注減氧空氣驅油注氣系統空壓機爆炸風險分析

王 典，史寶成，應若蒙，潘建澎，張興凱，張引弟

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

空壓機作為注氣采油環節中的重要組成部件，其本身是存在爆炸風險的，若發生了爆炸，則會引起人員安全事故的發生和停產的發生。2011年11月14日，某印刷廠一臺小型可移動式空壓機發生火災，操作工迅速把火撲滅，未造成嚴重后果，后經查明為內部積碳燃爆引起[1]。2016年8月29日，某高壓空氣站5套美國卡麥隆(CAMERON)CFA34型活塞式空壓機組，2#壓縮機在運行過程中突然發生三級排氣管道內部燃爆，后經查明本次事故的主要原因為潤滑油的注入量和質量有問題[2]。在注減氧空氣系統中，分析可能引起空壓機爆炸的因素，明確最應該注意的事件，能有效減小空壓機發生爆炸的風險，提高設備和人員的安全性，對于油田企業來說是很有必要的。

在目前的空壓機爆炸事故研究中，研究者根據已發生的事故或是可能潛在發生事故的方面進行分析，并尋求相應的解決方式[3]，但是沒有明確不同因素對事故發生的重要程度影響[4]，用事故樹分析法分析空壓機爆炸的文獻較少。事故樹分析法(Fault-Tree Analysis)是一種可以定性定量分析系統安全可靠性的方法，并在許多領域都有應用，如石油天然氣的儲存運輸、油庫火災預防、航空航天部件失效、粉塵爆炸等。事故樹分析法，也被稱為故障樹分析法，通過建立事件之間的關系圖，分析能引起事故發生的各種途徑，找出系統主要的薄弱環節，進而提高系統的安全性和可靠性[5]。

1 空壓機爆炸事故樹構建及分析

1.1 基本事件確立

影響空壓機安全的因素眾多，但是要造成空壓機爆炸往往是多種因素交叉結合在一起的結果。爆炸是一種劇烈的燃燒反應，發生爆炸的基本條件是點火源、燃燒物和助燃劑這三點。因為空壓機是在大氣環境中運行的，會一直與空氣中的氧氣接觸，要防止爆炸的發生，只能從點火源和燃燒物這兩個方向著手。通過調研文獻和結合現場實際情況可知，空壓機在運行中，會有積碳的產生，積碳會發生氧化還原反應放出熱量，當其熱量超過散熱量時，溫度便會不斷升高，以至于發生自燃，引起排氣系統燃燒或爆炸[6]?？諌簷C在運行的過程中，發動機會產生很高的溫度，若冷卻不及時[7-8]，也會引起積碳的爆炸或燃燒。因而可以確定空壓機中的燃燒物主要為積碳，主要熱源為系統運行過程中各部件的產熱。積碳產生的主要方式有潤滑油不良和空氣中的灰塵過多，而熱源產生的形式則較多，主要包括發動機溫度高、排氣溫度高、冷卻不行等。通過調研文獻和結合一些現場實際情況，總結出能造成事故的15個中間事件，進而細化到造成這些原因的基本事件有25個，如表1所示。

表1 空壓機爆炸事故的基本事件

1.2 空壓機爆炸事故樹的建立

事故樹分析法在分析系統的安全性和可靠性時是非常有效的，它以事故發生為目標，尋找導致該事故發生的各種原因，并將其間的邏輯關系用樹形圖表示[9]。事故樹中的符號主要有事件符號和邏輯門符號兩大類[10]，頂上事件為要分析的事故，中間事件為導致事故發生的籠統因素，基本事件則為導致事故發生的最基礎原因，不可以再被細分。邏輯門符號則為層與層事件的連接關系，應用最多的為與門和或門，與門表示某一事件下的全部子事件同時發生才能導致這一事件的發生，或門則表示該事件的任意一件子事件發生都會導致這個事件發生。

