海上平臺(tái)壓力容器基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法

王 健，陳 濤，張少洋

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著我國(guó)陸上油田逐步進(jìn)入開(kāi)發(fā)衰退期，油田增量不足，目前陸上發(fā)現(xiàn)新油氣田的概率非常小，近十年來(lái)發(fā)現(xiàn)的大型油氣田60%位于海洋。我國(guó)雖然石油資源豐富，但目前開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)低于世界水平，在目前天然氣緊缺與能源安全戰(zhàn)略下，加強(qiáng)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)將成為重中之重[1]。近些年來(lái)我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)步伐加快，海上平臺(tái)數(shù)量急劇增長(zhǎng)，壓力容器作為海上平臺(tái)重要的油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)施之一，其服役環(huán)境含鹽量高、濕度大，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。海上壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)一直是特種設(shè)備安全監(jiān)管的重要內(nèi)容，對(duì)其檢驗(yàn)方法可靠性要求更高。

1 海上壓力容器損傷模式

海上平臺(tái)壓力容器與陸上壓力容器制造工藝相同，但所處海洋環(huán)境相對(duì)陸上更為惡劣，空氣濕度大、含鹽量高，同時(shí)海上壓力容器的服役溫度高、運(yùn)行壓力大、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，這些增加了海上平臺(tái)壓力容器發(fā)生故障和失效的風(fēng)險(xiǎn)[2]。由于海上壓力容器服役環(huán)境的復(fù)雜性，損傷模式多種多樣，通過(guò)對(duì)渤海某海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以下為4 種較為常見(jiàn)的壓力容器損傷模式。

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕也稱為全面腐蝕，是最常見(jiàn)壓力容器腐蝕損傷模式之一，壓力容器在腐蝕環(huán)境中其表面或內(nèi)部由于化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的均勻減薄，通常表現(xiàn)為在其暴露的表面或大部分面積上均勻地覆蓋著腐蝕產(chǎn)物膜（圖1）。

圖1 海上生產(chǎn)分離器外部的均勻腐蝕

1.2 電偶腐蝕

電偶腐蝕又稱接觸腐蝕，是指當(dāng)一種不太活潑的金屬（陰極）和一種比較活潑的金屬（陽(yáng)極）在電解質(zhì)溶液中接觸時(shí)，因構(gòu)成腐蝕原電池而引發(fā)電流，從而造成（主要是陽(yáng)極金屬）電偶腐蝕。電偶腐蝕也稱雙金屬腐蝕或金屬接觸腐蝕。由于壓力容器本體與管線材料不同，在管線與壓力容器連接處往往會(huì)出現(xiàn)壓力容器或管線的腐蝕。

1.3 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是金屬結(jié)構(gòu)在內(nèi)部殘存應(yīng)力和外部拉伸應(yīng)力的持續(xù)作用下產(chǎn)生的嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。海上壓力容器往往由低合金鋼焊接而成，在焊接接頭處由于焊接應(yīng)力的存在，在海洋環(huán)境中極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕（圖2）。

圖2 海上生產(chǎn)分離器封頭焊縫處的腐蝕

1.4 保溫層下腐蝕

保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，CUI）是指發(fā)生在包裹保溫材料的管道或設(shè)備外表面上的一種腐蝕現(xiàn)象。一般是由于冷凝水分或雨水進(jìn)入到保溫系統(tǒng)而導(dǎo)致管道或設(shè)備外表面的局部腐蝕。當(dāng)保溫系統(tǒng)下面存在濕氣時(shí)，由碳錳、低合金和奧氏體不銹鋼等材料制成的管道極易發(fā)生電化、點(diǎn)蝕、應(yīng)力開(kāi)裂和縫隙腐蝕。由于腐蝕表面被保溫層覆蓋，所以保溫層下腐蝕一般很難被檢測(cè)到。由于海上壓力容器多數(shù)為露天放置，長(zhǎng)時(shí)間受到海上含鹽濕氣及雨水的侵蝕，其保溫層下腐蝕往往比陸地要嚴(yán)重很多（圖3）。

圖3 海上換熱器的保溫層下腐蝕

2 海上平臺(tái)壓力容器傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法

海上壓力容器的傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法以臨時(shí)性檢驗(yàn)和計(jì)劃性檢驗(yàn)為主[3-4]。臨時(shí)檢驗(yàn)指在壓力容器發(fā)生事故或其他原因?qū)θ萜髟屑夹g(shù)條件造成損害以及產(chǎn)生影響安全的回復(fù)和修理時(shí)，使用者或所有者認(rèn)為有必要進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行的檢驗(yàn)。計(jì)劃性檢驗(yàn)是指參照相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定的定期檢驗(yàn)，目前海上壓力容器均遵循《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》《海上壓力容器檢驗(yàn)指南》的規(guī)定，根據(jù)定級(jí)情況確定檢驗(yàn)周期，具體包括年度檢驗(yàn)、全面檢驗(yàn)等，年度檢檢驗(yàn)內(nèi)容包括管理狀況檢查、壓力容器本體及運(yùn)行狀況檢查，檢查方法以外觀檢查為主；全面檢查包括資料審查、外觀檢查、容器聲發(fā)射檢測(cè)、壁厚檢測(cè)、內(nèi)腐蝕檢測(cè)、外表缺陷檢測(cè)、埋藏缺陷檢測(cè)、材質(zhì)檢查、安全附件檢查等內(nèi)容[5-8]。

