崔凱燕，劉新宇，王曉霖

(中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順 113001)

RBI在站場靜設(shè)備定量風(fēng)險評價中的應(yīng)用研究

崔凱燕，劉新宇，王曉霖

(中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001)

采用RBI方法對站場靜設(shè)備進行分析，結(jié)果顯示，壓縮機出口管道風(fēng)險水平不可接受，應(yīng)對副管分支處每月至少一次50%～100%超聲掃射或射線探傷，超聲流量計應(yīng)優(yōu)先檢測，其他設(shè)備可降低檢測頻率。

油氣站場 定量風(fēng)險評價 靜設(shè)備 檢測計劃

站場是油氣管道輸送的樞紐，站場內(nèi)工藝設(shè)備較多，關(guān)鍵設(shè)備一旦失效可能引起一連串不堪設(shè)想的嚴重后果，盡早對設(shè)備進行風(fēng)險管理可以制定最優(yōu)檢測計劃，從而保證設(shè)備運行的風(fēng)險處于可接受的范圍。

美國機械工程師學(xué)會于1991年提出RBI指導(dǎo)文件，2001 年出版長輸管道RBI(Risk Based Inspection，RBI)標(biāo)準ASME B31.8S，美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute，API)在此基礎(chǔ)上于2002年和2009年出版針對壓力容器、管道和常壓儲罐等設(shè)備的RBI標(biāo)準。RBI技術(shù)在我國起步較晚，近年來才得到發(fā)展。

RBI技術(shù)[1]是通過風(fēng)險辨識、分析、評估把運行裝置可能存在的風(fēng)險與其現(xiàn)有的檢測方法和結(jié)果相關(guān)聯(lián)，確定裝置在已有檢測條件下的主要問題與薄弱環(huán)節(jié)，由高至低將風(fēng)險排序，制定最優(yōu)的檢驗計劃，在降低工藝裝置運行成本的同時，確保其下一個運行周期內(nèi)風(fēng)險為可接受水平。目前國內(nèi)外油氣站場風(fēng)險評價多采用半定量及其他技術(shù)，如通過評分體系結(jié)合模糊理論的加氣站風(fēng)險評價[2]，應(yīng)用HAZOP與行為失效模式的輸氣站場風(fēng)險評價[3]；還有學(xué)者基于危險辨識與分析對壓氣站進行定量風(fēng)險評價[4]。目前天然氣管道及油氣站場也有采用定性或半定量的RBI方法[5-6]，有采用定量RBI新技術(shù)對煉化廠、儲罐、海底管道等進行風(fēng)險評價[7-9]，但還沒有將定量RBI新技術(shù)完整地應(yīng)用于油氣站場風(fēng)險管理的實例。本研究通過RBI技術(shù)建立油氣站場內(nèi)靜設(shè)備的失效概率和失效后果數(shù)學(xué)模型，改進RBI現(xiàn)有的風(fēng)險等級，實現(xiàn)站場的定量風(fēng)險管理。與其他方法相比，該方法中主觀因素影響極小、考慮因素較全面，準確度和可靠性均較高。

1 RBI技術(shù)及改進

設(shè)備風(fēng)險值的計算包括失效概率的計算和失效后果的評估。在RBI中，失效后果分為失效后果面積和經(jīng)濟后果，故風(fēng)險值包括基于失效面積和基于經(jīng)濟后果兩種。

1.1 風(fēng)險計算模型

隨著時間t的變化，站場基于失效后果面積的風(fēng)險值、基于經(jīng)濟后果的風(fēng)險值分別由公式(1)、(2)計算。

R(t)1=P(t)·Af

(1)

R(t)2=P(t)·CF

(2)

式中：R(t)1——基于失效后果面積的風(fēng)險值；

R(t)2——基于經(jīng)濟后果的風(fēng)險值；

Af——設(shè)備發(fā)生失效的后果面積，m2；

CF——經(jīng)濟后果，元；

P(t) ——失效概率，由設(shè)備一般失效概率PG、管理系統(tǒng)修正因子FM和設(shè)備損傷因子Df確定。

P(t)=PG·FM·Df

(3)

FM=10(-0.02×S/1000+1)

(4)

