海上平臺(tái)壓力容器RBI評(píng)估技術(shù)

陳剛，張充霖 (中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，天津 300452)

0 引言

海上壓力容器是海洋油氣生產(chǎn)、處理和儲(chǔ)存的重要設(shè)備，由于外部環(huán)境及容器內(nèi)部介質(zhì)的雙重作用，海上壓力容器在生產(chǎn)使用過程中面臨腐蝕減薄及應(yīng)力集中開裂等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生泄漏或斷裂極有可能釀成火災(zāi)、爆炸及環(huán)境污染等重大事故，使生命及財(cái)產(chǎn)遭受嚴(yán)重?fù)p失，因此定期開展海上壓力容器檢驗(yàn)和評(píng)估已成為迫切需求。

1 RBI評(píng)估技術(shù)

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)，即Risk based Inspection技術(shù)，是以可能發(fā)生介質(zhì)泄漏而損壞的設(shè)備為分析對(duì)象，以設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)為主要手段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理過程。對(duì)比傳統(tǒng)的檢驗(yàn)檢測(cè)方法，RBI技術(shù)通過計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的經(jīng)濟(jì)、安全方面潛在的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)不同的失效機(jī)理確定相應(yīng)的檢驗(yàn)策略以指導(dǎo)檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：設(shè)備的失效風(fēng)險(xiǎn)平均分配，約80%～90%的風(fēng)險(xiǎn)由10%～20%的設(shè)備承擔(dān)[1-2]。

傳統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù)和RBI檢驗(yàn)技術(shù)的比較如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)檢驗(yàn)和RBI的比較

從上圖可以看出：

(1)完成同等程度的檢驗(yàn)，RBI的風(fēng)險(xiǎn)要小于傳統(tǒng)檢驗(yàn)；

(2)在同等風(fēng)險(xiǎn)水平上，RBI的檢驗(yàn)量要小于傳統(tǒng)檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法對(duì)于檢查設(shè)備使用狀況和確保設(shè)備的完整性而言至關(guān)重要，但對(duì)于準(zhǔn)確估計(jì)后續(xù)檢驗(yàn)工作量來說難度很大。RBI技術(shù)將設(shè)備在使用期間可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)備在役檢驗(yàn)相聯(lián)系。采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法，將流程中全部的設(shè)備按風(fēng)險(xiǎn)高低進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，按照其損傷的特點(diǎn)，采用針對(duì)性檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，從而顯著降低設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某海上平臺(tái)為例進(jìn)行RBI評(píng)估分析。平臺(tái)容器共7臺(tái)(如表1所示)，評(píng)估軟件為Synergi Plant RBI Offshore軟件。

表1 容器清單

2.1 建立RBI數(shù)據(jù)庫(kù)

建立RBI數(shù)據(jù)庫(kù)包括資料搜集與數(shù)據(jù)采集。資料收集主要包括以下資料：

(1)設(shè)計(jì)、竣工資料：主要包括容器竣工圖、計(jì)算書、質(zhì)量證明書、檢驗(yàn)資料、現(xiàn)場(chǎng)銘牌及設(shè)備和中控流程圖照片等；

(2)工藝資料：主要包括容器的操作壓力、操作溫度、工藝流程圖、PID圖、出口及入口的介質(zhì)、流速、取樣處化學(xué)分析報(bào)告等；

(3)操作資料：包括操作規(guī)程與操作運(yùn)行記錄；

(4)腐蝕調(diào)查：包括關(guān)鍵設(shè)備、潛在失效模式和以往發(fā)生事故及事故原因；

(5)后果相關(guān)資料：包括設(shè)備資產(chǎn)明細(xì)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙、平臺(tái)人數(shù)、維修成本和停產(chǎn)損失等。

數(shù)據(jù)采集是指從搜集到的資料中進(jìn)行提取和整合，即依據(jù)PFD圖，了解和掌握整個(gè)裝置的工藝流程和關(guān)斷設(shè)置，進(jìn)行RBI分析的設(shè)備將根據(jù)PID輸入，按照工藝流程順序輸入到數(shù)據(jù)采集表中，數(shù)據(jù)錄入前須審核數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及相關(guān)數(shù)據(jù)的一致性，并整理成RBI計(jì)算專用數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 可疑區(qū)劃分

對(duì)于可疑區(qū)劃分，原則如下：當(dāng)某隔離段的容器或接管失效泄漏時(shí)，只有此存量組中的物料會(huì)泄漏，其它隔離段中物料由于緊急切斷裝置的作用而不會(huì)泄漏。因此，任意隔離段中容器或接管發(fā)生失效時(shí)，其失效后果按照該段內(nèi)的物流泄漏量及泄漏速率進(jìn)行計(jì)算。

2.3 后果區(qū)劃分

海洋平臺(tái)作為一個(gè)龐大的油氣生產(chǎn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一系列完整的生產(chǎn)過程，而各個(gè)分系統(tǒng)又可獨(dú)立劃分為單獨(dú)的生產(chǎn)系統(tǒng)。海洋平臺(tái)平面圖為進(jìn)行后果區(qū)域劃分的基礎(chǔ)，防爆墻的防爆等級(jí)和設(shè)置位置決定了后果區(qū)域的劃分方式，一般做法是將防爆等級(jí)為A60以上的防爆墻當(dāng)作后果區(qū)域的劃分依據(jù)。

