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)

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属结构的在线分析小屋内，用于自动测量、分析天然气的成分或物性参数，分析结果不仅反映现场生产工艺的关键指标、还直接参与天然气计量标准转换[1-3]。因此一旦发生在线分析小屋内仪器失效，将严重影响天然气长输管道的平稳、高效运行。但是在线分析小屋受站场布局及自身运输、安装等需求限制，通常尺寸有限，分析仪器通常布局紧凑，部分仪器的安装间距甚至不足0.3 m[4]。因此，若分析小屋内某一在线分析仪器发生设备超压、样气气路堵塞等失效事故[5]，易燃易爆的天然气样气将极有可能通过燃烧、爆炸等失效后果波及屋内其他仪器设备，由此引发一系列紧密排布的分析仪器连锁失效。可见，相比常规设备的失效过程，在线分析小屋的仪器失效过程更为复杂、后果更为严重，因此如何准确获取在线分析小屋内仪器的失效概率从而指导仪器设备的安全管理就显得尤为重要。

目前，针对如色谱仪、质谱仪等静设备的失效概率计算方法，国内外学者已开展大量研究。在输气站场设备失效研究领域，目前常用的方法包括故障树法[6-7]、指标评价法[8]和基于风险的检验(Risk-Based on Inspection，简称RBI)技术[9-10]。但是，现有方法却难以表征在线分析小屋内仪器间的连锁失效过程，难以准确分析出连锁失效所附加的风险对于仪器设备失效概率的影响。

针对上述问题，以RBI技术为基础，考虑在线分析小屋检测仪器间连锁事故附加的失效概率影响，建立在线分析仪器失效概率计算方法，结合固有失效概率与关联失效概率计算方法，计算其总失效概率，以便更加合理、客观地反映在线分析小屋检测仪器的真实失效概率，并最终提高仪器设备失效风险的准确性。同时，探究在线分析仪器间的安全间距，为在线分析仪器的合理布局提供依据。

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]中给出的在线分析小屋典型平面布置如图1所示。该图表明，现阶段在线分析仪器的布局过于紧凑，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考虑为冲击波超压、爆炸碎片和热辐射[11-12]，由于在线分析小屋空间密闭且分析样气有限，可忽略热辐射影响；对于体积小于500 m3的设备对其爆炸碎片问题通常不作考虑。因此，本文研究的分析仪器间连锁事故效应主要是通过冲击波超压来传递的。

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，由于仪器间的连锁事故效应，4台在线分析仪器通过冲击波超压而相互影响、破坏。那么在计算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设备的失效都将作为设备失效因素，进行概率的附加。此时，若计算分析仪1的失效概率，则应为分析仪1自身泄漏的固有失效概率与分析仪2，3，4超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(为便于区分，将分析仪1称评价仪器，分析仪2，3，4统称非评价仪器)，其计算如式(1)所示：

F1=P11+(P21+P31+P41)

(1)

式中：F1为分析仪1的失效概率；P11为分析仪1的固有失效概率；P21，P31，P41为分析仪2，3，4超压失效附加的关联失效概率。

式(1)即为建立的考虑连锁事故效应的在线分析仪器失效概率计算方法。关联失效概率计算方法原理如图2所示。

图2 关联失效概率计算方法原理Fig.2 Principle of calculation model for associated failure probability

其中固有失效概率通过API RP 581—2016标准即可求得，而关联失效概率则基于物理爆炸模型结合高斯分布函数计算求得，将二者相加即可得到评价仪器的总失效概率。将求得的失效概率带入API RP 581—2016标准中，进行后续设备失效风险计算。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.3 Quantitative evaluation process of analyzer failure probability in on-line analyzer house

1.1 在线分析仪器固有失效概率计算方法

在线分析仪器固有失效概率是在早期由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，计算公式[10]如式(2)所示：

Pf(t)=gff·Df(t)·FMS

(2)

式中：Pf(t)为固有失效概率，次/a；gff为通用失效概率，次/a；Df(t)为设备损伤因子；FMS为企业管理因子。

其中，通用失效概率gff由原文件中同类设备通用失效概率数据库得到。

Df(t)由式(3)或式(4)计算求得。若设备存在局部腐蚀，则损伤因子Df(t)计算如式(3)所示：

(3)

若设备为全面腐蚀，损伤因子Df(t)计算如式(4)所示：

(4)

企业管理因子FMS反映了企业管理水平对机械完整性的影响，其计算关键是基于标准中总结的13类指标102个问题采用面谈和问卷调查的形式对站场进行评分，得到管理系统评价分值，然后将其转换为企业管理因子，转换计算如式(5)所示：

(5)

式中：Score为管理系统评价分值。

1.2 在线分析仪器关联失效概率计算方法

非评价仪器爆炸产生的冲击波超压导致评价仪器失效的关联失效概率，是非评价仪器发生超压爆炸的概率(初始事件概率)与产生的冲击波超压导致评价仪器失效的概率之积。

1.2.1 初始事件概率

目前，在线分析仪器发生超压爆炸的相关事故数据非常有限，只能采用一些相似设备数据作为参考。将分析仪器视为承压容器，采用OREDA Offshore Reliability-Date 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fIn。

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]求解评价仪器遭受的冲击波超压值；通过高斯分布函数将冲击波超压值转化为失效概率值。

1)冲击波超压值计算

将仪器的爆炸能量等效为TNT炸药的当量，基于冲击波超压相等原则，将仪器爆炸与已知的TNT炸药爆炸所产生的冲击波超压相关联。

①盛装气体的压力容器的爆炸能量

气体压力容器的爆炸能量计算如式(6)所示：

(6)

