定量風(fēng)險評估技術(shù)在LNG 氣化站壓力管道定期檢驗中的應(yīng)用

沈建民 張子健 柴軍輝 許 波 鐘軍平 鄭 磊

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院；2.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司）

LNG（Liquefied Natural Gas）是液化天然氣的簡稱，主要成分為甲烷，是一種清潔、高效的生態(tài)型優(yōu)質(zhì)能源和燃料，相比于傳統(tǒng)的氣態(tài)天然氣，LNG 具有較多優(yōu)點［1，2］。浙江省作為我國的清潔能源示范省，目前已經(jīng)建成兩座LNG 接收站，LNG已成為浙江天然氣供應(yīng)的重要來源，《浙江省煤炭石油天然氣發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出，到2025 年全省LNG 接收站總接收能力達3 000 萬噸以上。一般LNG 接收站裝置主要由LNG 接卸工段、LNG 存儲工段、BOG 處理工段、LNG 加壓氣化工段、NG 計量及外輸工段和LNG 裝車或船工段組成，其中LNG 氣化站中包含有大量的壓力管道，這部分的管道日常監(jiān)管依據(jù)是TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》和TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》，但LNG 壓力管道和石化企業(yè)的在役工藝管道存在諸多不同點［3，4］。對于LNG 管道，若采用目前常規(guī)的檢驗檢測方法和手段，在實施階段會存在較大難度，筆者通過API 581—2016《基于風(fēng)險的檢驗方法》中的定量風(fēng)險評估方法，科學(xué)有效地識別了LNG 氣化站壓力管道的損傷機理，計算出了24 條壓力管道的定量風(fēng)險值，結(jié)合目前國內(nèi)法律法規(guī)，給出了針對于LNG 管道的具體檢驗細(xì)則，可使LNG 管道在不停機的狀態(tài)下，有效降低風(fēng)險值，對保障LNG 氣化站安全穩(wěn)定運行、保障民生和工業(yè)生產(chǎn)具有重大的意義。

1 國內(nèi)LNG 壓力管道的檢驗檢測現(xiàn)狀

LNG 管道在類別上屬于特種設(shè)備目錄中的壓力管道范疇，在檢驗檢測方面主要是依據(jù)TSG D0001—2009 《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》和TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》［5］。首先，這兩條安全技術(shù)規(guī)范均指出了LNG 管道需要定期進行年度檢查和全面檢驗，年度檢查的周期一般為一年一次，全面檢驗的周期根據(jù)上次檢驗的安全狀況等級確定，一旦到達檢驗周期，需要使用單位的LNG裝置停車停產(chǎn)，這就會對整個LNG 產(chǎn)業(yè)鏈的平穩(wěn)運行帶來一定的影響；其次，針對年度檢查的具體需要，一般LNG 管道使用單位可以自行完成，但對于全面檢驗的要求，例如：壁厚測定、表面缺陷檢測及埋藏缺陷檢測等，在實施時就存在較大困難，無法像傳統(tǒng)工業(yè)管道一樣，拆除隔熱層，焊縫和熱影響區(qū)打磨一定的寬度，目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在進行LNG 管道全面檢驗時主要以宏觀檢查為主，超聲壁厚測定、表面缺陷和埋藏缺陷檢測的實施較為困難，相關(guān)檢測比例不符合技術(shù)規(guī)范要求［6］；最后傳統(tǒng)的LNG 管道全面檢驗沒有采用基于損傷模式識別的技術(shù)手段對管道的風(fēng)險值進行計算，無法科學(xué)有效地區(qū)分高中低風(fēng)險，因此無法科學(xué)分配有限的檢驗資源［7］。

基于上述LNG 管道的檢驗現(xiàn)狀，筆者采用損傷模式識別技術(shù)，通過定量風(fēng)險評估計算，對某氣化站LNG 管道進行了風(fēng)險評估，在充分考慮現(xiàn)行檢驗檢測技術(shù)規(guī)范的前提下，給出了基于定量風(fēng)險評估的檢驗細(xì)則，可操作性強，檢驗針對性強，有效性高，對保障LNG 企業(yè)安全平穩(wěn)運行具有重大的現(xiàn)實意義，可為今后開展LNG管道定期檢驗規(guī)則的制定提供一定的技術(shù)參考。

2 定量風(fēng)險評估

2.1 管道概況

本次LNG 氣化站所評估的壓力管道可按管道材料、設(shè)計溫度、管道介質(zhì)分為兩大類，即：-196 ℃的06Cr19Ni10 管道和-19 ℃的20# 管道，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)表

