设备动态风险评估与预测研究.pdf

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1、?第 5卷?第 3期?2009年 6月?中 国 安 全 生 产 科 学 技 术Journal of Safety Science and Technology?Vo.l 5 No.3?Jun.2009文章编号:1673-193X(2009)-03-0088-05设备动态风险评估与预测研究王凯全,尹齐峰(江苏工业学院,常州?213164)摘?要:工业系统运行中的设备,受系统状态和设备工况的影响,其失效风险具有动态属性。因此,在认识设备失效风险的可能性和严重性的同时,还必须认识和研究设备在系统寿命周期内失效风险的动态属性。设备失效的动态风险因素可以归纳为设备自身失效率变化、设备外部载荷变化、系统结

2、构变化以及功能变化引起的失效后果严重度变化,依此提出了动态风险模型。利用该模型对江苏某储气库水溶造腔系统进行实证研究,获得注水泵失效动态风险图,明确了造腔初期、中后期和注气排卤三个典型阶段的注水泵失效风险波动状况以及波动原因。实证研究说明,运用该分析模型可以推断系统运行周期内设备失效风险的变化状态和趋势,从而适时、有效地控制风险。关键词:设备管理;可靠性分析;风险分析;动态风险模型;水溶造腔系统中图分类号:X937?文献标识码:AResearch on assess ment and prediction of equipment dynam ic riskWANG Kai?quan,YIN

3、Q i?feng(Jiangsu PolytechnicUniversity,Changzhou 213164,China)Abstract:The running equipment of industrial syste m may be effected by the conditions of the system and the oper?ating state itsel,f so the risk of equipment failure was of dynam ic attributes.In the sa me ti me of researching its pos?si

4、bility and severity of the failure risk,it is necessary to understand and research the dynam ic attributes of equip?ment failure in the syste m life cycle.In this article,dynam ic risk factors of equipment failure were su mmed up inthe change of failure rate,the change of external load of equip ment

5、 effect to the possibility of risk.Then and thechanges of syste m structure and syste m function effect to the severity of risk.Then and so put forward a dynam icriskmodelwas developed.The model was used for cavity?made water system of Jintan underground gas storage.Themap of pu mp dynam ic failure

6、riskwas dra wn ou,tthen the situation and reasons of the risk in three typical sta?ges of early,m iddle,late ofm aking storage and injection gaswere recognized.Empirical studies showed that themodelm ay predict the status and trends of equip m ent failure risk in the system running cycle,so that the

7、 riskm aybe control effectively and ti mely.Key words:equipmentmanagemen;treliability analysis;risk assessmen;t dyna m ic failuremode;l cavity buildingwater syste m?收稿日期:2009?03?30?作者简介:王凯全(1951-),男,安全工程博士,教授。1?引言工业系统的大型化、复杂化大大增加了生产过程对设备的依赖,人们为了有效控制设备失效风险,不仅需要掌握设备失效风险的可能性和严重性,还必须了解设备在系统寿命周期内失效风险的波动性

8、 1 2。目前,大部分设备失效风险分析方法和分析过程都是基于静态风险模型,假定系统总的风险以及系统各个单元所蕴含的风险是稳定不变的,而其波动性的研究却少见 2 4。对风险的波动性(即动态风险)较为系统的、完整的研究模型大都限于经济资本领域 4 5。文献 6、7的研究仅涉及了地理变化的动态风险,文献 8考虑了动态风险信息的采集问题,文献 9提出了设备实际运行状态对系统功能的动态影响问题,都没有涉及动态风险模型的构建,没有提出完整的动态风险分析程序和方法,上述成果不能直接推广到一般工业系统的设备动态风险研究中。在某些工业系统,设备失效风险在运行期间的波动性较为突出,全面评估和预测动态风险十分必要。

9、本文以天然气地下储气库的水溶造腔系统为例,根据系统寿命周期内不同的功能需要和设备荷载的变化考查设备失效风险的动态属性,构建设备失效动态风险模型;将不同时段的风险值按时间排序,从而得到其全寿命周期的设备失效风险动态轨迹;据此预见动态风险变化状况,提出符合设备动态失效风险实际的管理方案和维修对策。2?设备失效动态风险模型2?1?设备失效风险及其动态属性风险是设备失效造成潜在损失的量度,是风险概率 P 和相对风险后果 S的逻辑乘积 10 11,即:R=P?S(1)其中,R 为风险状况的大小;P 为事故发生概率;S为事故发生的后果严重度。在设备运行周期内,设备工况、系统功能、环境状态等都可能发生变化,