式中：Eg为容器内气体的爆炸能量，J；p为气体爆破前的绝对压力，MPa；V为容器体积(无液体时)，m3；k为气体绝热指数。

②TNT当量值计算

TNT当量值计算如式(7)所示：

(7)

式中：WTNT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，kg。

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R之比与炸药量q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：

(8)

式中：R为目标与爆炸中心距离，m；R0为目标与基准爆炸中心的距离，m；q0为基准爆炸能量，相当于TNT炸药量，kg；q为爆炸时产生冲击波所消耗的能量，相当于TNT炸药量，kg；Δp为目标处的超压，MPa；Δp0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WTNT即为q。1 000 kg 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1 1 000 kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压Table 1 Shock wave overpressure generated when 1 000 kg TNT explosives explode in air

由式(8)可知，若计算得到TNT当量q且已知仪器设备的实际距离R，即可得到模拟实验中目标与基准爆炸中心的距离R0，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：

(9)

式中：f为冲击波超压导致评价仪器失效的概率；u为积分变量；Y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Table 2 Calculation model of accident expansion probability

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fIn与产生的冲击波超压造成评价仪器失效的概率f的乘积，计算如式(10)所示：

P=fIn·f

(10)

式中：P为在线分析仪器关联失效概率，次/a；fIn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：

(11)

式中：F为评价仪器的失效概率，次/a；n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1 000 kg 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。

图4 冲击波超压值、关联失效概率与相当距离的关系Fig.4 Relationship between shock wave overpressure value,associated failure probability and equivalent distance

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45 m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45 m时，分析仪间关联失效概率小于20%。当相当距离大于45 m并继续增大时，冲击波超压值变化不再明显，仪器间关联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q确定时，相当距离R0增大会导致仪器间实际距离R的增大，进一步扩大在线分析小屋尺寸，将增加其建设和维护成本。因此，可最终确定相当距离R0为45 m作为限定值，反算出在线分析仪器间的安全间距R。计算如式(12)所示：

(12)

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场在线分析小屋为例，采用上述方法对在线分析仪器的失效概率进行计算。

3.1 在线分析小屋概况

该在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水烃露点分析仪1台、AMETEK 933型H2S分析仪1台和GC800气相色谱分析仪1台，对应的仪器体积分别为0.214 m3，0.038 m3与0.208 m3，在线分析仪器壁面布置如图5所示。采样单元将取出的样气通过3条独立的样气管道输送至各分析单元的工作压力分别为2.70 MPa，0.56 MPa与0.70 MPa。现以水烃露点分析仪为例，用上述方法计算该分析仪的失效概率。

图5 在线分析仪器壁面布置Fig.5 Wall layout of on-line analyzers

3.2 失效概率计算

3.2.1 水烃露点分析仪固有失效概率

(13)

表3 水烃露点分析仪损伤因子值Table 3 Damage factor values of water hydrocarbon dew point analyzer

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FMS=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3.06×10-5次/a。

通过固有失效概率计算公式得到水烃露点分析仪的固有失效概率为Pf(t)=4.834×10-5次/a。

3.2.2 水烃露点分析仪关联失效概率

1)初始事件概率

在本例中，初始事件概率即为H2S分析仪或气相色谱仪发生超压爆炸的概率，由Offshore Reliability-Date Handbook数据库得到2承压设备爆破概率均为2.009×10-5次/a。

2)关联失效概率

由在线分析仪器壁面布置图得到水烃露点分析仪与其他设备的间距，通过式(6)～(10)和表1可得非评价仪器产生的冲击波超压值及关联失效概率，计算结果见表4。(取水烃露点分析仪样气k=1.25，H2S分析仪样气k=1.29，气相色谱仪样气k=1.38)

表4 水烃露点分析仪失效的关联失效概率Table 4 Associated failure probability for failure of water hydrocarbon dew point analyzer

3.2.3 水烃露点分析仪失效概率

通过式(11)可得水烃露点分析仪的失效概率为7.687×10-5次/a。

3.3 安全间距计算

以本例来说明计算安全间距的操作流程。首先，由式(6)～(7)计算水烃露点分析仪、H2S分析仪与气相色谱仪的TNT当量值q依次为246.142×10-3，5.181×10-3，34.987×10-3kg。取TNT当量值较高的水烃露点分析仪与气象色谱仪为布局依据。然后，由式(12)可知，当确定相当距离R0=45 m，基准TNT炸药量q0=1 000 kg时，计算得到其他仪器距离水烃露点分析仪与气相色谱仪的安全间距R应分别不小于2.82，1.47 m。

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分析小屋进行位置调整。为方便仪器管理，如果在线分析小屋的一面墙壁足够分布3个仪器则可安排到一面，若不能满足，应当考虑多面墙壁布置。这里给出2种在线分析仪器调整方式，如图6所示。

图6 在线分析仪器布局调整结果示意Fig.6 Schematic diagram for layout adjustment results 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，水烃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直接影响后续设备失效风险等级划分从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分析仪器面临的风险。

2)结合TNT当量法，提出分析小屋内在线分析仪器安全间距的计算方法，计算得到其他仪器距离水烃露点分析仪与气相色谱仪的安全间距应分别不小于2.82，1.47 m。该方法对于在线分析仪器的布局、安装具有重要的指导意义和应用价值，可推广应用于其他分析小屋。

3)由于国内尚未建立输气站场领域的失效概率数据库，选择不同的数据库将导致不同的失效概率结果；同时，在选择相似设备代替分析仪器发生初始事件概率时，选择不同的相似设备，得到结果也会有所差异，但整体上均体现了失效概率的增大。