RBI技術在長輸管道壓氣站風險評價中的應用

朱喜平，張來斌，梁偉 （中國石油大學 （北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

1 RBI評估技術

基于風險的檢驗 （risk based inspection，RBI）技術是以設備破壞而導致的介質泄漏為分析對象，以設備檢驗為主要手段，通過確認設備或管線的損傷機理計算出失效可能性和失效所造成的后果，進而計算出其風險大小。它是通過有針對性的腐蝕管理、預防性檢驗、維護監(jiān)控及工藝監(jiān)控來有效地管理風險和降低風險的技術。

多家石油化工企業(yè)針對其常減壓、催化裂化、催化重整、加氫裂化等裝置開展了RBI檢驗工作。國內的油氣田公司和油氣輸送企業(yè)在天然氣凈化工業(yè)、油氣管道輸送方面也陸續(xù)開展了RBI的嘗試與應用工作［1～3］。

2 失效可能性

2.1 失效概率計算模型

RBI失效可能性是指失效概率的計算，在特定失效模式下的失效概率Pf表示設備在特定的失效機理、破壞狀態(tài)下發(fā)生泄漏失效的概率。以壓氣站腐蝕減薄失效機理下的分離器和管道為例，利用可靠性指數(shù)法來計算其失效概率?？煽啃灾笖?shù)β的計算公式［4］為：

式中：β為可靠性指數(shù)；μy為均值；σy為標準差；f（x）為功能函數(shù)；x為隨機變量。

根據常規(guī)壓氣站基礎資料及站場腐蝕情況，參考API581所提供的數(shù)據，得出：以天然氣為輸送介質的壓氣站損傷機理主要包括內部腐蝕減薄，外部損傷 （包括保溫層下腐蝕、大氣腐蝕和埋地管線的土壤腐蝕）和應力腐蝕開裂（包括硫化物應力腐蝕開裂SSC、硫化氫條件下的氫致開裂和定向應力氫誘導開裂HIC/SOHIC－H2S）3種損傷模式。

以計算腐蝕減薄失效模式的失效概率為例，介紹均值一次二階矩法來求μy和σy的計算方法：

式中：σf為材料的流變應力，MPa；t0為原始壁厚，mm；Δt為壁厚損失，mm；p為操作壓力，MPa；D為管道的內徑，mm；σσf為流變應力標準差，MPa；σΔt壁厚損失的標準差，mm；σp為壓力標準差，MPa。

將式 （2）、（3）計算所得的值代入到式 （1）中，就可以得到相應的可靠性指數(shù)β，通過查正態(tài)分布表得出失效概率pf。

2.2 壓氣站設備失效概率的修正

2.2.1 設備失效概率修正的定義

根據API 581中的方法，壓氣站內設備的失效概率是由同類設備失效概率經設備因子和管理因子修正得到的，其結果可由下式計算得出［5］：

設備失效概率＝同類設備通用失效概率×設備修正因子×管理修正因子 （4）

2.2.2 修正系數(shù)計算方法

1）設備修正因子 主要影響的關鍵參數(shù)是損傷因子。除損傷因子以外，還有一些其他因子會影響到設備修正因子的值，如通用因子，與壓氣站內的條件、當?shù)丨h(huán)境、地震活動等方面有關；機械因子，主要考慮設備設計與制造方面的最初情況，從復雜性、建造規(guī)范、分離器的壽命周期、安全系數(shù)這4個方面進行考慮，為4個因素之和；工藝因子，主要需分析分離器的工藝和運行方式的影響情況，包括了工藝的連續(xù)性和安全泄放閥等方面。

2）管理修正因子 是用于對不同裝置或裝置現(xiàn)場之間類似設備的風險值進行比較［5］。

2.3 劃分壓氣站內管道腐蝕回路

為了便于確定設備、管道腐蝕速率和制定檢驗計劃，對壓氣站進行RBI評估時需進行腐蝕回路劃分。同一回路是具有相似的損傷機理、操作條件和材質的設備及管線。根據某壓氣站現(xiàn)場檢測數(shù)據，在腐蝕減薄失效模式下，劃分腐蝕回路 （表1）。

表1 某壓氣站腐蝕回路劃分表

3 失效后果

失效后果按照泄出流體物料的性質與泄出量進行計算，物料泄出量與泄出速率的主要影響因素有泄漏孔徑的大小、流體黏度與密度以及操作壓力。分別對每一種失效概率計算其失效后果，然后按這些不同失效形式所造成的后果計算總的風險。