10、设备失效的概率及其可能产生的后果具有动态特性,表现为时间的函数,见图 1。2?2?设备失效动态风险模型及其参数的确定2?2?1?失效概率 P(t)的确定(1)设备自身失效率设备失效率在其运行的生命周期内呈 浴盆曲线!。早期失效期失效率较高且迅速下降;偶然失效图 1?影响设备失效风险的动态因素期失效率较稳定;耗损失效期失效率上升 12。若以t#(t1,t2,tn)表示设备运行时间序列,则设备因自身原因的失效率函数可表达为?(t)。(2)设备外部载荷修正系数设备在系统中运行,而系统运行工艺要求常常发生变化,因此各个设备的运行载荷也要随之改变,从而导致设备失效概率发生改变 13。若以 t%#(t%1

11、,t%2,t%m)表示系统运行时间序列,不同时期的载荷变化函数为 l(t%),则外部载荷对设备失效率的影响修正系数为 C l(t%)。综合考虑(1)、(2),设备动态失效概率应为:P(t)=?(t)?C l(t%)(2)2?2?2?设备失效后果 S(t)的确定(1)系统结构变化引起设备失效后果严重度系统在运行周期内工艺要求的变化,还可能需要改变系统设备结构(如,当系统发生超过原设备载荷能力的改变时,就需要将单台运行结构系统改为冗余运行结构),导致相关设备在系统中的重要度发生变化 14。由于这种情况主要与系统运行周期有关,故可用 S1(t%)表示。(2)系统功能变化引起的设备失效后果严重度系统运

12、行周期内功能发生的变化,可能导致设备失效将影响系统功能的实现,即设备失效后果对于系统在各时间段实现功能的影响程度是变化的。由于这种失效后果主要与系统运行时间有关,故用S2(t%)表示。因此,设备失效影响严重度函数为:S(t)=S1(t%)+S2(t%)(3)综上,设备失效动态风险模型为:R(t)=P(t)?S(t)=?(t)?C l(t%)&S1(t%)+S2(t%)(4)2?3?设备失效动态风险轨迹设系统寿命期为 T,则可根据系统运行过程中各风险影响因素的变化情况,将其划分为若干个风险相?89?第 3期?中 国 安 全 生 产 科 学 技 术?对稳定的阶段 T=T(t1,t2,tn),由式(

13、4)得出每一阶段的某种设备失效风险值,将其标注在以失效的严重度为横坐标、失效概率为纵坐标的风险矩阵图 14?15上,并按照时间顺序连接起来,就可得到系统运行周期内该设备失效的风险动态变化轨迹。通过基于时间的设备失效风险矩阵图及风险动态变化轨迹,可以非常直观的掌握在系统运行过程中该设备失效风险的动态变化情况。从而根据其概率和严重度的大小及变化趋势,结合实际条件在恰当的时机,采取恰当的管理和技术措施降低其风险,达到可接受的安全水平。3?实证研究3?1?水溶建腔系统概述地下盐穴储气库是选择合适的盐层,注入淡水进行冲蚀,形成一定体积和形状的溶腔,最后注入天然气。目前,江苏金坛正在建设的盐穴储气库是西气

14、东输工程中的重点项目 16 17。3?1?1?系统工艺流程水溶造腔系统地下盐穴储气库的关键工艺,流程大致为:使用加装液力耦合器的大型离心式注水泵组对储罐中的清水加压,通过树状管网将高压水调至合理的压差和流量,送入各个单井管线;具有一定流量和扬程的高压水通过各单井的中心管射入地下盐层腔体内进行溶盐造腔;溶入盐分的卤水则通过此水压从外层的中间管挤压回地面,通过地面管道输回注水站低压阀组间外输。若未满足外输工业用卤水的溶盐饱和程度,则被送入站内的未饱和卤水罐,等待以相同方式回灌造腔,直至满足外输要求,见图 2。图 2?水溶造腔系统工艺流程图水溶造腔系统分为:储罐、注水泵机组(电机、液力耦合器、离心泵

15、)、高压配水间管段、低压阀组间管段五个设备单元。注水泵机组是最关键的设备单元。目前金坛储气库共有四套水溶造腔泵组系统,其中两套造腔(一套注清水,一套注未饱和卤水),两套备用,见表 1。表 1?注水泵机组序号位号名称型号规格或主要特征数量1P-6105/1-2多级离心注水泵机组Q=90 140m/h,H=350 1280m,P=800k W22P-6104/1-4多级离心注水泵机组Q=210 290m/h,H=350 1280m,P=1600kW43P-6103/1、2多级离心注水泵机组Q=360 450m/h,H=350 1280m,P=2240kW23?1?2?系统运行的动态风险在水溶造腔系

16、统运行过程中,在建腔的井数、井深、井口位置、钻井或建腔工艺状态等参数都在不断变化,为了满足各个井口和腔体的水质、水量和水压的需要,必须调整结构和功能,同时注水泵组也必须及时调整工况和组态。因系统结构和功能变化引起了设备失效后果严重度的变化、因设备自身失效率及外部荷载变化引起了失效概率的变化都很明显。3?2?失效风险动态分析3?2?1?失效概率分析由设备运行资料整理(整理过程略)得不同时?90?中 国 安 全 生 产 科 学 技 术?第 5卷间段的注水泵失效率、载荷变化及其对应的载荷修正系数,代入(2)式,得失效概率,见表 2。表 2?注水泵失效概率计算表时间 t(年.月)06?306?606?

