基于RBI的輸氣站場(chǎng)分離器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

王洪波，陳宇光，秦曉東，楊小璇，梁昌晶

(1. 中國(guó)石油新疆油田公司 吉慶油田作業(yè)區(qū)，新疆 吉木薩爾 831700；2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸分公司 長(zhǎng)沙輸氣分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3. 中國(guó)石油吐哈油田分公司 工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計(jì)所，新疆 哈密 839009；4. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然氣作為低成本清潔能源在一次能源消費(fèi)中的占比不斷提高，采用長(zhǎng)輸管道運(yùn)送天然氣是較為經(jīng)濟(jì)合理的方式。但在管道輸送過(guò)程中天然氣?；煊泄腆w顆粒、粉塵、水和液態(tài)烴等物質(zhì)，在經(jīng)過(guò)分輸站、清管站或末站時(shí)，需要去除氣源中的雜質(zhì)以減緩對(duì)站內(nèi)設(shè)備及工藝管道的腐蝕、沖刷，保證下游氣源的安全可靠。除上游氣源發(fā)生中斷等特殊工況，分離器將一直處于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，且受高壓和交變載荷的影響，如按常規(guī)檢測(cè)方式進(jìn)行，容易造成過(guò)檢驗(yàn)，同時(shí)檢測(cè)具有盲目性。

目前，對(duì)于輸氣站場(chǎng)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有事故樹(shù)分析、危險(xiǎn)與可操作分析、模糊綜合評(píng)價(jià)法等，但均借助專家判斷，應(yīng)用物理模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，無(wú)法針對(duì)分離器面臨的風(fēng)險(xiǎn)提出風(fēng)險(xiǎn)減緩措施及優(yōu)化檢驗(yàn)周期，缺少對(duì)站場(chǎng)靜設(shè)備的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全管理。因此，以API 581： 2016《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)》為模板，采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)RBI(risk based inspection)技術(shù)的基本原理和操作流程，以及威布爾分布函數(shù)修正同類設(shè)備失效概率，基于應(yīng)力-干涉原理改進(jìn)設(shè)備修正系數(shù)，建立輸氣站場(chǎng)分離器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，以期對(duì)該類設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 RBI技術(shù)原理

RBI技術(shù)是通過(guò)追求系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上建立的優(yōu)化檢驗(yàn)策略方法，是提高設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠性的手段，主要針對(duì)靜設(shè)備如儲(chǔ)罐、分離器、換熱器、工藝管道等。

RBI技術(shù)最早由挪威船級(jí)社提出，用于研究海油平臺(tái)設(shè)備可靠性及完整性管理，2009年國(guó)家質(zhì)檢總局將RBI技術(shù)加入壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備安全監(jiān)察規(guī)程中，通過(guò)檢驗(yàn)10%～20%的設(shè)備來(lái)識(shí)別70%～80%的風(fēng)險(xiǎn)，滿足“28準(zhǔn)則”，以防止欠檢驗(yàn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和過(guò)檢驗(yàn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)計(jì)算失效概率和失效后果，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣識(shí)別哪些設(shè)備應(yīng)在1個(gè)周期內(nèi)被重點(diǎn)關(guān)注。

2 失效概率計(jì)算

根據(jù)站場(chǎng)工藝流程圖、PID圖、安全儀表系統(tǒng)圖、維護(hù)維修記錄、歷史檢驗(yàn)記錄等信息，將其整合形成RBI集成數(shù)據(jù)庫(kù)。分離器失效概率F的計(jì)算如式(1)所示：

F=FAFEFM

(1)

