RBI在站場(chǎng)靜設(shè)備定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

崔凱燕，劉新宇，王曉霖

(中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順 113001)

RBI在站場(chǎng)靜設(shè)備定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

崔凱燕，劉新宇，王曉霖

(中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001)

采用RBI方法對(duì)站場(chǎng)靜設(shè)備進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，壓縮機(jī)出口管道風(fēng)險(xiǎn)水平不可接受，應(yīng)對(duì)副管分支處每月至少一次50%～100%超聲掃射或射線探傷，超聲流量計(jì)應(yīng)優(yōu)先檢測(cè)，其他設(shè)備可降低檢測(cè)頻率。

油氣站場(chǎng) 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 靜設(shè)備 檢測(cè)計(jì)劃

站場(chǎng)是油氣管道輸送的樞紐，站場(chǎng)內(nèi)工藝設(shè)備較多，關(guān)鍵設(shè)備一旦失效可能引起一連串不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果，盡早對(duì)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理可以制定最優(yōu)檢測(cè)計(jì)劃，從而保證設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)處于可接受的范圍。

美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)于1991年提出RBI指導(dǎo)文件，2001 年出版長(zhǎng)輸管道RBI(Risk Based Inspection，RBI)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8S，美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute，API)在此基礎(chǔ)上于2002年和2009年出版針對(duì)壓力容器、管道和常壓儲(chǔ)罐等設(shè)備的RBI標(biāo)準(zhǔn)。RBI技術(shù)在我國(guó)起步較晚，近年來(lái)才得到發(fā)展。

RBI技術(shù)[1]是通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、分析、評(píng)估把運(yùn)行裝置可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與其現(xiàn)有的檢測(cè)方法和結(jié)果相關(guān)聯(lián)，確定裝置在已有檢測(cè)條件下的主要問(wèn)題與薄弱環(huán)節(jié)，由高至低將風(fēng)險(xiǎn)排序，制定最優(yōu)的檢驗(yàn)計(jì)劃，在降低工藝裝置運(yùn)行成本的同時(shí)，確保其下一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)為可接受水平。目前國(guó)內(nèi)外油氣站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多采用半定量及其他技術(shù)，如通過(guò)評(píng)分體系結(jié)合模糊理論的加氣站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[2]，應(yīng)用HAZOP與行為失效模式的輸氣站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3]；還有學(xué)者基于危險(xiǎn)辨識(shí)與分析對(duì)壓氣站進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4]。目前天然氣管道及油氣站場(chǎng)也有采用定性或半定量的RBI方法[5-6]，有采用定量RBI新技術(shù)對(duì)煉化廠、儲(chǔ)罐、海底管道等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7-9]，但還沒(méi)有將定量RBI新技術(shù)完整地應(yīng)用于油氣站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)例。本研究通過(guò)RBI技術(shù)建立油氣站場(chǎng)內(nèi)靜設(shè)備的失效概率和失效后果數(shù)學(xué)模型，改進(jìn)RBI現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)的定量風(fēng)險(xiǎn)管理。與其他方法相比，該方法中主觀因素影響極小、考慮因素較全面，準(zhǔn)確度和可靠性均較高。

1 RBI技術(shù)及改進(jìn)

設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算包括失效概率的計(jì)算和失效后果的評(píng)估。在RBI中，失效后果分為失效后果面積和經(jīng)濟(jì)后果，故風(fēng)險(xiǎn)值包括基于失效面積和基于經(jīng)濟(jì)后果兩種。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

隨著時(shí)間t的變化，站場(chǎng)基于失效后果面積的風(fēng)險(xiǎn)值、基于經(jīng)濟(jì)后果的風(fēng)險(xiǎn)值分別由公式(1)、(2)計(jì)算。

R(t)1=P(t)·Af

(1)

R(t)2=P(t)·CF

(2)

式中：R(t)1——基于失效后果面積的風(fēng)險(xiǎn)值；

R(t)2——基于經(jīng)濟(jì)后果的風(fēng)險(xiǎn)值；

Af——設(shè)備發(fā)生失效的后果面積，m2；

CF——經(jīng)濟(jì)后果，元；

P(t) ——失效概率，由設(shè)備一般失效概率PG、管理系統(tǒng)修正因子FM和設(shè)備損傷因子Df確定。

P(t)=PG·FM·Df

(3)

FM=10(-0.02×S/1000+1)

(4)

式中：PG——設(shè)備一般失效概率；

FM——管理系統(tǒng)修正因子；

S——站場(chǎng)管理系統(tǒng)的評(píng)分，總分為1 000分；

Df——減薄缺陷、襯里損傷、外部損壞、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、高溫氫蝕、機(jī)械疲勞和脆性破壞等7種損傷機(jī)理的損傷因子之和。當(dāng)為局部減薄時(shí)，Df的計(jì)算如式(5)所示；當(dāng)為整體減薄時(shí)，Df的計(jì)算如式(6)所示。