式中：PG——設(shè)備一般失效概率；

FM——管理系統(tǒng)修正因子；

S——站場管理系統(tǒng)的評分，總分為1 000分；

Df——減薄缺陷、襯里損傷、外部損壞、應(yīng)力腐蝕開裂、高溫氫蝕、機械疲勞和脆性破壞等7種損傷機理的損傷因子之和。當(dāng)為局部減薄時，Df的計算如式(5)所示；當(dāng)為整體減薄時，Df的計算如式(6)所示。

(5)

(6)

Dfelin——襯里損傷因子；

Dfscc——應(yīng)力腐蝕開裂損傷因子；

Dfextd——外部損傷因子；

Dfbrit——脆性破壞損傷因子；

Dfhtha——高溫氫蝕損傷因子；

Dfmfat——機械疲勞損傷因子。

當(dāng)某一損傷因子不超過1時取0。在計算各種損傷因子時還應(yīng)考慮工藝條件對損傷機理的影響，如工藝復(fù)雜程度、在線監(jiān)測設(shè)備等因素。

失效后果的計算包括面積后果Af和經(jīng)濟后果CF。

面積后果Af包括燃燒、有毒和不燃燒無毒3種情況，根據(jù)3 min的泄漏量，將泄漏分為持續(xù)泄漏和瞬時泄漏分別計算。

經(jīng)濟后果CF為設(shè)備損壞、影響區(qū)的維護、生產(chǎn)停工、潛在人員傷害和受污環(huán)境清理等方面的費用之和，單位為元。

1.2 改進的風(fēng)險等級劃分

現(xiàn)有的失效概率等級是根據(jù)Df來劃分，由式(3)可知這種方法并不全面。經(jīng)研究以P(t)確定新的失效概率等級，見表1。將失效概率和失效后果分別分為5個等級。設(shè)備風(fēng)險等級分為低、中、較高和高4個水平，當(dāng)風(fēng)險處于較高或高水平時，視為不可接受風(fēng)險。

表1 失效概率等級劃分對比

2 站場定量風(fēng)險評價應(yīng)用實例

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

某首站投產(chǎn)5年，原料氣經(jīng)過濾分離器分離雜質(zhì)之后經(jīng)超聲流量計計量，進入壓縮機增壓至9.5 MPa(107 ℃)后經(jīng)空冷器冷卻后出站。原料氣為未經(jīng)處理的天然氣，站內(nèi)氣相色譜實時監(jiān)測近一年的記錄值顯示，原料氣水露點最高可達到21 ℃，CO2體積分數(shù)達到2%。除過濾分離器之外，站場內(nèi)部無其他凈化裝置，因此站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備存在CO2腐蝕的可能性。關(guān)鍵設(shè)備及管道均無內(nèi)涂層，外涂層采用多層環(huán)氧涂層。站內(nèi)靜設(shè)備中僅壓縮機出口管道有玻璃纖維保溫層，且存在局部損壞。站場概預(yù)算費為7 320萬元，站廠占地面積25 000 m2，站內(nèi)工作人員共52人。停工生產(chǎn)損失費按管輸費0.38元/m3計算。

首站采用關(guān)鍵工藝變量在線檢測方式，具有操作者在控制室啟動的站內(nèi)隔離或停機系統(tǒng)，站內(nèi)有應(yīng)急放空裝置。關(guān)鍵靜設(shè)備均采用每月部分目檢及超聲波定點測厚檢測。

2.2 靜設(shè)備定量風(fēng)險評價

以過濾分離器(FS101)、站內(nèi)某條運行溫度最高的管段(Z102-AC101)、超聲流量計(FBBV201)及清管器發(fā)球筒(PL101)作為評價對象。

經(jīng)損傷條件判斷，設(shè)備的損傷機理為減薄缺陷和外壁損壞，因此總損傷因子Df為減薄損傷因子Dfthin和外壁損傷因子Dfextd之和。

減薄損傷因子Dfthin的計算主要包括：①根據(jù)天然氣中的雜質(zhì)及周圍環(huán)境判斷減薄機理；②根據(jù)介質(zhì)對設(shè)備的影響確定減薄類型；③預(yù)測涂層完全破壞所需的時間，可通過減薄腐蝕速率及相關(guān)檢測數(shù)據(jù)確定；④減薄因子參數(shù)的計算，分為有涂層和無涂層兩種類型；⑤根據(jù)減薄因子參數(shù)確定基本減薄損傷因子，最終由在線監(jiān)測、注入/混合點、管道分支情況等確定Dfthin。