事故樹分析法包括定性分析和定量分析。最小割集反應了能引起頂上事件發生的途徑，其中基本事件較少的途徑則是需要重點關注的。最小徑集則是能避免事件發生的途徑，最小徑集的數越多，則說明能夠采取的預防措施越多。由于缺乏每個基本事件發生的概率，因而無法求出頂上事件發生的確切概率，在不知道基本事件發生的概率時，我們可以通過求解基本事件發生的結構重要度系數[11]，得出基本事件對頂上事件的影響程度。

圖1 事件類型

圖2 關系類型

建立事故樹首先確定頂上事件，也即我們需要分析的問題。選取“空壓機爆炸”作為頂上事件，選取“積碳引燃”、“積碳自燃”、“溫度高”、“積碳厚”、“發動機溫度高”、“排氣溫度高”、“產生火花”等為中間事件。建立如圖3所示的事故樹圖。

圖3 空壓機爆炸事故樹圖

圖中各符號所代表的事件如表2所示。

表2 各符號代表的事件

1.3 空壓機事故樹定性分析

1.3.1 最小割集

最小割集是能引起空壓機發生爆炸的最低途徑，最小割集的數量反應了引起頂上事件發生的途徑的多少。利用等效的布爾代數方程法可以求得事故樹得最小割集。對空壓機爆炸事故樹運用布爾代數方程法可得：

T=M1+M2=M3·M4+M2=(M5+M6+M7+X1)M4+(M4·X1X2X3)=(M5+M6+M7+X1+X1X2X3)M4=(X5+X6+X7+X8X9X10M9+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=(X5+X6+X7+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+X11+X12+X13+X1+X1X2X3)X4(X9+X14+X15+X16X17)=X4(X9+X14+X15+X16X17)(X1+X5+X6+X7+X11+X12+X13+X8X9X10(2X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25)+ X1X2X3)

由此可知該事故樹得最小割集共68項，如表3所示。

表3 最小割集

這68項最小割集都是能引起空壓機爆炸的基本途徑，特別其中基本事件越少的割集越容易引起頂上事件的發生。在割集中出現頻率越高的事件，越是能引起事故發生的事件，即為我們需要重點關注的事件。如{X1，X4，X9}為當周圍溫度高時，積碳清理不及時，且潤滑油品質低，這個情況下就容易導致空壓機發生爆炸事故。只需要這3個事件同時發生就能導致頂上事件發生，因而需要重點關注。

1.3.2 最小徑集

求最小徑集是將事故樹轉換為成功數，運用簡化的布爾代數法求解。如果最小徑集的數量越多，說明解決的途徑也就越多，頂上事件也就越不容易發生。求解出的最小徑集有42組，如表4所示。

表4 最小徑集

T=M1M2=(M3+M4)(M4+X1+X2+X3)=(M5M6M7X1+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(M9+X8+X9+X10)+M4)(M4+X1+X2+X3)=(X1X5X6X7X11X12X13(X18X18X19X20X21X22X23X24X25+X8+X9+X10)+X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17)(X4+X9X14X15X16+X9X14X15X17+X1+X2+X3)

表明在預防空壓機爆炸上我們能采取的途徑很多，如{X3，X4}為“積碳空隙小”、“積碳清理不及時”這兩個事件都不發生時就不會引起空壓機事故的發生。

1.3.3 基本事件結構重要度計算

目前我們不知道每個基本事件發生的概率分別是多少，因而假設他們發生的概率都是相同的。那么這時我們求解事故樹的結構重要度系數，它反應的是基本事件對頂上事件的影響程度。結構重要度系數越高，則說明這個基本事件導致事故發生的可能性越大，這個事件也就需要被更加的重視?；臼录Y構的重要度系數可用公式(1)計算[12]：

(1)

式中：Iφ(i)為第i個基本事件的結構重要度系數

nj——第i個基本事件所在Ej中各基本事件總數

計算可得：Iφ(1)=0.7053、Iφ(2)=Iφ(3)=0.2018、Iφ(4)=0.9993、Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=0.6309、Iφ(8)=Iφ(10)=0.3909