17、906?1207?307?607?907?1208?308?6失效率?0?060?040?010?0120?0130?0150?0180?020?040?07载荷 l(%)15203040601009012011080修正系数 C1?181?151?11?030?8310?951?41?20?9失效概率 p0?07080?0460?0110?012360?010790?0150?01710?0280?0480?0633?3?2?失效后果严重度分析水溶造腔系统从开始造腔到腔体竣工大概需要两年左右的时间,这个过程大致可分为四个阶段:造腔初期、造腔中期、造腔后期和注气排卤阶段。(1)基于系统设备结构

18、变化的注水泵失效后果严重度。造腔初期腔体较小,系统使用单泵注水。随着造腔的扩大,其对泵注水量和水压的要求不断上升,逐步过渡到三泵并联注水。基于此,单泵失效的后果严重度随造腔时间的推移逐步降低。而注气排卤阶段,由于天然气的高度易燃易爆性,其对泵组的可靠性要求突然提高。(2)基于注水功能变化的注水泵失效后果严重度。腔体形状的控制关乎造腔工程成败,而腔形的调整就是靠控制注水水量和水压来实现。造腔过程的不同时期其对注水系统水量和水压稳定性的敏感度要求也是各不相同的。这就导致注水泵失效对于造腔系统功能实现的风险大小在造腔的各个不同阶段是具有极大差异的。前期腔体扩大阶段敏感度要求相对较低,而中后期是腔形调

19、整的关键时期则对工艺敏感度要求较高。(3)基于以上原因,得单泵基于系统结构变化的失效后果严重度值和基于系统功能变化的失效后果严重度值。再由(3)式可得最终单泵失效后果严重度值,见图 3。图 3?注水泵单泵失效后果严重度图3?3?3?动态风险矩阵图分析将上述成果带入(4)式,计算得各时期单泵风险值,见表 3,将其标注在风险矩阵图上,见图 4。表 3?注水泵动态风险时间(年、月、日)06?3?106?6?106?9?106?12?107?3?107?6?107?9?107?12?108?3?108?5?2008?6?1状态ABCDEFGHIJK风险值0?3540?2300?0770?0720?07

20、60?1050?1200?1960?2400?2400?819从表 3、图 4可见:(1)从设备运行上看,注水泵失效风险在造腔初期较高,这主要是因为:泵处于早期失效期,失效率较高;单泵运行,结构可靠性不高;造腔中期风险较低,这主要是因为:泵处于偶然失效期,失效率最低;两泵运行,结构可靠性较高。图 4?注水泵失效动态风险矩阵图?91?第 3期?中 国 安 全 生 产 科 学 技 术?(2)从系统运行上看,注气排卤阶段失效风险达到峰值,这主要由于此阶段注入危险性极高的天然气,系统对泵的运行稳定性近乎苛刻,其失效的后果严重度最高;此外,由于流量和压力精度要求高,采取单泵运行,结构可靠性不高。(3)具

21、体情况。系统处于 K状态时,注水泵失效的风险最大。此时系统处于注气排卤阶段,功能复杂,需要维护的井口数量较多;同时注水泵荷载增加,失效概率加大;(系统处于 A状态时,注水泵失效的风险次之。此时系统处于建设初期,结构复杂;同时注水泵早期失效期,失效概率较大;)系统处于 I、J、B状态时,注水泵失效的风险也较大。I、J状态主要是注水泵荷载较大,因此失效概率加大;B状态则主要是由于系统处于建设初期,结构复杂。4?结论(1)设备在工业系统中运行,其失效风险受系统和自身工况的影响,具有动态属性。(2)本文认为设备失效的动态风险可以归纳为设备自身失效率变化、设备外部载荷变化、系统结构变化引起后果严重度变化

22、、系统功能变化引起后果严重度变化,并依此提出了分析模型。(3)对金坛储气库水溶造腔系统进行实证研究说明,运用动态风险分析模型可以推断系统运行周期内设备失效风险的变化状态和趋势,从而适时、有效地控制风险。参考文献 1?L iQ i(李奇),Jiang Chun?m ing(姜春明),Xie Shou?ming(谢守明).R isk analysis and manage ment of long?ter m operation of delayed coking unit J.Petroleum Re?finery Eng ineering.2007(5):34 37 2?Zhao Jun?ru

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