2.2 損傷機理識別

損傷機理的識別是定量風(fēng)險評估過程中較為重要的一環(huán)，不同的損傷機理會影響損傷因子的計算，進而影響設(shè)備失效可能性計算的結(jié)果，可以總結(jié)為：如果某臺設(shè)備的損傷機理相對較多，則這臺設(shè)備相對的失效可能性就越大。損傷機理的識別應(yīng)以管道的參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)和GB/T 30579—2022 《承壓設(shè)備損傷模式識別》、API 581—2016 和所采用的RBI 計算軟件進行綜合判斷。經(jīng)過識別，參與RBI 計算的24 條壓力管道損傷機理識別結(jié)果見表2。

表2 損傷機理識別結(jié)果

2.3 腐蝕速率

腐蝕速率的確定也是定量風(fēng)險評估過程中較為重要的一環(huán)，根據(jù)API 581—2016，腐蝕速率的選取原則主要是：首選需選擇設(shè)備定點測厚的數(shù)據(jù)進行計算，如果受條件限制，無法進行定點測厚，則需采用腐蝕專家的建議值，或者采用理論計算值，然而內(nèi)部腐蝕的理論計算值需要所評估設(shè)備包含標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12 種典型減薄腐蝕機理，滿足以上條件時才可使用，但針對于外部腐蝕的理論計算值則依據(jù)大氣腐蝕（有隔熱層）或大氣腐蝕（無隔熱層）進行?；谝陨侠碚摚敬?4 條壓力管道的腐蝕速率設(shè)定見表3。

表3 腐蝕速率設(shè)定表

2.4 管理系統(tǒng)系數(shù)

有效的管理系統(tǒng)評估對防止危險物質(zhì)釋放和維持工藝設(shè)備機械完整性具有重要的作用，基于API 581—2016 標(biāo)準(zhǔn)，評估過程一般采用面談和問卷調(diào)查的形式進行，主要從領(lǐng)導(dǎo)和管理、工藝安全信息、工藝危害性分析、變更管理、操作規(guī)程、安全生產(chǎn)實踐規(guī)程、人員培訓(xùn)、機械完整性、投用前的安全檢查、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查、承包商管理和管理系統(tǒng)評估13 個方面共計103 個問題進行打分，將所得總分?jǐn)?shù)X換算成百分?jǐn)?shù)Y，計算管理系統(tǒng)系數(shù)FMS：

根據(jù)式（1）、（2）可以看出，在管理評價過程中，總分?jǐn)?shù)X越高，則FMS越低，說明企業(yè)在設(shè)備完整性管理方面水平較高，設(shè)備的失效可能性就越低。

對LNG 氣化站的實際管理水平進行打分，總分1 000 分，結(jié)果見表4。按式（1）計算得Y=89.2，按式（2）計算管理系統(tǒng)系數(shù)FMS=0.16。

表4 管理系統(tǒng)問題分值計算表

2.5 定量風(fēng)險計算

采用挪威船級社專業(yè)風(fēng)險評估軟件Synergi Plant RBI Onshore5.7，對24 條壓力管道進行定量風(fēng)險評估，將24 條壓力管道劃分為24 個評價單元，在失效可能性計算方面，主要考慮內(nèi)部減?。ò橘|(zhì)沖刷腐蝕）、外部減?。ù髿飧g）、與泵設(shè)備相接管道的振動疲勞；失效后果方面主要考慮LNG 管道介質(zhì)的特性以及泄放量、泄放速率等參數(shù)，以壓力管道泄漏后造成的傷害成本、單位時間停產(chǎn)損失、設(shè)備成本及環(huán)境清理費用等經(jīng)濟指標(biāo)來確定后果等級。評估時的相關(guān)時間節(jié)點設(shè)定如下：壓力管道投產(chǎn)時間為2019-06-29，當(dāng)前評估時間也就是首次定期檢驗時間為2022-06-28，3 年后的評估時間為2025-06-28，6 年后也就是第2 次定期檢驗時間為2028-06-28，基于風(fēng)險的檢驗最長可達9 年，時間設(shè)為2031-06-28。

2.5.1 當(dāng)前時間節(jié)點風(fēng)險

由圖1 可以看出，當(dāng)前時間節(jié)點24 個評級單元中有23 個屬于中風(fēng)險，1 個屬于低風(fēng)險，整體風(fēng)險水平較低。