式中：FA——同類設(shè)備失效概率；FE——設(shè)備修正系數(shù)；FM——管理修正系數(shù)。

2.1 同類設(shè)備失效概率修正

API 581： 2016中給出了不同設(shè)備在4種泄漏孔徑下的失效概率，但該數(shù)據(jù)庫(kù)源于國(guó)外石化行業(yè)，且每臺(tái)分離器的設(shè)備參數(shù)、管理手段不一致，即使同一分離器在不同的運(yùn)行工況下的失效概率也不同，因此機(jī)械的采用規(guī)范中的失效概率并不適用，需要對(duì)其進(jìn)行修正。根據(jù)分析，失效概率是關(guān)于時(shí)間t的模型，因此采用威布爾分布函數(shù)進(jìn)行修正，主要是利用極大似然估計(jì)法估計(jì)形狀參數(shù)α和尺度參數(shù)β，如式(2)所示：

(2)

(3)

采用牛頓迭代法計(jì)算出α和β，代入式(4)求出失效概率FA：

(4)

式中：F(t)——失效概率分布函數(shù)；Fρ(t)——失效概率密度函數(shù)。

基于同類型站場(chǎng)及分離器過(guò)去5年的設(shè)計(jì)、制造、維修、檢驗(yàn)、運(yùn)行記錄，得到形狀參數(shù)α=2.579，由于分離器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量較大，無(wú)法獲得截尾數(shù)據(jù)，在此采用同年平均失效概率計(jì)算β，根據(jù)α和β修正后的同類設(shè)備失效概率見(jiàn)表1所列。經(jīng)過(guò)修正后發(fā)現(xiàn)失效概率比API 581： 2016中的概率略大，也證明了規(guī)范給出的概率偏保守。

表1 修正后的同類設(shè)備失效概率

2.2 設(shè)備修正系數(shù)改進(jìn)

FE主要反映實(shí)際失效概率與FA的偏差程度，由損傷因子、通用因子、機(jī)械因子和工藝因子組成，由于之前修正了FA，故不可用API 581： 2016中的損傷因子評(píng)價(jià)表，需要重新計(jì)算損傷因子。由于在之前的檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，根據(jù)損傷機(jī)理，主要考慮腐蝕減薄、外部損傷和機(jī)械疲勞三部分，損傷因子D總為每個(gè)損傷機(jī)理Di的和，如式(5)所示：

(5)

其中，腐蝕減薄是影響分離器失效的主要因素，腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為全面腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕。根據(jù)材料力學(xué)的原理，隨著服役年限的延長(zhǎng)，當(dāng)施加在設(shè)備上載荷L大于設(shè)備所能承受的抗力載荷R時(shí)，設(shè)備失效，引發(fā)穿孔泄漏。其中R和L服從正態(tài)分布曲線，在某些區(qū)域相交，相交區(qū)域?yàn)楦缮鎱^(qū)，可能發(fā)生失效。采用應(yīng)力-干涉理論，判斷設(shè)備是否處于安全狀態(tài)時(shí)采用極限狀態(tài)函數(shù)Z表示，Z為g的函數(shù)如式(6)所示：

Z=g(R，L)=R-L

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：S——流變應(yīng)力，MPa；c——腐蝕速率，mm/a，為壁厚對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，由之前的檢測(cè)數(shù)據(jù)獲得；t——分離器服役時(shí)間，a；σs，σμ——屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，MPa；p——操作壓力，MPa；d——內(nèi)徑，mm；h——壁厚，mm。

應(yīng)力-干涉理論計(jì)算的失效概率沒(méi)有考慮設(shè)備檢驗(yàn)有效性的影響，有效的檢驗(yàn)可以在設(shè)備失效之前采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，提高對(duì)損傷速率的預(yù)測(cè)精度。腐蝕減薄損傷因子D1如式(10)所示：

(10)

式中：F(A/Bi)——經(jīng)一次檢驗(yàn)后，在破壞狀態(tài)i下因腐蝕減薄造成的失效概率；F(Bi)——在破壞狀態(tài)i下因腐蝕減薄造成的理論失效概率。

根據(jù)檢測(cè)到的腐蝕速率，由式(6)～式(9)計(jì)算3種破壞狀態(tài)下的F(Bi)，分別為1倍腐蝕速率、2倍腐蝕速率和4倍腐蝕速率，經(jīng)一次檢驗(yàn)后，根據(jù)不同破壞狀態(tài)的檢驗(yàn)有效性置信度指標(biāo)確定F(A/Bi)，見(jiàn)表2所列；最后，根據(jù)式(10)計(jì)算D1，確定腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

