施昊彤

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司 西四線新疆工程項(xiàng)目部,新疆 哈密 839000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,站場(chǎng)儲(chǔ)罐逐步向著大型化、集中化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中的關(guān)于油氣行業(yè)要點(diǎn)的規(guī)劃要求,截止2025年底,中國(guó)預(yù)計(jì)原油年產(chǎn)量達(dá)到200 Mt,天然氣年產(chǎn)量達(dá)到2.3×1011m3,這對(duì)站場(chǎng)儲(chǔ)罐區(qū)的運(yùn)行和維護(hù)提出了更高要求[1-2]。2005年邦斯菲爾德油庫(kù)爆炸事故、2010年大連港原油儲(chǔ)罐爆炸事故、2015年天津港爆炸事故均造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,形成了長(zhǎng)久不利的社會(huì)影響和負(fù)面情緒。因此,有必要對(duì)站場(chǎng)儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、制造、安全、施工和維護(hù)提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。目前,關(guān)于站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)、以可靠性為中心的維修(RCM)和安全儀表完整性等級(jí)(SIL)評(píng)估等方法[3-5],用于確定站內(nèi)設(shè)備和系統(tǒng)的狀態(tài),判斷其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。但以上方法均為靜態(tài)手段,不能體現(xiàn)儲(chǔ)罐系統(tǒng)間的失效相關(guān)性,也無法反映事故動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。蝴蝶結(jié)模型通過圖形化的方法直觀顯示事故發(fā)生的原因和事故后果,但在處理復(fù)雜系統(tǒng)和組件多態(tài)性上存在局限性。動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過時(shí)間維度擴(kuò)展靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò),可以局部狀態(tài)和條件概率更新確定事故演化過程?；诖?將蝴蝶結(jié)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合,通過映射規(guī)則予以轉(zhuǎn)化,并采用遺漏概率模型確定不同節(jié)點(diǎn)的條件概率,以此推理出儲(chǔ)罐事故發(fā)生概率隨時(shí)間的變化規(guī)律、不同事故后果的發(fā)生概率及事故薄弱環(huán)節(jié),以期為儲(chǔ)罐事故的快速診斷及防災(zāi)減災(zāi)提供實(shí)際參考。

1 基于蝴蝶結(jié)-貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的站場(chǎng)儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

蝴蝶結(jié)模型的左側(cè)為故障樹、右側(cè)為事件樹,通過頂事件將其連接在一起[6]。根據(jù)映射規(guī)則,將故障樹中的基本事件、中間事件和頂事件分別對(duì)應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn),通過有向邊表示貝葉斯網(wǎng)絡(luò)間的節(jié)點(diǎn)依賴關(guān)系,利用故障樹中的模糊門規(guī)則對(duì)條件概率表賦值;將事件樹中的安全屏障、事故后果分別對(duì)應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)、葉節(jié)點(diǎn),利用安全屏障規(guī)則對(duì)條件概率表賦值?；诤Y(jié)模型構(gòu)造貝葉斯網(wǎng)絡(luò)流程如圖1所示。

圖1 基于蝴蝶結(jié)模型構(gòu)造貝葉斯網(wǎng)絡(luò)流程示意

1.1 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是由靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和馬爾科夫鏈組成的概率分析模型,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可定義為(B0,B→),其中B0為初始貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定義的概率分布,B→為兩個(gè)相鄰時(shí)間片下的轉(zhuǎn)移概率[7],則概率分布如式(1)所示：

(1)

1.2 遺漏概率模型

在傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,通常采用專家打分的方式對(duì)條件概率表予以確定,但考慮到人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知存在一定局限性,事故的發(fā)生不是簡(jiǎn)單的邏輯“或”門或“與”門的二進(jìn)制表示。Henrion最先提出遺漏概率模型[8-9],故在此采用該模型對(duì)部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正,以降低二進(jìn)制帶來的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置不足。假設(shè)子節(jié)點(diǎn)Y有2個(gè)父節(jié)點(diǎn)XL,Xall,對(duì)應(yīng)的條件概率分別為PL,Pall,其中Xall為除XL外所有父節(jié)點(diǎn)的集合,如式(2),式(3)所示：

P(Y∣XL)=1-(1-PL)(1-Pall)=PL+Pall-PLPall

(2)

(3)

將式(2)和式(3)聯(lián)立求解,得到子節(jié)點(diǎn)Y的每個(gè)父節(jié)點(diǎn)連接概率Pi,如式(4)所示：

(4)

最后得到子節(jié)點(diǎn)Y的條件概率如式(5)所示：

(5)