Iφ(9)=0.9427、Iφ(14)=Iφ(15)=0.9060、Iφ(18)=0.1991

Iφ(19)=Iφ(20)=Iφ(21)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)=Iφ(25)=0.1051

由此可見Iφ(4)結構重要系數最大，其次是Iφ(9)，再然后是Iφ(14)、Iφ(15)，即最為重要的基本事件為積碳清理不及時、潤滑油品質低、潤滑油溫度高、潤滑油過多。周圍溫度高、空氣中灰塵多、過濾效果差為次重要事件，也需要多注意。供水太少、給水指示器故障、設計不合理、已達使用壽命、潤滑油供給少、冷卻器質量不合格、水垢太厚這些事件則為非重點事件，不需要重點關注。

2 安全對策措施

通過對事故樹及其定性分析得到了引起空壓機爆炸的主要因素，在一定程度上給現場施工操作人員改進操作方式提供了依據。由結構重要度系數的排序可以得出，積碳清理不及時、潤滑油品質低、潤滑油溫度高、潤滑油過多這4個因素是容易引起空壓機爆炸的最主要原因，再其次就是周圍溫度高、空氣中灰塵多和過濾效果差。冷卻不良、潤滑油過少、壓縮比高、機械沖擊、積碳氧化、靜電放電這些因素造成的影響比較小，相對來說不用花主要的時間。而像供水太少、給水指示器故障、設計不合理、已達到使用壽命、潤滑油供給少、冷卻器質量不合格、水垢太厚則很難引起空壓機爆炸事故的發生，這些低概率事件可以不用重點關注。

在考慮安全對策措施建議時，要優先考慮解決主要矛盾，將最重要的事情優先解決。由結構重要度可得解決主要矛盾的優先關系應該為：制定合適的積碳清理周期，以保證及時的清理積碳；選用抗氧化性品質較高的專用潤滑油，注意潤滑油的使用量不要過多；然后要注意空壓機的運行狀態和保證空壓機周圍環境的干凈。

為此建議采取以下措施：

(1)選用抗氧化安定性高的潤滑油(康式殘炭值<3%)；供油量≤105 g/h；排氣溫度在150 ℃以下。

(2)注意冷卻水運行時的溫度和壓力，冷卻水閥后入口處的給水壓力不宜大于2×105Pa或小于0.7×105Pa。同時注意冷卻水的進口溫度小于25 ℃；排水溫度小于65 ℃。當發現溫度計計量溫度高于規定的溫度時要及時檢查，查明原因以解除潛在威脅。

(3)保證冷卻水的品質，水質要求pH值在6.5～9.5之間；硬度不大于4.3×10-3mol/L；懸浮物不大于100 mg/L；含油量不大于5 mg/L；有機物含量不大于25 mg/L。

(4)在空壓機運行過程中要注意周圍環境、可安裝溫度計時時監測，同時在空壓機周圍安裝防塵網，避免灰塵的積累。

3 結 論

(1)引入事故樹分析法分析注減氧空氣驅油注氣系統空壓機爆炸風險，以“空壓機爆炸”為頂上事件建立了事故樹，分析了可能引發事故的25個基本事件，得到了引起事故的68個基本途徑。這些引起事故的基本途徑定性地描述了空壓機爆炸的薄弱環節。

(2)通過對基本事件的結構重要度分析，得到引起空壓機爆炸的主控因數4個，重要度排序為：積碳清理不及時、潤滑油品質低、潤滑油溫度高、潤滑油過多。

(3)針對分析的到的4個主控因數，采用保證主要因素安全的分析法，提出了選取合適的潤滑油、保證冷卻水的品質和溫度、對周圍環境實時檢測等相應的防護措施?？梢詾楝F場的工作人員在空壓機的運行維護方面提供指導意見。