表2 一次檢驗(yàn)后不同破壞狀態(tài)下的檢驗(yàn)有效性

外部損傷主要為外防腐、外涂層的破損或脫落，外部損傷因子的修正系數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 外部損傷因子修正系數(shù)

通用因子包括裝置條件、天氣狀況和地震活動(dòng)三方面。裝置條件是評(píng)估人員評(píng)定分離器的外觀、容量、設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求；天氣狀況是天氣寒冷是否會(huì)給設(shè)備造成結(jié)霜、結(jié)冰等現(xiàn)象，影響設(shè)備正常運(yùn)行；地震活動(dòng)主要從地震烈度上評(píng)定對(duì)分離器運(yùn)行的影響程度，數(shù)值為三個(gè)方面評(píng)定結(jié)果的代數(shù)和，見(jiàn)表4所列。

表4 通用因子及評(píng)定數(shù)值

機(jī)械因子包括設(shè)備復(fù)雜性、建造規(guī)范、壽命周期和安全系數(shù)四個(gè)方面。設(shè)備復(fù)雜性以分離器配管的數(shù)量評(píng)定；建造規(guī)范是看設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段對(duì)最新規(guī)范的符合性，如持續(xù)改進(jìn)，可降低失效概率；壽命周期遵循“浴盆曲線”，分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期三部分，其中早期失效期和損耗失效期的失效概率較大；安全系數(shù)與系統(tǒng)的運(yùn)行壓力和設(shè)計(jì)壓力有關(guān)，數(shù)值為四個(gè)方面評(píng)定結(jié)果的代數(shù)和，見(jiàn)表5所列。

表5 機(jī)械因子及評(píng)定數(shù)值

工藝因子包括連續(xù)性、穩(wěn)定性和泄壓閥三個(gè)方面，其中連續(xù)性從計(jì)劃停車和非計(jì)劃停車兩個(gè)方面考慮，以每年停車次數(shù)評(píng)定失效概率，由于分離器只有在檢修的時(shí)候才發(fā)生計(jì)劃停車，次數(shù)較少，在此只考慮非計(jì)劃停車狀態(tài)；工藝穩(wěn)定性對(duì)連續(xù)性有很大影響，長(zhǎng)期保持較高的工藝穩(wěn)定性可減少非計(jì)劃停車次數(shù)；泄壓閥可防止設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，是最為重要的安全附件，必須保證按時(shí)開(kāi)啟、穩(wěn)態(tài)排放、密封有效，數(shù)值為三個(gè)方面評(píng)定結(jié)果的代數(shù)和，見(jiàn)表6所列。

表6 工藝因子及評(píng)定數(shù)值

2.3 管理修正系數(shù)

管理修正系數(shù)主要評(píng)價(jià)所在企業(yè)對(duì)設(shè)備完整性的管理水平，對(duì)于分離器這類存放易燃易爆介質(zhì)的壓力容器具有重要意義，API 581： 2016收集了23家國(guó)內(nèi)外大型石油石化行業(yè)管理手冊(cè)，定義了13類101個(gè)問(wèn)題進(jìn)行專家打分，根據(jù)得分結(jié)果對(duì)照修正系數(shù)圖計(jì)算FM。

3 實(shí)例計(jì)算

以國(guó)內(nèi)某輸氣站場(chǎng)多管式旋風(fēng)分離器為例，按照以上評(píng)估方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，分離器采用Q245鋼，設(shè)計(jì)壁厚為28 mm，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，運(yùn)行壓力為8 MPa，投產(chǎn)時(shí)間為2010年，根據(jù)特種設(shè)備檢測(cè)規(guī)程，每6 a進(jìn)行一次全面檢測(cè)，采用超聲波測(cè)試壁厚減薄情況，均勻腐蝕速率為0.035 mm/a，防腐層及配管對(duì)焊處出現(xiàn)不同程度的局部腐蝕，局部腐蝕速率為0.135 mm/a，最大點(diǎn)蝕坑深度為2.34 mm。