(5)

(6)

Dfelin——襯里損傷因子；

Dfscc——應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷因子；

Dfextd——外部損傷因子；

Dfbrit——脆性破壞損傷因子；

Dfhtha——高溫氫蝕損傷因子；

Dfmfat——機(jī)械疲勞損傷因子。

當(dāng)某一損傷因子不超過(guò)1時(shí)取0。在計(jì)算各種損傷因子時(shí)還應(yīng)考慮工藝條件對(duì)損傷機(jī)理的影響，如工藝復(fù)雜程度、在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等因素。

失效后果的計(jì)算包括面積后果Af和經(jīng)濟(jì)后果CF。

面積后果Af包括燃燒、有毒和不燃燒無(wú)毒3種情況，根據(jù)3 min的泄漏量，將泄漏分為持續(xù)泄漏和瞬時(shí)泄漏分別計(jì)算。

經(jīng)濟(jì)后果CF為設(shè)備損壞、影響區(qū)的維護(hù)、生產(chǎn)停工、潛在人員傷害和受污環(huán)境清理等方面的費(fèi)用之和，單位為元。

1.2 改進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

現(xiàn)有的失效概率等級(jí)是根據(jù)Df來(lái)劃分，由式(3)可知這種方法并不全面。經(jīng)研究以P(t)確定新的失效概率等級(jí)，見(jiàn)表1。將失效概率和失效后果分別分為5個(gè)等級(jí)。設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為低、中、較高和高4個(gè)水平，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)處于較高或高水平時(shí)，視為不可接受風(fēng)險(xiǎn)。

表1 失效概率等級(jí)劃分對(duì)比

2 站場(chǎng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)例

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

某首站投產(chǎn)5年，原料氣經(jīng)過(guò)濾分離器分離雜質(zhì)之后經(jīng)超聲流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)入壓縮機(jī)增壓至9.5 MPa(107 ℃)后經(jīng)空冷器冷卻后出站。原料氣為未經(jīng)處理的天然氣，站內(nèi)氣相色譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)近一年的記錄值顯示，原料氣水露點(diǎn)最高可達(dá)到21 ℃，CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%。除過(guò)濾分離器之外，站場(chǎng)內(nèi)部無(wú)其他凈化裝置，因此站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備存在CO2腐蝕的可能性。關(guān)鍵設(shè)備及管道均無(wú)內(nèi)涂層，外涂層采用多層環(huán)氧涂層。站內(nèi)靜設(shè)備中僅壓縮機(jī)出口管道有玻璃纖維保溫層，且存在局部損壞。站場(chǎng)概預(yù)算費(fèi)為7 320萬(wàn)元，站廠占地面積25 000 m2，站內(nèi)工作人員共52人。停工生產(chǎn)損失費(fèi)按管輸費(fèi)0.38元/m3計(jì)算。

首站采用關(guān)鍵工藝變量在線檢測(cè)方式，具有操作者在控制室啟動(dòng)的站內(nèi)隔離或停機(jī)系統(tǒng)，站內(nèi)有應(yīng)急放空裝置。關(guān)鍵靜設(shè)備均采用每月部分目檢及超聲波定點(diǎn)測(cè)厚檢測(cè)。

2.2 靜設(shè)備定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以過(guò)濾分離器(FS101)、站內(nèi)某條運(yùn)行溫度最高的管段(Z102-AC101)、超聲流量計(jì)(FBBV201)及清管器發(fā)球筒(PL101)作為評(píng)價(jià)對(duì)象。

經(jīng)損傷條件判斷，設(shè)備的損傷機(jī)理為減薄缺陷和外壁損壞，因此總損傷因子Df為減薄損傷因子Dfthin和外壁損傷因子Dfextd之和。

減薄損傷因子Dfthin的計(jì)算主要包括：①根據(jù)天然氣中的雜質(zhì)及周圍環(huán)境判斷減薄機(jī)理；②根據(jù)介質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響確定減薄類型；③預(yù)測(cè)涂層完全破壞所需的時(shí)間，可通過(guò)減薄腐蝕速率及相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)確定；④減薄因子參數(shù)的計(jì)算，分為有涂層和無(wú)涂層兩種類型；⑤根據(jù)減薄因子參數(shù)確定基本減薄損傷因子，最終由在線監(jiān)測(cè)、注入/混合點(diǎn)、管道分支情況等確定Dfthin。