圖1 LNG 氣化站壓力管道當(dāng)前時間點定量風(fēng)險分布

2.5.2 3 年后時間節(jié)點風(fēng)險

通過圖2 可以看出，3 年后24 條壓力管道整體風(fēng)險水平變化不大，均為中風(fēng)險，產(chǎn)生這種情況的可能原因是：該氣化站投用時間短、介質(zhì)腐蝕性速率低、公司完整性管理水平較高等。

圖2 LNG 氣化站壓力管道3 年后時間點定量風(fēng)險分布

2.5.3 6 年后時間節(jié)點風(fēng)險

根據(jù)TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》的相關(guān)規(guī)定，本次24 條壓力管道均為GC2 級別，首次定期檢驗后，GC2 級管道通常下次檢驗周期為6 年。因此對6 年后的風(fēng)險進行定量分析。由圖3 可以看出，6 年后24 條壓力管道整體風(fēng)險水平變化不大，23 條管道為中風(fēng)險，1 條管道為中高風(fēng)險。

圖3 LNG 氣化站壓力管道6 年后時間點定量風(fēng)險分布

2.5.4 9 年后時間節(jié)點風(fēng)險

TSG D7005—2018 指出了管道的檢驗可以采用基于風(fēng)險的檢驗，也就是風(fēng)險的定量計算，基于風(fēng)險的檢驗可以縮短檢驗周期，但是最長不超過9 年，對于風(fēng)險超過可接受水平的管道，需采用一定的措施來進行降險操作，9 年后的風(fēng)險計算結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，9 年后24條壓力管道整體風(fēng)險水平稍有提高，21 條管道為中風(fēng)險，3 條管道為中高風(fēng)險。

圖4 LNG 氣化站壓力管道9 年后時間點定量風(fēng)險分布

2.5.5 小結(jié)

為了更直觀地看出管道從當(dāng)前時間到9 年后風(fēng)險定量數(shù)值的變化情況，選取典型管道1#管道（304 不銹鋼，有隔熱層）和22# 管道（20#，無隔熱層）為例進行說明（在本次評估過程中，失效后果類型選擇經(jīng)濟后果，主要考慮設(shè)備失效后導(dǎo)致的企業(yè)經(jīng)濟損失，因此定量計算的風(fēng)險值就是基于經(jīng)濟后果的風(fēng)險值，單位為美元/年）。1# 管道內(nèi)部減薄損傷因子為6.266 96，外部減薄損傷因子為5.579 05，振動疲勞損傷因子為0.2，總損傷因子為12.046，屬于3 級，對應(yīng)的失效可能性為6.05086×10-5，失效后果為394 999 美元，失效后果等級為C 級，風(fēng)險值為23.900 80 美元/年，屬于中風(fēng)險；22# 管道內(nèi)部減薄損傷因子4.336 71，外部減薄損傷因子12.95，總損傷因子17.286 7，屬于3 級，對應(yīng)的失效可能性為8.68331×10-5，失效后果為88 921 美元，失效后果等級為B 級，風(fēng)險值為7.721 33 美元/年，屬于低風(fēng)險。對4 個時間節(jié)點的風(fēng)險值進行統(tǒng)計匯總，見表5。由表5 可知，以1#管道為代表的304 不銹鋼管道在未來9年內(nèi)，風(fēng)險值只是小幅度范圍內(nèi)有所上升，變化不大，但以22# 管道為代表的20# 管道在未來9年內(nèi)，風(fēng)險值大幅上升，需要重點關(guān)注，必要時采用針對性的檢驗、檢測方法和措施來降低風(fēng)險。

表5 典型管道定量風(fēng)險變化情況表

3 基于定量風(fēng)險評估的檢驗計劃

3.1 檢驗?zāi)繕?biāo)

檢驗?zāi)繕?biāo)是指設(shè)備風(fēng)險在無任何降險措施的情況下持續(xù)運行可接受的最高水平。一旦達到或超過所設(shè)定的檢驗?zāi)繕?biāo)，就會觸發(fā)檢驗檢測，在風(fēng)險定量評估計算過程中通常會設(shè)定如下目標(biāo)：

