基于API 581標(biāo)準(zhǔn)的海上壓力容器腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評估

周 然，李祥鋒，凌愛軍，楊清峽，李 曄，杜建港

（1.中國船級社海洋工程技術(shù)中心，天津300457；2.中國船級社海工檢驗(yàn)管理處，北京100007）

壓力容器廣泛應(yīng)用于能源交通、陸上石油化工、海上油氣生產(chǎn)等重要領(lǐng)域，尤其與油氣生產(chǎn)息息相關(guān)。因此，對壓力容器進(jìn)行腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)分析具有重要意義。

目前，定量風(fēng)險(xiǎn)評估（QRA）技術(shù)普遍用于海上平臺的風(fēng)險(xiǎn)評估［1-6］，且此技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，各種QRA方法的復(fù)雜性和準(zhǔn)確性差異很大。在20世紀(jì)80年代，挪威有關(guān)部門頒布了海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中壓力容器和壓力管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)管理評估規(guī)范，要求對壓力容器和壓力管道進(jìn)行腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評估。20世紀(jì)90年代初，美國一些海上石油公司開始重視海上油氣生產(chǎn)平臺的壓力容器和壓力管道的腐蝕損壞。為了減少生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，石油公司要求美國石油協(xié)會（API）協(xié)同挪威船級社（DNV）將腐蝕定量分析評估技術(shù)應(yīng)用于美國的海上油氣生產(chǎn)平臺。2000年5月，API在總結(jié)設(shè)備檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上正式頒布了API Publication 581《Risk－Based Inspection Base Resource Document》，并于2008年更新為API Publication 581《Risk－Based Inspection Technology》。在基于API 581標(biāo)準(zhǔn)的QRA技術(shù)基礎(chǔ)上，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)（RBI）也得到了廣泛的應(yīng)用。

為此，筆者基于API Publication 581標(biāo)準(zhǔn)（2008版），對平臺壓力容器的各類腐蝕損傷系數(shù)、失效概率和失效經(jīng)濟(jì)后果進(jìn)行了定量研究，通過制定的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則對壓力容器的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行判定。根據(jù)平臺壓力容器風(fēng)險(xiǎn)等級指導(dǎo)業(yè)主采取相應(yīng)維修、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和保養(yǎng)措施。

1 定量風(fēng)險(xiǎn)評估流程

平臺壓力容器定量風(fēng)險(xiǎn)評估流程如圖1所示。

圖1 壓力容器的腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評估流程Fig.1 The process of corrosion QRA for pressure vessel

由圖1可見：評估工作開始之前應(yīng)制定嚴(yán)密的計(jì)劃，盡可能消除過程中可能出現(xiàn)的障礙或問題，使各工作順暢、有序、高效地進(jìn)行。QRA過程需要收集多方面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過程應(yīng)遵守一定的原則和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集應(yīng)確保數(shù)據(jù)的完整性。隨后基于API 581－2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)定量分析計(jì)算，得到失效概率和失效后果。結(jié)合制定的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對分析對象的風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行判定。最后針對風(fēng)險(xiǎn)等級，提出相應(yīng)的緩解措施。

2 損傷系數(shù)計(jì)算理論

平臺設(shè)備的服役環(huán)境苛刻，壓力容器等靜設(shè)備常見的腐蝕損傷［5-6］包括：內(nèi)部腐蝕（CO2腐蝕、細(xì)菌腐蝕、硫化物應(yīng)力腐蝕等）、保溫層下腐蝕、外部應(yīng)力腐蝕開裂和機(jī)械疲勞腐蝕等。

根據(jù)GB 150.1～150.4－2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)，最小壁厚的計(jì)算公式如下，

式中：δ為筒體或封頭的厚度，mm；PC為計(jì)算壓力，MPa；Di為封頭或圓筒內(nèi)徑，mm；φ為焊接接頭系數(shù)；K為橢圓形封頭形狀系數(shù)；［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭材料的許用應(yīng)力，MPa。

根據(jù)API 581－2008標(biāo)準(zhǔn)，保溫層下外部腐蝕損傷系數(shù)參數(shù)Art由公式（3）計(jì)算

式中：trd為容器最后一次檢測讀出的壁厚，mm；Cr，bm為容器在工作環(huán)境中的腐蝕速率，mm／a，詳見API581 PART－Tables 5.7～5.11；tage為距上次檢測日期的時(shí)間間隔，a；CA為腐蝕裕量，mm。