按照極端情況測(cè)算同類設(shè)備失效概率為6.63×10-5。按照應(yīng)力-干涉原理計(jì)算腐蝕減薄因子為1.95，外部損傷因子為1.5，機(jī)械疲勞因子為3，通用因子為1(按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件根據(jù)表4進(jìn)行取值，其中分離器裝置條件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)持平，數(shù)值為0，天氣狀況數(shù)值為1，輸氣站場(chǎng)所處區(qū)域?yàn)榉堑卣鸹顒?dòng)帶，數(shù)值為0)，機(jī)械因子為-1(根據(jù)表5進(jìn)行取值，其中配管數(shù)為4，數(shù)值為-1，建造規(guī)范滿足最新版本要求，數(shù)值為0，已消耗壽命30%，數(shù)值為0，運(yùn)行壓力/設(shè)計(jì)壓力=0.8，數(shù)值為0)，工藝因子為3(根據(jù)表6進(jìn)行取值，其中非計(jì)劃停車3.5次/a，數(shù)值為2，穩(wěn)定性等級(jí)與平均值持平，數(shù)值為0，泄壓閥延期維護(hù)比例小于3%，數(shù)值為-1，泄壓閥有小部分結(jié)垢，數(shù)值為2)。綜上所述，F(xiàn)E=9.45。

對(duì)管理問(wèn)題進(jìn)行打分，F(xiàn)M=0.68，故所評(píng)價(jià)的F=6.63×10-5×9.45×0.68=4.26×10-4，根據(jù)失效可能性等級(jí)劃分屬于Ⅲ級(jí)。

分離器泄漏主要介質(zhì)為天然氣和凝析油，后果包括蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散、油池火、噴射火、閃火、閃燃等，每種后果均為事件連續(xù)發(fā)生的結(jié)果，參考特定事件發(fā)生的概率，定義介質(zhì)泄漏且發(fā)生上述后果的概率為40%；根據(jù)環(huán)境大氣壓與分離器運(yùn)行壓力的比值，確定泄放屬于音速泄放，計(jì)算泄漏量；根據(jù)泄漏量和泄放速度，確定為瞬時(shí)泄放，根據(jù)影響因素分析，以泄漏量為自變量，設(shè)備破壞面積和人員傷亡面積為因變量進(jìn)行線性擬合，見(jiàn)式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

式中：qm——泄漏量，kg/min；A1——設(shè)備破壞面積，m2；A2——人員傷亡面積，m2。

由此計(jì)算，qm=95.89 kg/s=5 753.4 kg/min，代入式(11)，式(12)計(jì)算，得到設(shè)備破壞面積A1=137.48 m2，人員傷亡面積A2=265.04 m2，根據(jù)失效后果等級(jí)劃分為3級(jí)。放入5×5的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣中，確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)水平為較高風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)評(píng)定結(jié)果，失效可能性等級(jí)大于等于Ⅲ級(jí)，則檢驗(yàn)周期由原先的6 a縮減為2～3 a，且根據(jù)分離器的損傷機(jī)理制定內(nèi)壁和外壁的檢驗(yàn)機(jī)制，其中內(nèi)壁以宏觀檢查為主，并對(duì)焊接部位采用滲透或磁粉檢測(cè)，外壁以超聲或射線掃描為主，對(duì)焊接部位采用滲透或磁粉檢測(cè)。

4 結(jié) 論

1)采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)，參照API 581： 2016規(guī)范，對(duì)輸氣站場(chǎng)分離器進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并按照評(píng)價(jià)等級(jí)，調(diào)整了檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)策略。

2)采用威布爾分布函數(shù)修正FA，基于應(yīng)力-干涉原理改進(jìn)FE，改進(jìn)后的定量評(píng)價(jià)結(jié)果更符合中國(guó)站場(chǎng)設(shè)備，提高了站場(chǎng)完整性管理水平。