式中：Y=T——事件發(fā)生;Xi——節(jié)點(diǎn)Y的第i個(gè)父節(jié)點(diǎn)。

2 實(shí)例分析

2.1 蝴蝶結(jié)模型的建立

以某典型油氣站場(chǎng)內(nèi)的原油儲(chǔ)罐區(qū)為例,該罐區(qū)內(nèi)共有6座1×104m3的原油儲(chǔ)罐,直徑為28.5 m,高度為16 m,充裝系數(shù)為0.8～0.9,儲(chǔ)罐間距符合GB 50183—2015《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中關(guān)于防火間距的要求。綜合考慮可燃物、助燃物和事故環(huán)境等方面分析儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn),從人員、機(jī)械、環(huán)境、管理等四個(gè)方面考察其對(duì)事故發(fā)展的貢獻(xiàn)程度,建立故障樹模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置,確定安全屏障有自動(dòng)緊急停車系統(tǒng)、立即點(diǎn)火、延遲點(diǎn)火和受限空間等。這些安全屏障是否觸發(fā)決定了事故后果的類型和危害程度,第一層安全屏障自動(dòng)緊急停車系統(tǒng)可以在第一時(shí)間防止儲(chǔ)罐中的油氣泄漏,通過布置在儲(chǔ)罐周圍的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)油氣濃度進(jìn)行預(yù)報(bào)(一般選擇可燃?xì)怏w爆炸下限的50%作為報(bào)警限值);第二層安全屏障立即點(diǎn)火可以防止原油和蒸汽的聚集,防止泄漏事故進(jìn)一步升級(jí);第三層安全屏障延遲點(diǎn)火可以使事故遠(yuǎn)離儲(chǔ)罐區(qū),防止多級(jí)多米諾事故的發(fā)生,避免產(chǎn)生聯(lián)鎖反應(yīng);在前三個(gè)安全屏障均失效的前提下,根據(jù)防火堤內(nèi)受限空間的大小確定事故后果類型。蝴蝶結(jié)模型如圖2所示,多種事故后果的嚴(yán)重程度見表1所列。

表1 不同事故后果的嚴(yán)重程度

圖2 蝴蝶結(jié)模型示意

2.2 條件概率表的確定

以中間節(jié)點(diǎn)“機(jī)械破壞M2”為例,其下屬3個(gè)根節(jié)點(diǎn)的條件概率有P(M2=1|X1=1)=0.855,P(M2=1|X1=0)=0.125,P(M2=1|X2=1)=0.895,P(M2=1|X2=0)=0.205,P(M2=1|X3=1)=0.955,P(M2=1|X3=0)=0.200。將其代入式(4)得到聯(lián)合概率PX1=0.834,PX2=0.867,PX3=0.943。設(shè)置遺漏因素PL=0.1,代入式(5)得到修正后節(jié)點(diǎn)M2的條件概率表,見表2所列。

表2 節(jié)點(diǎn)M2的條件概率

2.3 蝴蝶結(jié)模型向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化

按照?qǐng)D1的轉(zhuǎn)化方式將蝴蝶結(jié)模型向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化,動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。其中,基本事件的先驗(yàn)概率參照歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、文獻(xiàn)調(diào)研和專家打分情況獲取,條件概率參照遺漏概率模型獲取,同時(shí)為考慮各事件的動(dòng)態(tài)變化情況,將儲(chǔ)罐區(qū)泄漏(T)定為證據(jù)節(jié)點(diǎn),時(shí)間片數(shù)量設(shè)置為10,通過對(duì)“內(nèi)腐蝕M6”“外腐蝕M7”“結(jié)構(gòu)破壞X3”等節(jié)點(diǎn)添加轉(zhuǎn)移概率實(shí)現(xiàn)概率信息的動(dòng)態(tài)更新。以M6為例,如在t-1時(shí)刻M6事件發(fā)生,則t時(shí)刻M6事件肯定發(fā)生;如在t-1時(shí)刻M6事件不發(fā)生,則t時(shí)刻M6事件有一定的概率發(fā)生,且發(fā)生概率應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與之前的先驗(yàn)概率相比較,如失效概率隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大,則發(fā)生概率應(yīng)大于先驗(yàn)概率,反之亦然。依次類推,確定不同動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移概率。

圖3 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型示意

2.4 結(jié)果分析

定義從初始的時(shí)間片開始發(fā)生事故,則儲(chǔ)罐泄漏概率的時(shí)序變化如圖4所示。隨著時(shí)間片的延長(zhǎng),儲(chǔ)罐泄漏概率先增大后減小,并在第3個(gè)時(shí)間片處達(dá)到峰值0.528,說明儲(chǔ)罐在此時(shí)間段內(nèi)的事故概率較大。這與儲(chǔ)罐投產(chǎn)初期受保護(hù)和人員巡檢意識(shí)不強(qiáng)等因素相關(guān),之后在服役中后期,隨著人員素質(zhì)和巡檢水平不斷提高,儲(chǔ)罐也實(shí)施了相對(duì)完整的防腐措施,事故概率有所下降。