參見API581 PART－Tables 5.7～5.11，將計(jì)算得到的Art轉(zhuǎn)化為壓力容器外部腐蝕損傷系數(shù)。

檢驗(yàn)方法有效性的規(guī)定和分類如表1所示，且1次高一級的檢驗(yàn)等效于2次低一級的檢驗(yàn)，即B＝2C。

表1 檢驗(yàn)方法的有效性分類Tab.1 Validity classification of test methods

外部應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）損傷系數(shù)計(jì)算要先根據(jù)壓力容器所處環(huán)境判斷其氯致應(yīng)力腐蝕開裂（CLSCC）敏感性，見表2，其中設(shè)備環(huán)境濕度和設(shè)備操作溫度為關(guān)鍵參數(shù)。

表2 設(shè)備的CLSCC敏感性Tab.2 CLSCC susceptibility of device

結(jié)合設(shè)備的CLSCC敏感性，通過表3確定設(shè)備在外部環(huán)境中的CLSCC嚴(yán)重程度指數(shù)（SⅥ）。

表3 外部環(huán)境中設(shè)備的SⅥTab.3 SⅥof the device in external environment

根據(jù)表1中設(shè)備檢驗(yàn)次數(shù)和有效性類別，結(jié)合SⅥ值，根據(jù)API581－2008標(biāo)準(zhǔn)中PART 2部分Table 7.9～7.4，得出壓力容器保溫層下外部應(yīng)力腐蝕損傷基礎(chǔ)系數(shù)DfB，CUI-CLSCC。再由式（4）計(jì)算保溫層下外部應(yīng)力腐蝕損傷系數(shù)DfB，CUI-CLSCC。

采用式（5）和（6）計(jì)算由壓力容器外部所接支管振動造成的壓力容器機(jī)械疲勞基礎(chǔ)損傷系數(shù)和機(jī)械疲勞損傷系數(shù)。

式中：Df，mfat為機(jī)械疲勞損傷系數(shù)；DfB，mfat為機(jī)械疲勞基礎(chǔ)損傷系數(shù)；DfB，PF為基于以前已經(jīng)發(fā)生過的失效次數(shù)確定的早期失效基礎(chǔ)損傷系數(shù)；DfB，AS為基于振動數(shù)量或管道中發(fā)現(xiàn)的噪音確定的振動基礎(chǔ)損傷系數(shù)；FfB，AS為基于振動的間歇循環(huán)確定的調(diào)整因子；DfB，CF為基于管道50英尺（1 524 cm）范圍內(nèi)直接或間接連接的循環(huán)應(yīng)力類型確定的周期載荷類型基準(zhǔn)損傷系數(shù)；α為機(jī)械疲勞因子，由設(shè)備相關(guān)措施調(diào)整因子、管道復(fù)雜度和狀態(tài)調(diào)整因子、支管設(shè)計(jì)或接頭類型和支管直徑調(diào)整因子確定。

壓力容器的總體損傷系數(shù)按式（7）計(jì)算：

式中：Df-total為容器總體損傷系數(shù)；Df-gov，thin為容器總體減薄損傷系數(shù)；Df-gov，extd為容器總體外部損傷系數(shù)；Df-gov，scc為容器總的應(yīng)力腐蝕開裂損傷系數(shù)。

3 失效概率計(jì)算理論

失效概率按式（8）計(jì)算

式中：Pf（t）為失效概率；gff為通用失效概率；Df（t）為損傷系數(shù)；FMS為管理系統(tǒng)系數(shù)。

設(shè)備通用失效概率由設(shè)備失效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到，若統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足，可參考API 581－2008標(biāo)準(zhǔn)提供的通用失效概率數(shù)據(jù)，如表4所示。

管理系統(tǒng)系數(shù)FMS采用調(diào)查和概率統(tǒng)計(jì)的方法確定。該方法由企業(yè)各部門對企業(yè)內(nèi)部各大問題進(jìn)行打分得到分?jǐn)?shù)S，再運(yùn)用式（9）、（10）轉(zhuǎn)換為管理系統(tǒng)系數(shù)FMS。

表4 通用失效概率推薦值Tab.4 Suggested values of generic failure frequencies

4 失效經(jīng)濟(jì)后果計(jì)算理論

失效經(jīng)濟(jì)后果計(jì)算考慮以下5種因設(shè)備失效導(dǎo)致的直接成本：

1）設(shè)備檢修或更換成本FCcmd；

2）設(shè)備失效影響區(qū)域中其他設(shè)備的破壞成本FCaffa；

3）介質(zhì)泄漏和由于設(shè)備檢修或更換所導(dǎo)致的停工成本FCprod；

4）設(shè)備失效導(dǎo)致的人員傷害成本FCinj；

5）環(huán)境清理成本FCenviron。

設(shè)備檢修或更換成本FCcmd按式（11）計(jì)算：

式中：Chn為第n種泄漏孔導(dǎo)致的設(shè)備破壞成本，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如 API 581-PART 3-Table5.14～5.15所示；gffn為容器第n種孔徑下的通用失效概率；gfftotal為容器整體的通用失效概率；Cm為材料價(jià)格系數(shù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如 API 581-PART-Table5.14～5.16所示。