3.1 泄漏類型及泄漏量

RBI風險評價中將泄漏類型分為2種：瞬時或持續(xù)。對于小孔 （φ6.3mm）模擬、較低泄漏率模擬為持續(xù)泄漏；對于其他類型孔尺寸，當泄漏4540kg耗時不足3min時，通過給定孔尺寸的泄漏為瞬時泄漏［4］。

式中：Q為氣體泄漏質量流量，kg/s；Cd為氣體流量系數(shù)，圓形孔泄漏取1；A為泄漏面積，m2；p為操作 壓 力，MPa；M為 氣 體 分 子 質 量，g/mol；T為 氣 體 溫 度，K；R為 氣 體 常 數(shù)，8.3144J/（ m ol·K） ；p0為大氣壓力，MPa；k為氣體絕熱指數(shù)，1。

3.2 泄漏后果區(qū)域

在天然氣壓氣站場的RBI風險評估中，泄漏后果主要有閃火、噴射火、火球、蒸汽云爆炸等?？筛鶕嶋H情況計算各種后果概率。每一種泄漏形式的泄漏可能性和后果不同，一種泄漏類型的失效后果通常是多種泄漏形式的組合。用來計算組合后果區(qū)面積的公式如表2［5～7］所示。

3.3 物流回路劃分

在計算失效后果時，應把天然氣壓氣站按照工藝劃分為多個物流回路。當某一設備失效時，只有所在回路的天然氣會泄漏，而其他隔離段中的天然氣不會泄出，因此該物流回路中設備失效時的后果計算僅以此回路天然氣泄放量進行計算［7～9］，回路劃分實例見表3。

表2 泄漏后果區(qū)面積計算公式

表3 某壓氣站物流回路劃分表

4 實例計算

假設某壓氣站1號分離器的主要參數(shù)為：運行壓力9.85MPa，流變應力520.7MPa，原始壁厚8mm，變異系數(shù)0.1，溫度306.5K，輸送天然氣密度0.695kg/m3，氣體流量系數(shù)1，氣體絕熱指數(shù)1.3，氣體分子質量0.016kg/mol。用均值一次二階矩法計算其在腐蝕減薄失效模式下的失效概率。查詢API 581中分離器的通用因子為2，機械因子為4，工藝因子為1。由此可以得出過濾器的設備修正系數(shù)。通過對壓氣站承壓設備的評估和打分，取管理系數(shù)值為0.38?？梢苑謩e計算出該壓氣站1號過濾器在不同尺寸泄漏孔徑的失效概率 （如表4所示）。

表4 壓氣站設備失效概率和失效后果

器破壞后的經濟損失、停用期間損失等。

5 評估結果確定和檢驗計劃制定

根據以上方法計算得出的失效概率和失效后果可以進一步計算出壓氣站場內全部設備的風險值，從而對設備和管道逐一進行RBI評價。再根據行業(yè)QHSE管理標準建立相應的風險矩陣作為風險評價的可接受性準則，以此來確定設備的風險等級。處于高風險區(qū)域的設備需要立即采取措施，最終依據API 581中的檢驗計劃，將中高風險區(qū)域的設備作為重點監(jiān)測和維護的對象。通過RBI評價方法的使用，可以提出科學的壓氣站場檢驗周期和基于風險的檢驗計劃，從而指導設備檢驗，降低壓氣站設備和管道運行風險。

［1］耿雪峰，左延田，薛小龍 .基于風險的檢驗技術在我國的應用現(xiàn)狀研究 ［J］.化工裝備技術，2012，33（1）：17～22.

［2］鄭鶴，宋彬，計維安，等 .保障天然氣凈化裝置長周期運行的RBI技術 ［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（3）：107～109.

［3］陳學東，楊鐵成，艾志斌，等 .基于風險的檢測 （RBI）在實踐中若干問題討論 ［J］.壓力容器，2005，22（7）：36～44.

［4］王勇 .普光輸氣站場定量風險評價技術研究 ［D］.成都：西南石油大學，2012.44～56.

［5］API 581—2000，American petroleum institute，risk－based inspection ［S］.

［6］張春燕 .輸氣管道系統(tǒng)RBI定量風險評價研究 ［D］.蘭州：蘭州理工大學，2008.17～49.

［7］鄭明，姚安林，葉沖，等 .基于RBI的輸氣站場分離器風險評估方法研究 ［J］.中國安全生產科學技術，2013，9（6）：120～126.

［編輯］ 帥群