2.4 腐蝕回路劃分

腐蝕回路的劃分原則是將腐蝕機(jī)理相同 (材料、介質(zhì)相同，溫度在同一腐蝕機(jī)理范圍內(nèi)、保溫情況相同) 且彼此相連的設(shè)備劃分為一個(gè)腐蝕回路。根據(jù)海上平臺(tái)容器腐蝕機(jī)理及腐蝕機(jī)理識(shí)別方法，結(jié)合物流數(shù)據(jù)和相關(guān)流程、最新介質(zhì)取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)、腐蝕分析報(bào)告、設(shè)備的材質(zhì)和介質(zhì)、操作壓力和操作溫度，最終判斷壓力容器的腐蝕類別并劃分腐蝕回路。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.5.1 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算原理

容器的風(fēng)險(xiǎn)有兩部分組成：一個(gè)是評(píng)價(jià)單元的失效概率；另一個(gè)是評(píng)價(jià)單元的失效后果。風(fēng)險(xiǎn)R(t)的計(jì)算公式如下所示：

式中：Pf(t)為失效概率，反映了容器預(yù)期的失效可能性大小；C(t)為失效后果。

以上可見，風(fēng)險(xiǎn)是時(shí)間累積的函數(shù)，隨著壁厚減薄、裂紋或其它損傷機(jī)理在運(yùn)行時(shí)間上的積累，損傷因子逐漸增大。當(dāng)設(shè)備或單元存在多個(gè)損傷機(jī)理時(shí)，各損傷機(jī)理分別計(jì)算，得到一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)比各損傷機(jī)理對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，選取最高的風(fēng)險(xiǎn)作為該設(shè)備或單元的風(fēng)險(xiǎn)。

文章利用Synergi Plant RBI Offshore軟件進(jìn)行定量分析時(shí)，從經(jīng)濟(jì)損失大小和安全水平高低對(duì)容器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果以經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)的形式體現(xiàn)。

2.5.2 可能性計(jì)算

RBI分析對(duì)失效可能性的計(jì)算是設(shè)定設(shè)備的損傷速度超過預(yù)期值即可能發(fā)生未預(yù)料的災(zāi)難性事故，并根據(jù)檢驗(yàn)方法對(duì)檢出各種不同形式損傷及損傷速率的有效性來確定置信度。失效可能性采用極限狀態(tài)分析與可靠性指數(shù)法求得。

損傷速率模型可分為四類，即可忽略模型、未知模型、速率模型和敏感性模型。

2.5.3 失效后果計(jì)算

失效后果按照泄漏流體物料的性質(zhì)與數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，物料泄出量與泄出速率的影響因素為失效孔徑大小、操作壓力以及流體粘度與密度。設(shè)備常見的失效機(jī)理易導(dǎo)致在每一設(shè)備中發(fā)生泄漏，中等孔或大孔的失效、或發(fā)生破裂，須分別對(duì)各種失效形式進(jìn)行計(jì)算，分析失效后果，再根據(jù)不同失效形式所造成后果的加權(quán)影響計(jì)算總的后果大小。

2.5.4 風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

文章風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則如下所示：

——安全可接受風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則以PLL表示，每年每部件0.000001；

——經(jīng)濟(jì)可接受風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則以經(jīng)濟(jì)損失表示，每年每部件USD3000。

2.5.5 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)排序，采用了5×5矩陣圖的方法，縱向失效可能性按失效可能性系數(shù)劃分1、2、3、4、5五個(gè)等級(jí)，橫向失效后果按失效后經(jīng)濟(jì)損失或安全影響劃分為A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)。經(jīng)過計(jì)算，得到容器的經(jīng)濟(jì)和安全風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖2和3所示。

圖2 當(dāng)前經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)

圖3 當(dāng)前安全風(fēng)險(xiǎn)

2.5.6 風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算分析及匯總，得到每臺(tái)容器最嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。平臺(tái)容器中不存在極高風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)和極低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備；風(fēng)險(xiǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有3臺(tái)，分別為計(jì)量加熱器EH-1301、生產(chǎn)加熱器EH-2001、生產(chǎn)分離器V-2001；風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有4臺(tái)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)文章共詳細(xì)分析了7臺(tái)壓力容器，共劃分為109個(gè)評(píng)價(jià)單元。

(2)基于安全和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，容器中不存在極高風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)和極低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備；風(fēng)險(xiǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有3臺(tái)，分別為計(jì)量加熱器EH-1301、生產(chǎn)加熱器EH-2001、生產(chǎn)分離器V-2001；風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有4臺(tái)。

(3)平臺(tái)容器的驅(qū)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)水平變化的主要腐蝕機(jī)理是外部腐蝕、水腐蝕和微生物腐蝕。針對(duì)外部腐蝕，應(yīng)加強(qiáng)日常巡檢檢查設(shè)備的保溫覆蓋情況，發(fā)生破損應(yīng)對(duì)外部涂層進(jìn)行檢查并將設(shè)備恢復(fù)到完全保護(hù)的狀態(tài)。此外還應(yīng)定期對(duì)重點(diǎn)部位的外涂層進(jìn)行開孔監(jiān)測(cè)，保證外部涂層隨時(shí)處于完整的狀態(tài)。針對(duì)微生物腐蝕，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備內(nèi)流速較低區(qū)域和死角的監(jiān)測(cè)，通過在確認(rèn)存在微生物腐蝕的流程中添加殺菌劑來控制微生物的繁殖。針對(duì)水腐蝕，建議控制碳鋼材質(zhì)容器內(nèi)海水、閉排水的流速在合理范圍，并在容器內(nèi)表面涂敷內(nèi)部涂層，使被保護(hù)表面與介質(zhì)機(jī)械隔離而控制水腐蝕。