a.總風(fēng)險目標(biāo)。為進行檢驗計劃而設(shè)定的可接受最高風(fēng)險水平，一般根據(jù)設(shè)備使用單位的具體情況進行設(shè)置，風(fēng)險目標(biāo)可以用影響面積（m2/年）或經(jīng)濟數(shù)值（美元/年）大小來表示。其中基于影響面積的風(fēng)險目標(biāo)主要考慮設(shè)備的失效可能性和設(shè)備失效后影響區(qū)域面積的大小，包括設(shè)備破壞面積和人員傷害面積；基于經(jīng)濟數(shù)值的風(fēng)險目標(biāo)主要考慮設(shè)備的失效可能性和設(shè)備失效后導(dǎo)致的企業(yè)經(jīng)濟損失。

b.失效可能性目標(biāo)。失效可能性目標(biāo)是使用單位不可接受并觸發(fā)檢驗過程的最大失效概率（次/年）。

c.損傷因子目標(biāo)。損傷因子目標(biāo)是使用單位不可接受并觸發(fā)檢驗過程的最大損傷因子，是對設(shè)備破壞狀態(tài)的表征。

d.剩余壽命目標(biāo)。剩余壽命目標(biāo)是設(shè)備所設(shè)定的最小厚度目標(biāo)，一旦設(shè)備壁厚腐蝕達到最小厚度，則會觸發(fā)檢驗過程。

e.最大檢驗周期目標(biāo)。最大檢驗周期目標(biāo)是使用單位或者相關(guān)主管部門所設(shè)定的不可接受特定檢驗頻率，一旦設(shè)備服役年限達到所設(shè)定的檢驗周期，則會觸發(fā)檢驗過程。

在LNG 管道定量風(fēng)險評估中，通常設(shè)定失效可能性或風(fēng)險等級目標(biāo)，一般情況下，失效可能性等級大于等于4 級，或風(fēng)險等級為中高風(fēng)險、高風(fēng)險的管道應(yīng)列入檢驗計劃，實施檢驗降險。

3.2 檢驗有效性

在確定檢驗有效性時，主要考慮的因素有：設(shè)備或部件的類型、相關(guān)的損傷機理和識別置信度、損傷敏感性、無損檢測方法以及范圍和比例等。檢驗有效性被分為A 級到E 級，A 級檢驗提供了最有效的檢驗，E 級代表無效檢驗。對于高風(fēng)險設(shè)備，應(yīng)采用B 級（含）以上的檢驗方法；對于中高風(fēng)險和中風(fēng)險設(shè)備，應(yīng)采用C級（含）以上的檢驗方法；對于低風(fēng)險設(shè)備，應(yīng)采用D 級（含）以上的檢驗方法。針對承壓設(shè)備常見的損傷機理，歸納總結(jié)了涉及LNG 管道內(nèi)部減薄和外部破壞的檢驗有效性等級與相關(guān)檢驗方法，見表6～10。

表6 承壓設(shè)備全面減薄檢驗有效性等級

表7 承壓設(shè)備局部減薄檢驗有效性等級

表8 承壓設(shè)備外部破壞（無隔熱層）檢驗有效性等級

表9 承壓設(shè)備外部破壞（碳鋼有隔熱層）檢驗有效性等級

表10 承壓設(shè)備外部破壞（不銹鋼有隔熱層）檢驗有效性等級

3.3 檢驗策略

LNG 氣化站壓力管道基于風(fēng)險的檢驗時間依據(jù)章節(jié)3.1 確定，基于損傷模式的檢驗策略見表11，檢驗策略的編制主要考慮管道的主要損傷模式，次要損傷模式，失效部位，停機檢驗、在線檢驗等方面，結(jié)合章節(jié)3.2 的要求，并考慮國內(nèi)外目前針對LNG 管道的檢驗技術(shù)發(fā)展水平，給出了一套針對LNG 壓力管道可操作性強的檢驗策略，同時對API 518—2016 不銹鋼有隔熱層時外部破壞的檢驗方法進行了補充，完善了標(biāo)準(zhǔn)。

表11 基于定量風(fēng)險評估技術(shù)的檢驗策略

4 結(jié)束語

針對LNG 氣化站壓力管道定期檢驗時無法停機且有效檢驗手段較少這一問題，采用API 581—2016《基于風(fēng)險的檢驗方法》中的定量風(fēng)險評估技術(shù)，對某LNG 氣化站24 條壓力管道進行了評估，結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求與現(xiàn)有檢驗檢測技術(shù)，最后給出了不同風(fēng)險等級LNG 管道的檢驗策略，該策略可操作性強，可將有限的檢驗資源合理化分配，為今后開展LNG 壓力管道定期檢驗方案的制定提供一定的技術(shù)參考，同時也為國內(nèi)LNG 管道風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)的再次修訂提供一定的數(shù)據(jù)積累。