外壁損傷因子Dfextd受外腐蝕因子的影響，計(jì)算時(shí)主要考慮腐蝕速率、外腐蝕裕量及外腐蝕發(fā)生的年限等。

對(duì)該站場(chǎng)管理系統(tǒng)的13方面分別進(jìn)行評(píng)分，所得總分S為887分(滿分1 000)，由式(4)得管理系統(tǒng)修正因子FM為9.6；損傷因子的計(jì)算與設(shè)備界面補(bǔ)償、復(fù)雜度、支架補(bǔ)償、管道分支數(shù)目等因素有關(guān)。因不燃燒后果不會(huì)引起設(shè)備損壞，故設(shè)備損壞后果面積不計(jì)；原料氣中不含SO2、H2S等毒性介質(zhì)，無(wú)需考慮毒性后果。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，管段(Z102-AC101)失效概率等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)水平為較高，究其原因，該段管路存在分支，且未對(duì)分支連接處進(jìn)行定期檢測(cè)；超聲流量計(jì)失效概率等級(jí)為2級(jí)，其風(fēng)險(xiǎn)水平處于中等水平，其他設(shè)備失效概率均處于較低值。分析表明生產(chǎn)停工費(fèi)用占經(jīng)濟(jì)后果比重較大，可見(jiàn)設(shè)備應(yīng)急維護(hù)工作的重要性。

2.3 檢測(cè)計(jì)劃制定

就維護(hù)條件而言，檢測(cè)次數(shù)和檢測(cè)有效性影響失效概率的值，探測(cè)、隔離及消防系統(tǒng)等級(jí)的不同將直接影響失效后果面積及經(jīng)濟(jì)后果?；陲L(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算結(jié)果，確定合適的維護(hù)條件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理，使站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍。為使風(fēng)險(xiǎn)值降低至中等水平，應(yīng)保證關(guān)鍵設(shè)備的失效概率等級(jí)均不超過(guò)2級(jí)水平。由表2可知，應(yīng)使壓縮機(jī)出口管段(Z102-AC101)失效概率P(t)≤6.12×10-3。為此，提出有關(guān)檢測(cè)次數(shù)和檢測(cè)有效性的要求。

a)管段(Z102-AC101)：對(duì)副管分支處每月進(jìn)行一次20%超聲掃射或射線探傷，每月開(kāi)展超聲點(diǎn)檢測(cè)厚。

b)超聲流量計(jì)(FBBV201)：外防腐涂層損傷較為嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)更換，并由知識(shí)豐富的腐蝕工程師指定超聲點(diǎn)檢測(cè)厚的檢測(cè)區(qū)域。

c)過(guò)濾器(FS101)及清管器發(fā)球筒(PL101)：可酌情減少檢查保養(yǎng)或延長(zhǎng)檢測(cè)周期，隨著后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)管理的推進(jìn)再提高檢測(cè)頻率，以節(jié)約檢測(cè)費(fèi)用。

3 結(jié)語(yǔ)

a)建立隨著時(shí)間變化的站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算模型，基于前期數(shù)據(jù)調(diào)研，計(jì)算設(shè)備損壞因子；對(duì)站場(chǎng)管理系統(tǒng)的13項(xiàng)管理工作評(píng)分確定管理系統(tǒng)修正因子，最終得出失效概率P(t)值；計(jì)算得到失效后果面積和經(jīng)濟(jì)后果；改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分并判定設(shè)備是否處于可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍，從而制定最優(yōu)檢測(cè)計(jì)劃。

b)油氣站場(chǎng)包含靜止設(shè)備、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和安全控制儀器，目前國(guó)內(nèi)外較多地采用RBI技術(shù)來(lái)開(kāi)展站場(chǎng)靜止設(shè)備的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，而對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和儀表控制系統(tǒng)的完整性管理則采用RCM和SIL技術(shù)，而可以涵蓋站場(chǎng)所有設(shè)備的全面定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法還有待于進(jìn)一步的研究。

c)論文中采用的失效數(shù)據(jù)庫(kù)為美國(guó)設(shè)備及管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)，若能建立適合我國(guó)油氣行業(yè)的失效數(shù)據(jù)庫(kù)，可使得定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度得到提高。目前，我國(guó)還沒(méi)有健全的管道及設(shè)備的事故上報(bào)及統(tǒng)計(jì)機(jī)制，運(yùn)營(yíng)單位若成立管道及設(shè)備事故統(tǒng)計(jì)相關(guān)部門，將為我國(guó)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供幫助。

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StudyonQuantitativeRiskAssessmentApplicationofRBIinStationaryStaticEquipment

Cui Kaiyan, Liu Xinyu, Wang Xiaolin

(SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001)

The RBI method is used to analyze the station static equipment. The results show that the risk level of the compressor outlet pipeline is unacceptable, and should be detected at least once a month by 50%～100% ultrasonic or radiographic inspections, And other equipment can reduce the detection frequency.

Oil and gas station; quantitative risk assessment; static equipment; detection plan

2016-07-26

崔凱燕，助理工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石化撫順石油化工研究院從事儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備完整性方面的工作。