傳統(tǒng)檢驗(yàn)時(shí)往往由于不清楚壓力容器的失效模式和失效機(jī)理，對(duì)需要重點(diǎn)檢驗(yàn)的部位不清楚，檢驗(yàn)時(shí)對(duì)壓力容器的重要程度考慮較少，檢測(cè)周期確定缺乏合理的依據(jù)，其不足主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）檢驗(yàn)不足。根據(jù)《海上壓力容器檢驗(yàn)指南》要求，年度檢驗(yàn)以宏觀檢驗(yàn)為主，對(duì)于微觀缺陷如裂紋很難通過(guò)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)。而全面檢驗(yàn)并非每年都開(kāi)展，且由于檢驗(yàn)重點(diǎn)不突出，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)，給海上壓力容器管理帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）過(guò)度檢驗(yàn)。傳統(tǒng)方法在對(duì)壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)所有的設(shè)備都采用相同的檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)，盲目追求全面，對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)不加區(qū)分，造成檢測(cè)資源的浪費(fèi)。

（3）缺乏分析。傳統(tǒng)檢測(cè)方法固定，未充分考慮到壓力容器服役年限導(dǎo)致的失效模式的改變[9]。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)最早由歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用在核工業(yè)；20 世紀(jì)80 年代，挪威船級(jí)社DNV 頒布使用RBI（Risk Based Inspection，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)）方法對(duì)壓力容進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；20 世紀(jì)90 年代，ASME 發(fā)布了相關(guān)RBI 的指導(dǎo)規(guī)范；2000 年美國(guó)石油工程師協(xié)會(huì)API 正式公布RBI 標(biāo)準(zhǔn)API 581。我國(guó)RBI 的研究工作起源于20 世紀(jì)90 年代末，并逐漸在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣和應(yīng)用[10-12]。

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)是以追求壓力容器安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一為理念，在對(duì)壓力容器固有的或潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險(xiǎn)排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保特種設(shè)備本質(zhì)安全和減少運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，建立一種優(yōu)化檢驗(yàn)方案的方法。

3.1 RBI 檢驗(yàn)策略

RBI 是一種以風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)，同時(shí)將風(fēng)險(xiǎn)和管理相結(jié)合的復(fù)雜技術(shù)，其檢驗(yàn)策略依據(jù)RBI 定量分析結(jié)果中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效機(jī)理來(lái)制定的。因此，在RBI 中風(fēng)險(xiǎn)也被定義為失效概率和失效后果的乘積，其表達(dá)式為：風(fēng)險(xiǎn)=失效概率×失效后果。

它在分析風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，綜合了國(guó)際上同類設(shè)備的失效可能性，同時(shí)又考慮具體設(shè)備的特殊性與設(shè)備管理水平，具有更好的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

在制定檢維修策略時(shí)，能夠根據(jù)識(shí)別出的可能失效模式選擇針對(duì)性的檢測(cè)方法，這種方法給設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中提供了很大的靈活性，能夠?qū)Ω呤Ш蠊案唢L(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備選擇更為全面的檢測(cè)方法，同時(shí)明確檢測(cè)內(nèi)容。

RBI 通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析，明確了占絕80%風(fēng)險(xiǎn)的20%的設(shè)備，能夠有針對(duì)性地將有限的資源集中到20%的設(shè)備上，減少了不必要的檢驗(yàn)，達(dá)到優(yōu)化檢驗(yàn)、減少開(kāi)支的目的。

3.2 海上壓力容器RBI 實(shí)施過(guò)程（圖4）

圖4 RBI 實(shí)施步驟

（1）收集設(shè)備的基本資料，資料包括設(shè)備的初始資料、操作手冊(cè)、規(guī)格書以及工藝流程圖等。

（2）根據(jù)收集的設(shè)備資料以及過(guò)往的檢驗(yàn)記錄和失效記錄，對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)高低做一個(gè)定性的分析。在分析過(guò)程中，特別應(yīng)注意一些重要的損傷機(jī)理，如內(nèi)部腐蝕、外部腐蝕、疲勞開(kāi)裂等，或其他設(shè)備失效時(shí)對(duì)人員、生產(chǎn)成本和周圍環(huán)境造成的傷害，依據(jù)這些內(nèi)容對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行粗略排序。

（3）利用RBI 軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分析，得出每一個(gè)失效機(jī)理的可能性和失效后果。

