高含硫天然气站场定量风险评价技术研究

沈海春 苏刚 官洪波 刘耀增 陈平 王柳

渤海钻探工程有限公司第二钻井工程分公司

高含硫天然气的安全开采和高效净化已成为我国能源开发的主要方向。普光气田、西南油气田均已形成整装的高含硫一体化天然气站场，站场集净化、处理、增压、清管、硫磺回收、尾气处理、产品外输等多项工艺，在上、下游衔接和协调中起到重要作用。高含硫天然气具有较强的腐蚀性和毒性，储运风险高，对管线和设备安全的危险程度大，对站场长期稳定运行带来了较大挑战[1-3]。目前，诸多学者针对天然气站场的安全问题进行了风险评价研究，梁国华[4]针对天然气站场内的腐蚀与泄漏问题，制定了机器人本体知觉采集系统，通过卷积神经网络和超限学习机对泄漏点进行评价；陈冠杉等[5]从装置工艺安全性出发，利用HAZOP、LOPA、SIL 等级联合分析法，综合判定现有工艺的安全性；姚广聚等[6]以腐蚀流向为基础，给出了不同介质的腐蚀判断标准，并给出了全面检验的思路和手段；李施奇等[7]从数据收集、场景泄漏、失效频率、后果统计、风险计算等方面对含硫天然气管道进行了评价，得到了个人风险和社会风险结果。以上研究大多从单一方面考虑站场或管道的失效概率，未从站场全局出发，在整体上进行统一评价。本文利用API 581 标准，在确定站内压力容器及管道损伤系数和失效概率的基础上，结合GO（以成功为导向的方法）建立子系统流程，并将GO 图向贝叶斯网络映射，获得各系统的故障率、维修率和稳态不可用概率，进而得到站场整体的风险水平。

1 天然气站场定量风险评价方法

天然气站场定量风险评价包括压力容器及管道失效概率计算、风险等级划分、站场子系统可靠性分析和站场风险水平计算等。

1.1 失效概率计算

在评价开始前，应尽量收集各方面数据，包括但不限于站场设计、施工、试运行、投产、维抢修等记录，在遵循独立性和准确性的前提下，保证数据链的完整性。在高含硫条件下，损伤主要为容器或管道内部减薄损伤、硫化物应力腐蚀开裂损伤、氯化物应力腐蚀开裂损伤[8]。关于内部减薄的损伤系数，可先由式（1）确定单位壁厚减薄比例系数，再由式（2）、式（3）计算与设备形态、流动应力等因素相关的强度比参数。为保证评价结果的保守性，强度比参数取式（2）、式（3）计算结果的最大值。

式中：Art为壁厚减薄比例系数，无量纲；Cr,bm为设备或管道腐蚀速率，mm/a；Age为评价日期与最后一次检验之间的时间间隔，a；trdi为最后一次检验得到的壁厚，mm。

在内部减薄损伤系数中定义3 种损伤状态，1为损伤程度与预期一致；2 为损伤程度比预期较差；3 为损伤程度比预期差很多[9]。由此，结合Art和，确定三种损伤状态下的基础损伤系数，公式如下：

关于硫化物应力腐蚀开裂损伤、氯化物应力腐蚀开裂损伤，根据介质中H2S 含量，设备的操作温度和所处环境确定严重程度指数，根据严重程度指数和检验方法有效性分析，确定硫化物应力腐蚀开裂的基础损伤系数、氯化物应力腐蚀开裂的基础损伤系数。通过式（6）、式（7）计算两种损伤的损伤系数：

式中：gff为通用基础失效概率，a-1，取API 581中的总体失效概率；FMS为管理系统系数，通过调查和概率统计方法计算得到。

1.2 风险等级划分

通过计算得到的总损伤系数可衡量站场设备的安全状态，并对评价对象的风险等级进行判定（表1）。等级越大，设备风险越大、越不安全。

表1 风险等级划分结果Tab.1 Results of risk grade classification

1.3 子系统可靠性分析

天然气站场的各类工艺属于可维修系统，即系统发生故障可以得到修复，系统处于正常工作和维修状态交替运行。在此，按照介质流向，采用GO法将系统流程图、原理图和PID 图转化为GO 图，根据GO 图操作符和信号流的运算方法计算系统可靠度。但GO 法在应用的时候，存在操作符众多，信号流复杂的问题，故将GO 图和贝叶斯网络结合，实现两者之间的映射[10-11]。

具体步骤如下：①对GO 图的信号流进行依次编码，将当前信号流i直接映射为贝叶斯网络节点集合H={H1，H2，…，Hn}。②判断信号流i的前驱操作符Oi的类型，如Oi为第5 类起始操作符，则将输出信号R直接映射为贝叶斯节点Hi；如Oi为第2 类或第6 类逻辑操作符，则将Oi的输入信号S映射到父节点，将输出信号R映射为子节点；如Oi为第1 类功能操作符（此操作符在GO 图中最为常见），为一路输入S和一路输出R，此时R的状态由S和操作符本身状态有关，故将输入S和操作符C均定义为父节点，R映射为子节点，根据工况构造条件概率表。③判断Hi是否为系统输出信号，若为否，设置i=i+1，进行下一个信号的映射；若为是，结束映射，流程完成。