圖4 儲(chǔ)罐泄漏概率的時(shí)序變化示意

利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的正向推斷和逆向推理功能,在儲(chǔ)罐區(qū)泄漏事件發(fā)生的條件下,對(duì)比先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率分布,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。其中,后驗(yàn)概率較大的基本事件有X11,X12,X14和X9,對(duì)應(yīng)向上的中間節(jié)點(diǎn)為“內(nèi)腐蝕M6”“外腐蝕M7”,對(duì)應(yīng)的中間節(jié)點(diǎn)為“儲(chǔ)罐腐蝕M5”,說明儲(chǔ)罐腐蝕是導(dǎo)致儲(chǔ)罐泄漏的主要因素。以儲(chǔ)罐腐蝕為研究對(duì)象,將腐蝕等級(jí)分為“嚴(yán)重”“中等”和“輕微”三個(gè)等級(jí),將先驗(yàn)概率、條件概率和轉(zhuǎn)移概率代入貝葉斯模型,考察不同時(shí)間片下腐蝕狀態(tài)的變化程度,如圖6所示。隨著時(shí)間片的延長(zhǎng),嚴(yán)重腐蝕等級(jí)呈線性上升,中等腐蝕等級(jí)基本保持不變,輕微腐蝕等級(jí)呈指數(shù)下降,說明在儲(chǔ)罐服役期間,腐蝕嚴(yán)重性隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。因此,為有效防止儲(chǔ)罐失效,應(yīng)對(duì)日常罐壁的銹蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),利用聲發(fā)射或超聲無損檢測(cè)手段對(duì)罐壁、罐底和罐壁的壁厚情況進(jìn)行檢測(cè),定期實(shí)施日常的保養(yǎng)和維護(hù)。

圖5 基本事件的先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意

圖6 儲(chǔ)罐腐蝕狀態(tài)的時(shí)序變化示意

最后,對(duì)C1～C6的事故后果進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,事故后果發(fā)生概率的時(shí)序變化如圖7所示。隨著時(shí)間片的延長(zhǎng),事故后果發(fā)生概率逐漸增大,說明儲(chǔ)罐自身的結(jié)構(gòu)抗力逐漸減弱;在時(shí)間片相同的條件下,事故后果發(fā)生概率從大到小依次為油氣聚集C6,噴射火C3,閃火C5,油池火C2≈蒸氣云爆炸C4,其研究結(jié)果與API 581中的事故案例結(jié)果一致[10],證明了本文模型和算法的準(zhǔn)確性。C6在第10個(gè)時(shí)間片的發(fā)生概率為0.013 85,說明強(qiáng)化緊急停車系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù),防止受限空間的形成可有效避免事故進(jìn)一步惡化造成的物理后果和人員傷亡,是減輕事故后果的有效途徑。

圖7 事故后果發(fā)生概率的時(shí)序變化示意

為進(jìn)一步研究基本事件對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響程度,識(shí)別導(dǎo)致事故發(fā)生的主控因素,計(jì)算基本事件的敏感度(ROV)值,結(jié)果如圖8所示。其中,X11,X13,X14的先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率之間的差值較大,說明這些事件對(duì)事故發(fā)生的貢獻(xiàn)較大,同時(shí)X13雖然后驗(yàn)概率不大,但ROV值較大,因此也是不可忽略的因素。從整體上看,X9～X16的ROV值較大,集中在儲(chǔ)罐腐蝕和管理因素的中間事件上,說明這兩個(gè)方面是管理人員在日常維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

圖8 基本事件的ROV值示意

3 結(jié) 論

將蝴蝶結(jié)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,引入遺漏概率模型對(duì)條件概率進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),得到如下結(jié)論：

1)儲(chǔ)罐泄漏概率先增大后減小,并在第3個(gè)時(shí)間片處達(dá)到峰值0.528,說明儲(chǔ)罐在此時(shí)間段內(nèi)的事故概率較大。

2)后驗(yàn)概率較大的基本事件均與儲(chǔ)罐腐蝕的中間事件相關(guān),隨著時(shí)間片的延長(zhǎng),嚴(yán)重腐蝕等級(jí)呈線性上升,中等腐蝕等級(jí)基本保持不變,輕微腐蝕等級(jí)呈指數(shù)下降,說明在儲(chǔ)罐服役期間,腐蝕嚴(yán)重性逐漸加劇。

3)在第10個(gè)時(shí)間片上,油氣聚集的事故后果發(fā)生概率最大為0.013 85,蒸氣云爆炸的事故后果發(fā)生概率最小為3.55×10-4,說明強(qiáng)化緊急停車系統(tǒng)和避免形成受限空間是減輕事故后果的有效途徑。