（4）根據(jù)分析結(jié)果，列出各設(shè)備的詳細(xì)失效可能性等級(jí)、后果等級(jí)以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并根據(jù)分析結(jié)果確定檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)策略。

4 RBI 在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

RBI 技術(shù)有助于設(shè)備管理者了解設(shè)備腐蝕機(jī)理及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分布，對(duì)提高設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理水平提供了很大幫助，但由于國(guó)情、行業(yè)的差異，其在我國(guó)具體應(yīng)用過(guò)程中還存在不少問(wèn)題。

4.1 設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失

在RBI 實(shí)施過(guò)程中，需要對(duì)壓力容器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)及檢維修情況等資料進(jìn)行收集和分析，但由于目前很多容器建造年代較早，我國(guó)在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期內(nèi)設(shè)備管理水平較低，相關(guān)建造改造資料缺失，檢維修資料不全，特別時(shí)對(duì)于海上的一些老齡平臺(tái)、FPSO（浮失液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置）等[13]，在開(kāi)展RBI 分析時(shí)對(duì)設(shè)備資料的收集存在較大難度，在分析過(guò)程中往往需要建立大量的假設(shè)，嚴(yán)重影響了分析的準(zhǔn)確性和客觀性。

4.2 壓力容器本身差異對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響

在RBI 分析中往往假定材料、設(shè)計(jì)和制造都符合要求，但在由于各國(guó)之間金屬材料冶煉和容器制造過(guò)程的差異性，國(guó)內(nèi)很多設(shè)備在制造時(shí)就帶有缺陷和不足，在進(jìn)行RBI 分析時(shí)對(duì)于先天缺陷的分析不足[14-15]。例如：我國(guó)早期建造的一些平臺(tái)多為合資平臺(tái)，壓力容器多采用進(jìn)口鋼材生產(chǎn)建造，很多壓力容器雖然服役周期較長(zhǎng)，但在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備本體的腐蝕情況比我國(guó)近些年自主建造的平臺(tái)上的壓力容器的腐蝕狀況要好。

4.3 RBI 數(shù)據(jù)庫(kù)差異

目前，我國(guó)尚未針對(duì)某類設(shè)備建立完整系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)、損傷或劣化程度數(shù)據(jù)庫(kù)。在分析時(shí)往往直接應(yīng)用國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)或根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，不能保證分析評(píng)估結(jié)果的客觀準(zhǔn)確，也影響到RBI 的實(shí)際應(yīng)用效果，導(dǎo)致?lián)p傷機(jī)理分析不夠全面。

4.4 設(shè)備管理水平的影響

不同企業(yè)由于設(shè)備管理理念及設(shè)備管理人員技術(shù)水平存的差異，導(dǎo)致在設(shè)備日常管理上存在優(yōu)劣，導(dǎo)致同類設(shè)備在不同平臺(tái)上的失效可能性上產(chǎn)生差異，按照以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，難以對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

4.5 RBI 分析本身的局限性

RBI 在計(jì)算失效概率時(shí)基于承壓設(shè)備的退化機(jī)理，RBI 所能分析的腐蝕機(jī)理與時(shí)間存在明顯的相關(guān)性，在分析這類腐蝕時(shí)準(zhǔn)確性較高，但對(duì)于部分失效類型如應(yīng)力腐蝕、氫脆等，由于時(shí)間相關(guān)性較差，在對(duì)存在這類腐蝕機(jī)理的壓力容器進(jìn)行分析時(shí)RBI 表現(xiàn)出一定的局限性。同時(shí)對(duì)于海上平臺(tái)常見(jiàn)的異種金屬接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕、縫隙腐蝕，焊縫接頭等部位產(chǎn)生的局部腐蝕等，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

目前多數(shù)RBI 項(xiàng)目的最終結(jié)果多以報(bào)告形式呈現(xiàn)，給出的檢驗(yàn)策略不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。在實(shí)踐中指導(dǎo)檢驗(yàn)和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理時(shí)，仍存在一定的局限性，同時(shí)設(shè)備管理者由于自身技術(shù)能力不足、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件無(wú)法滿足等原因，無(wú)法有效應(yīng)用RBI 分析成果，特別是對(duì)于一些存在內(nèi)表面腐蝕的容器，現(xiàn)場(chǎng)由于無(wú)法停產(chǎn)或滿足開(kāi)罐檢驗(yàn)條件，對(duì)RBI 分析的正確性無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

RBI 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)30 多年的研究與應(yīng)用，已經(jīng)具備相對(duì)完整的技術(shù)體系，是一種科學(xué)的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析方法，將RBI 技術(shù)引入我國(guó)海上油氣平臺(tái)設(shè)備的安全評(píng)估領(lǐng)域，提高了我國(guó)海上設(shè)備設(shè)施的管理水平。由于各國(guó)國(guó)情不同，還需要對(duì)RBI 技術(shù)進(jìn)行消化和吸收，形成符合我國(guó)國(guó)情的RBI 技術(shù)體系和應(yīng)用模式。