输气站场阀门失效原因分析及处理实例

    调节阀是输气站场中使用最为广泛的装置之一。在装置的配管设计中正确选用阀门，在生产中正确地使用和维护阀门，对保证装置的正常运行十分重要。因此，通过对阀门进行可靠性分析，找出主要的失效形式和失效机理，预防事故发生、提高可靠性、延长其安全使用寿命，对于油气田安全生产具有非常重要的现实意义。
    故障树分析（FTA，FaultTreeAnaly2sis）方法作为一种安全性和可靠性分析的有效方法，具有简明、直观、易懂、灵活的特点。通过对阀门失效的故障树分析，可以逐步了解阀门失效的机理和原因，进而采取相应的措施提高阀门的使用寿命。故障树分析得到的只是影响阀门可靠性的确定性失效因素，对于实际运行的阀门还有一些不确定因素影响其可靠性。所以，在分析阀门失效的过程中，有必要设计一套比较完善且实用的分析评估方法，既要考虑其确定性因素，又要考虑不确定性因素。作为处理不确定信息手段之一的模糊理论可以弥补故障树分析中的不足。
一、失效因素的模糊分析
    1、阀门失效故障树的建立
    故障树的建立是故障树分析法的关键，因为故障树建立的完善程度将直接影响定性分析和定量计算结果的准确性。根据顶事件确定原则，选取“站场阀门失效”作为顶事件。顶事件确定后，寻找引起顶事件发生的最直接的、必要的、充分的原因。经仔细分析，引起顶事件发生的原因为阀门泄漏和卡死。这些情形任何一种出现，就会引起阀门失效。将引起顶事件发生的各原因分别看作顶事件，采用类似的方法继续分解到各种故障形式的基本事件。阀门失效的故障树如图1所示，该故障树共考虑了22个不同的基本事件。图中各符号代表的事件如表1所示。


    2、站场阀门失效故障树的定性分析
    故障树定性分析的目的是要找出可能引起系统故障的所有原因，或导致指定顶事件发生的全部可能起因，并定性识别系统的薄弱环节。要达到这个目的，则需要找出故障树的所有最小割集并进行基本事件的结构重要度计算。
    采用“自上而下”的代换方法求出故障树的所有最小割集，将故障树转化为等效的布尔代数方程，如下式：
    P_阀门=x₁+x₂+x₃+x₄+x₅+x₆+x₇+x₈+x₉+x₁₀+x₁₁+x₁₂+x₁₃+x₁₄+x₁₅x₁₆x₁₇+x₁₇x₁₈x₁₉x₂₀+x₁₇x₁₈x₁₉x₂₁+x₁₇x₁₈x₁₉x₂₂
    由布尔代数方程知，阀门失效故障树由14个一阶最小割集、1个三阶最小割集和4个四阶最小割集组成。由割集理论可知，一般情况下，割集的阶数越小，它发生的可能性就越大。因此，故障树中的14个一阶最小割集直接影响着系统的可靠性，是系统的薄弱环节。


    基本事件的结构重要度系数可用下式进行计算：

    式中：k_j—第j个最小割集；
    N_j（j∈k_j）—底事件i位于k_j的底事件数；
    x_i∈k_j—第i个底事件属于第j个最小割集；
    I_Φ（i）—第i个底事件的结构重要度系数。
    3、模糊综合评判
    所谓模糊是指在质上没有明确的定义，在量上没有明确的界限。综合评判是指对受多种因素影响的事物或现象进行总的评价，若这种评价过程涉及模糊问题，便是模糊综合评判。模糊综合评判过程详见实例分析。
    为了使模糊综合评判中各失效因素权重确定的科学依据更充分，本文采用层次分析法（AHP，Ana2lyticHierarchyProcess）来确定各失效因素的权重。
二、分析实例
    由公式（1）计算出站场阀门失效故障树中各基本事件的结构重要度系数，选取其中结构重要度系数比较大的6个基本事件（如表2所示）作为模糊综合评判的基本因素，建立因素集U：
    U=（1，1，1，1，0.833，0.763）
    失效因素权重集记为：
    A=a₁，a₂，⋯，a₆
    根据层次分析法计算A得：
    A=（0.2065，0.2065，0.2065，0.2065，0.1083，0.0657）


    备择集V分为4个等级，即：
    V={优，良，中，差}
    记为：
    V={v₁，v₂，v₃.v₄}
    计算时备择集取为：
    V=（0.85，0.6，0.35，0.1）
    在确定了因素集和备择集之后，需要确定隶属度系数。r_i表示因素u_i对于v_j的隶属度，r_i是被调查人员（专家和现场工程技术人员）人数与因素u_i在备择集V上的被调查总人数之比。对于每一个因素u_i有：
    r_i=（r₁₁，r₁₂，r₁₃，r₁₄）
    对于n个因素，则有：


    式中，R为U→V的模糊集，满足归一性条件。对某一实际运行的阀门，根据对专家和现场工程技术人员的调查，得评判矩阵R _6×4：


    则模糊综合评判结果B为：
    B=A·R=（0.5760，0.3066，0.1174，0）
    模糊综合评判结果C为：
    C=B·V^T=0.707
    因为0.6<0.707<0.85，所以被评价的阀门可靠性处于“良好”水平。
三、结论
    1、通过对站场阀门失效故障树的分析可知，阀门的运行、维护等直接影响到阀门的使用寿命和可靠性，在阀门的种种事故中，严重腐蚀和超压是阀门事故中最突出的原因和最危险的因素。
    2、故障树分析法与模糊综合评判的分析结果对于制定提高站场阀门可靠性的技术改造措施具有指导意义。
    3、故障树分析法具有简明、直观、灵活的特点，是进行工程系统可靠性与安全分析及评价常用的有效方法。模糊综合评判能够有效地处理可靠性分析中的不确定因素。二者的结合使站场阀门失效因素分析结果更符合生产实际。
    4、建立了站场阀门失效故障树，该故障树一共考虑了22个基本事件。通过对故障树最小割集的求解和结构重要度的计算，定性分析确定了站场阀门失效的薄弱环节。

    参考资料
    刘育骥，耿新宇。石油工程模糊数学（M）。成都：成都科技大学出版社，1994。
    魏世孝，周献中。多属性决策理论方法及其在C3I系统中的应用（M）。北京：国防工业出版社，1998。
    沈斐敏。安全系统工程基础与实践（M）。北京：煤炭工业出版社，1991。

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