其中贝叶斯网络的概率密度分布函数为

式中：P(A|B)在事件B条件下事件A发生的概率；P(B|A)在事件A条件下事件B发生的概率；P(A)、P(B)分别为事件A、B发生的先验概率。

1.4 风险水平计算

对于高含硫天然气站场而言，处于稳定状态的可靠性指标最值得关注。根据贝叶斯网络计算出子系统故障率λ，通过统计各部件的维修更换记录确定平均维修时间MTTR，进而计算维修率，，最终计算稳态不可用概率，。根据A的计算结果确定站场风险水平（表2）。等级越高，稳态不可用概率越大，站场整体风险越大。

表2 站场风险水平Tab.2 Risk level of station

2 实例分析

以某高含硫天然气站场为例，该站场的设计处理能力为30×108m3/a，其中原料CH4含量在85%～91%，H2S 含量9.5%～10.6%，CO2含量5.5%～6.9%，目前的外输气体质量满足GB 17820—2018《天然气》中关于一类天然气的要求。在基本介质流向的基础上，将站场分为脱酸子系统、脱水子系统、增压子系统、放空子系统和排污子系统等。现针对其中的增压子系统进行分析，来气进入由电动球阀、过滤器、压缩机、止回阀组成的支路（两条支路一备一用），气体增压后进入空冷装置冷却后外输。

增压子系统设备及管道失效概率见表3。其中，电动球阀、过滤器、燃气轮机和压缩机的失效概率较大，应作为重点监视对象。地面管道、止回阀和空冷器的风险等级为3，但空冷器的Df较大，建议3 年检验一次，地面管道和止回阀的Df较小，建议4 年检验一次。其余设备和管道的风险等级为4，压缩机的Df较大，建议1 年检验一次，汇管、埋地管道、电源、电动球阀、过滤和燃气轮机的Df较小，建议2 年检验一次。从数据上看，埋地管道的Df和失效概率均大于地面管道，这是由于埋地管道不仅受高含硫介质的腐蚀影响，还会受到土壤腐蚀及杂散电流影响，故失效概率较大，再次说明本次评价结果准确有效。

表3 增压子系统设备及管道失效概率Tab.3 Failure probability of supercharging subsystem equipment and pipeline

按照增压子系统的流程图，建立GO 图模型（图1），其中各单位采用操作符类型-操作符编号的形式标注，同时在箭头上标注信号流编号。将表3 的失效概率单位a-1转化为d-1的单位，作为贝叶斯网络的根节点先验概率，其余子系统中设备及管道的失效概率同样按照API 581 进行测算，转换为贝叶斯网络根节点。按照规则将图1 向贝叶斯网络映射（图2）。图1 操作符与图2 根节点之间的关系见表4。

图1 增压子系统的GO 图Fig.1 GO diagram of supercharging subsystem

图2 增压子系统的贝叶斯网络Fig.2 Bayesian network of supercharging subsystem

表4 GO 图和贝叶斯网络的映射关系Tab.4 Mapping relationship between GO graph and Bayesian network

通过贝叶斯网络计算，系统信号流S18 的故障率为9.37×10-3d-1，将统计得到的维修时间代入贝叶斯网络各节点，得到信号流S18的维修率为0.35 d，则平均维修时间为2.85 d，稳态不可用概率。

贝叶斯网络还可以假设S18 发生故障的概率为1，进而反向推理根节点的后验概率，找到增压系统中哪些环节的失效可能性最大，结果见表5。后验概率与先验概率相比，均有所上升，其中空冷器和电源的后验概率最大，电源可靠性决定压缩机入口球阀气量调节是否准确，而空冷器决定压缩机出口温度是否合理，两者发生故障将导致系统瘫痪。

表5 增压子系统根节点后验概率Tab.5 Posterior probability of the root node of the supercharging subsystem

同理，对其余子系统进行可靠性分析，结果见表6。将各系统采用第1 类功能操作符，按照串联的方式结合，从而计算站场整体系统可靠性。其中：脱酸子系统、脱水子系统和排污子系统的稳态不可用概率较大，三者均为“较高风险”，这与高含硫介质腐蚀性较强，吸收塔、重沸器、换热器及闪蒸装置的腐蚀严重有关；增压子系统的稳态不可用概率适中，该系统为“中风险”，有两路压缩回路，只要其中任何一个回路工作，可保证不停工；放空子系统的稳态不可用概率较小，该系统为“低风险”，这与放空系统仅在计划和紧急情况下使用有关，使用频率相对较小。综上所述，评价结果与现场实际工况相符。站场整体的故障率为1.27×10-2d-1，稳态不可用概率为1.47×10-2，大于任何一个子系统的数值，系统风险水平为“较高风险”，说明耦合系统会加大风险的构成，促进风险发展。

表6 站场系统可靠性分析Tab.6 Reliability analysis of station system

3 结论

（1）针对高含硫天然气站场安全问题，采用RBI 标准，获得了站内压力容器及管道不同损伤机理和损伤状态下的损伤系数，进而确定了单体设备的失效概率。

（2）基于工艺流程图，建立GO 图模型，并将GO 图向贝叶斯网络映射，得到了不同子系统及站场的风险水平，与实际情况相符。

（3）子系统风险水平与腐蚀情况、设备备用情况及设备使用频率等有关，应在经济和安全条件允许的情况下，对风险水平较高的系统设置防护风险减缓措施，保证站场安全平稳运行。