基于贝叶斯定性定量对塔顶冷凝系统安全风险评价

邓捷，林晨，赵鲁迪，马玉波

（沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142）

石油化工在国民经济中占着举足轻重的作用，而原油蒸馏是炼油加工流程中最重要的工序[1]。其中，常减压装置作为炼油厂中腐蚀最严重的系统之一，具有系统结构复杂，影响因素多，安全风险高，安全隐患大等特点。

针对腐蚀失效诊断领域的不确定性特点，提出一种新的失效诊断因果表法。将贝叶斯方法和确定性因子法联系起来，建立基于因果表的不确定性推理模型，使用该模型对常减压蒸馏装置塔项冷凝系统的设备进行评估，找出系统中失效风险最大的腐蚀类型。对设备安全风险进行评价和控制，既有利于设备管理，又能有效防止非计划性停工。因此，研究常压塔塔顶冷凝系统腐蚀对目前炼油和化学工业具有重要的意义。

1 常压塔系统腐蚀问题

炼油加工设备故障的主要原因是设备腐蚀，为保证设备安全和正常运行，确定导致设备故障的腐蚀机制并采取相应的保护措施是极为重要的。由于炼油厂腐蚀因素复杂，设备在多种因素相互作用下具有以下几个方面的不确定性:

1.1 原油的不稳定性

我国高度依赖原油进口，由于罐容有限，同一品种或产地的原油无法连续到港，导致塔顶系统的腐蚀会受到原油品种较大的影响。但即使是同一产地的原油，由于采油过程中使用的注入剂不同，原油的特性也会发生变化，原料特性的变化容易导致常压塔顶系统腐蚀的不确定性。由于缺水减排要求，电脱盐注水、冷却水等都需要循环利用，水中的杂质也导致腐蚀存在不确定性[2]。

1.2 工艺的不稳定性

电脱盐操作受到原油不确定性的影响，其中部分原油易乳化，脱盐困难；部分原油比重高，不易脱水；甚至一些含水量较高的原油会直接造成系统跳闸故障，造成装置进料含盐量和含水量波动大，常压塔顶腐蚀情况恶化[3]。

1.3 腐蚀分布的不均匀性

塔顶系统的温度场、介质浓度场、流速场存在着明显差异，以及汽液相变会伴随着固体颗粒析出。并且由于工艺管道和设备的不同，腐蚀也表现出明显的不均匀性。在实际工程过程中，虽然泄漏总是先发生在最薄弱的地方，但严重腐蚀是不均匀的分布在设备和管道上的，因此在装置运行管理中，很难准确把握全部的安全薄弱环节[4]。

2 贝叶斯理论与确定性因子方法研究

针对石油炼制行业设备腐蚀问题，基于贝叶斯理论的腐蚀失效诊断方法，由于腐蚀类型与腐蚀影响因素的多样性而引起的不确定性，必须结合不同的方法来纠正单一方法的局限性。因此，将贝叶斯方法[5]和确定性因素方法相结合，可以将腐蚀失效诊断知识作为一种基于因果图的知识表达方法进行转换和推理。具体步骤如下：

步骤1：收集相关证据。推理之前通过各种渠道收集证据，证据要准确完整，提高推理结论的合理性。根据收集的证据信息，可以确定因果表中每个Ej的存在状态，在此，用可信度因子Pb(Ej|ej)表示证据Ej的存在状态。具体地，若证据Ej存在，则设Pb(Ej|ej) =1；若证据Ej不存在，则设Pb(Ej|ej) =0;若证据Ej未知，则设Pb(Ej|ej)=0.5。通过该步骤可得到证据的状态集PbES。

步骤2：计算结论iH在证据jE所处状态下的可信度因子：

步骤3：将可信度因子Pb(Hi|ej)转换为确定性因子CF(Hi,ej)=2Pb(Hi|ej) -1

步骤4：计算结论集中每个结论的确定性因子CF(Hi,e)利用确定性因子方法中的组合函数计算因果表中各结论的确定性因子。

由上式得出CF(Hi,e)1,2后，再将CF(Hi,e)1,2与CF(H,e3)带入式1-4 计算，依次类推，直至计算出结论Hi最终的确定性因子CF(Hi,e)。

步骤5：将确定性因子CF(Hi,e)转换为可信度因子Pb(Hi|e)

步骤6：找出最有可能发生的结论HL，将步骤5 转换得到的所有结论的可信度因子按大小排序，取其中最大值对应的结论为最终推理结果。

3 常压塔顶安全风险评价

在炼油设备诸多的腐蚀失效问题当中，环境致裂是最为危险的一种。它是设备材料在特定环境以及应力的共同作用下发生的脆性破坏现象，由于设备在发生环境致裂之前，一般没有明显的整厚损失，仅在设备表面出现不易察觉的裂纹，使得环境致裂具有稳蔽性和突发性特点，更容易造成严重的安全事故。炼油设备的环境致裂机理多种多样，损伤形态又比较相似，较难识别。为此，运用上述所提出的因果表方法，建立了炼油设备环境致裂机理的推理模型，并通过实际案例进行了验证。

利用该模型对某石化企业原油蒸馏装置常压塔顶管道失效进行了分析。通过形貌观察，发现管道破坏区域存在微小裂纹，初步判断为环境裂纹。为进一步确认具体的失效机理，对管道和流经管道的介质分别取样分析，分析结果见表1。

表1 实例的失效管道相关信息

表中的内容作为因果表推理的证据信息，得到证据状态集：

利用本文中得到的计算公式可以计算出各环境致裂机理的可信度因子，结果如表2 所示。

表2 实例的失效管道的分析结果

续表2

4 结束语

本文以常压塔系统腐蚀问题为例，对其进行研究，运用前文所提到的因果表方法建立炼油设备环境致裂机理推理模型，并将其运用到现实中对实际案例进行分析对比，证明该模型可准确推断出设备的腐蚀失效机理，因果表法在腐蚀故障诊断中的应用是可行的。该方法满足不确定性推理，并可与其他方法相结合，以弥补单一方法的局限性。随着社会科学技术的发展和人民安全意识的提高，对炼油和化学工业的系统安全风险进行评价已经极为广泛。我们还需要进行深入研究，以便在化工产业的各项系统中更加普遍得运用该方法。对工厂的设备进行安全风险评价和控制,这一举措，既利于工厂设备管理，又可有效防止计划外停工,更加高效安全得进行化工生产和加工。