設(shè)備檢修或更換所導(dǎo)致的停工成本FCprod需要根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)確定。

5 風(fēng)險(xiǎn)可接受矩陣

由制定的風(fēng)險(xiǎn)可接受矩陣來判斷風(fēng)險(xiǎn)等級。中海油的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則如圖2所示。

6 工程實(shí)例

曹妃甸某海上平臺三臺立式撇油器（02-V-2610A／B／C）和三臺立式氣浮器（02-V-2630A／B／C）于2004年投用，2016年11月對壓力容器進(jìn)行內(nèi)部檢測，檢測數(shù)據(jù)見表5。

壓力設(shè)備的現(xiàn)場腐蝕情況見圖3，三組壓力容器的工藝參數(shù)及壁厚如表6所示。

評估時(shí)間tage＝0.5 a，按上述理論公式計(jì)算三組壓力容器的失效概率，結(jié)果見表7。

圖2 基于經(jīng)濟(jì)損失失效后果的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則Fig.2 Risk acceptance criteria based on economic loss consequences

取材料價(jià)格系數(shù)為Cm＝2.6。理論計(jì)算檢修或更換成本FCcmd為3.1（萬美元）。

作業(yè)方表示，曹妃甸作業(yè)區(qū)油田上的三組罐中，若任一組罐損壞，只會導(dǎo)致油田部分生產(chǎn)井關(guān)停，不會導(dǎo)致整個油田停產(chǎn)，具體經(jīng)濟(jì)損失如下：每組罐（撇油＋浮選）維修按照停產(chǎn)10 d考慮；產(chǎn)量損失按照700 m3／d計(jì)算；每桶油按60美元計(jì)算，造成的經(jīng)濟(jì)損失如下：設(shè)備檢修或更換所導(dǎo)致的停工成本FCprod＝264.3萬美元；總經(jīng)濟(jì)損失267.4萬美元。

7 結(jié)論

表5 立式撇油器和立式浮選器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)Tab.5 Design and operating parameters of vertical oil skimmers and vertical flotations

（1）基于API 581標(biāo)準(zhǔn)的腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法更簡便且易于工程案例計(jì)算，此方法能實(shí)現(xiàn)對腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確定量評估，適用于海上平臺壓力容器等靜設(shè)備的腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評估；

圖3 壓力設(shè)備發(fā)現(xiàn)場腐蝕情況Fig.3 On-site corrosion of pressure equipment

（2）對曹妃甸某平臺壓力容器進(jìn)行考察和評估，結(jié)果表明腐蝕是壓力容器失效的主要原因。即使設(shè)備存在嚴(yán)密的保溫層，也可能存在嚴(yán)重的外部腐蝕。在對平臺設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，要定期要求業(yè)主實(shí)行拆保溫層檢驗(yàn)，防止設(shè)備由于保溫層隔絕，錯誤判斷設(shè)備的腐蝕和風(fēng)險(xiǎn)情況；

（3）采用風(fēng)險(xiǎn)可接受矩陣判定曹妃甸某平臺壓力容器半年后的風(fēng)險(xiǎn)等級為重大風(fēng)險(xiǎn)，建議立即采取修復(fù)措施，以防重大風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生；

（4）現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)，對存在腐蝕問題的設(shè)備，可以先參照本方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，在業(yè)主可接受的風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，對設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行判定。對低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備可以通過重點(diǎn)監(jiān)控、改善設(shè)備工作環(huán)境、維護(hù)保養(yǎng)等措施來取代停產(chǎn)維修，進(jìn)而更好地控制風(fēng)險(xiǎn)、降低生產(chǎn)成本；

（5）通過業(yè)主的風(fēng)險(xiǎn)可接受情況確定下一步檢驗(yàn)周期對平臺控制風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)具有重要意義。下一步可以重點(diǎn)研究設(shè)備基于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)確定其檢驗(yàn)周期。

表6 三組壓力容器的現(xiàn)場工藝參數(shù)及壁厚Tab.6 On-site process parameters and wall thicknessof three sets of pressure vessels

表7 三組壓力容器的失效概率Tab.7 Failure probability of three sets of pressure vessels