1所示。

图1 HIPPS在集输管道中的工艺控制流程示意

2 HIPPS工程设计

为简化HIPPS设计，增加其在恶劣自然环境下的适应能力和可靠性，该系统采用2台冗余安全跳闸放大器作为逻辑控制器，冗余方式为“1oo2”；高压力保护输入变送器2台，冗余方式为“1oo2”方式；最终执行元件为2台串联的安全截断阀，冗余方式为“1oo2”，每台安全截断阀液动控制回路由2台电磁阀串联组成“1oo2”冗余方式，HIPPS结构如图2所示。HIPPS作为集输管道超压的预防性保护功能，根据HAZOP和安全完整性等级(SIL)分析，考虑到高含硫原油泄漏导致对生命财产安全产生的重大风险，系统应能达到SIL3级。

本文中采用安全跳闸放大器替代常规的安全PLC，该安全跳闸放大器具有1条信号输入通道和2条安全继电器输出通道，单个放大器可满足SIL2级要求，冗余配置下可达到SIL3级要求。采用安全跳闸放大器后简化了系统的结构设计，信号连接采用硬接线，系统逻辑结构更加清晰，降低了运行维护的难度，故障排除更加容易，平均修复时间(MTTR)可低于8 h，根据ISA TR84.00.02当MTTR低于8 h时可忽略维修期间的二次故障引起的失效，从而提高了系统的SIL等级。

图2 HIPPS结构示意

3 SIL等级验证

3.1 要求时的平均失效概率验证

如前所述，当HIPPS用于集输管道超压保护，系统应达到SIL3，按照IEC 61508其平均失效概率(PFDavg)应在1×10-4～1×10-3。HIPPS系统包含检测元件、逻辑控制器和最终执行元件3套子系统，本文拟采用ISA TR 84.00.02-3中的故障树法来计算3套子系统及HIPPS的PFDavg。

3.1.1 根据系统构架分析确定故障树

根据图2所示系统构架，各子系统在如下情况下发生时，将导致系统进入不安全故障状态：

1)检测元件子系统中的2台变送器同时故障。

2)逻辑控制器子系统中的2台逻辑控制器同时故障。

3)最终执行元件子系统中的SOV-1，SOV-2，SOV-3，SOV-4阀同时故障。

4)SSV-1和SSV-2阀同时故障。

根据故障分析结果，HIPPS系统故障树如图3所示。

图3 HIPPS系统故障树示意

3.1.2 计算元件独立失效和共同原因失效的PFDavg

在图3故障树分析过程中，为清晰突出系统故障的组合排列，省略了共同原因这项，但在具体采用相同设备冗余配置使系统达到SIL2及以上等级时，由于相同的设备在同样的自然环境及维护条件下，存在共同原因失效的风险，在SIL验证中应按照β模型分别计算独立失效和共同原因失效的PFDavg。根据TR 84.00.02，本文选取了最严苛的共同原因系数，取β=0.1，考虑共同原因失效后，对于元件独立失效的PFDavg0计算式如式(1)所示：

(1)

共同原因失效的PFDavg1如式(2)所示：

(2)

式中：λ——失效率，次/a;TI——检验测试间隔时间，a，从各元件厂家产品提供的权威认证参数中选取。独立元件失效及共同原因失效计算结果见表1所列。

表1 独立元件失效及共同原因失效计算

3.1.3 对故障树进行逻辑布尔运算

基于PFDavg0及PFDavg1，在故障树分析结果的基础上，可对每个故障组合进行逻辑布尔运算，将各故障组合的PFDavgi相加就可得到系统的PFDavg总。根据故障树逻辑布尔运算得出的各子系统及HIPPSPFDavg见表2所列，根据运算的结果HIPPS的PFDavg为4.65×10-4满足了IEC 61508 SIL 3的要求，PFDavg验证通过。

表2 子系统及系统平均失效概率计算

3.2 结构约束验证

HIPPS采用的所有元件都应经过如TÜV以及Exdia等权威机构认证产品，系统能力应达到SC 3级。在该系统中检测元件和逻辑控制器遵循1号路径，检测元件和逻辑控制器均为B类设备且设备安全失效分数(SFF)均大于90%，按照IEC 61508-2表3，硬件故障裕度(HFT)为1，因此检测元件和逻辑控制器满足结构约束要求。

最终执行元件遵循2号路径，电磁阀和安全截断阀均为A类设备且设备SFF均大于90%，按照IEC 61508-2 表2，HFT为1，因此该设计方案中最终执行元件满足结构约束要求。

4 测试间隔确定

在式(1)和式(2)计算验证中TI为1a，随着时间间隔加长，HIPPS的SIL等级逐渐下降，在该案例中当TI为30个月时，该系统的PFDavg为1.21×10-3已经不能满足SIL3的要求，因此在实际应用过程中应严格按照TI进行检验测试，保持HIPPS的安全完整性。

5 结束语

在高含硫油田中，HIPPS用于油田集输管道的超压保护是一种安全且经济的技术手段，在实际工程应用中应分析验证结构约束条件和故障失效率约束条件，故障失效率可采用故障树等手段来分析验证。在HIPPS运行过程中应严格遵循安全完整性验证中确定的TI，确保HIPPS在其寿命周期内始终保持其完全完整性。