外壁損傷因子Dfextd受外腐蝕因子的影響，計算時主要考慮腐蝕速率、外腐蝕裕量及外腐蝕發(fā)生的年限等。

對該站場管理系統(tǒng)的13方面分別進行評分，所得總分S為887分(滿分1 000)，由式(4)得管理系統(tǒng)修正因子FM為9.6；損傷因子的計算與設(shè)備界面補償、復(fù)雜度、支架補償、管道分支數(shù)目等因素有關(guān)。因不燃燒后果不會引起設(shè)備損壞，故設(shè)備損壞后果面積不計；原料氣中不含SO2、H2S等毒性介質(zhì)，無需考慮毒性后果。定量風(fēng)險評價計算結(jié)果見表2所示。

表2 定量風(fēng)險評價計算結(jié)果

由表2可知，管段(Z102-AC101)失效概率等級為3級，風(fēng)險水平為較高，究其原因，該段管路存在分支，且未對分支連接處進行定期檢測；超聲流量計失效概率等級為2級，其風(fēng)險水平處于中等水平，其他設(shè)備失效概率均處于較低值。分析表明生產(chǎn)停工費用占經(jīng)濟后果比重較大，可見設(shè)備應(yīng)急維護工作的重要性。

2.3 檢測計劃制定

就維護條件而言，檢測次數(shù)和檢測有效性影響失效概率的值，探測、隔離及消防系統(tǒng)等級的不同將直接影響失效后果面積及經(jīng)濟后果?；陲L(fēng)險值的計算結(jié)果，確定合適的維護條件，實現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險管理，使站場風(fēng)險處于可接受范圍。為使風(fēng)險值降低至中等水平，應(yīng)保證關(guān)鍵設(shè)備的失效概率等級均不超過2級水平。由表2可知，應(yīng)使壓縮機出口管段(Z102-AC101)失效概率P(t)≤6.12×10-3。為此，提出有關(guān)檢測次數(shù)和檢測有效性的要求。

a)管段(Z102-AC101)：對副管分支處每月進行一次20%超聲掃射或射線探傷，每月開展超聲點檢測厚。

b)超聲流量計(FBBV201)：外防腐涂層損傷較為嚴重，應(yīng)及時更換，并由知識豐富的腐蝕工程師指定超聲點檢測厚的檢測區(qū)域。

c)過濾器(FS101)及清管器發(fā)球筒(PL101)：可酌情減少檢查保養(yǎng)或延長檢測周期，隨著后續(xù)風(fēng)險管理的推進再提高檢測頻率，以節(jié)約檢測費用。

3 結(jié)語

a)建立隨著時間變化的站場風(fēng)險值計算模型，基于前期數(shù)據(jù)調(diào)研，計算設(shè)備損壞因子；對站場管理系統(tǒng)的13項管理工作評分確定管理系統(tǒng)修正因子，最終得出失效概率P(t)值；計算得到失效后果面積和經(jīng)濟后果；改進風(fēng)險等級劃分并判定設(shè)備是否處于可接受風(fēng)險范圍，從而制定最優(yōu)檢測計劃。

b)油氣站場包含靜止設(shè)備、運轉(zhuǎn)設(shè)備和安全控制儀器，目前國內(nèi)外較多地采用RBI技術(shù)來開展站場靜止設(shè)備的定量風(fēng)險評價，而對于運轉(zhuǎn)設(shè)備和儀表控制系統(tǒng)的完整性管理則采用RCM和SIL技術(shù)，而可以涵蓋站場所有設(shè)備的全面定量風(fēng)險評價方法還有待于進一步的研究。

c)論文中采用的失效數(shù)據(jù)庫為美國設(shè)備及管道失效數(shù)據(jù)庫，若能建立適合我國油氣行業(yè)的失效數(shù)據(jù)庫，可使得定量風(fēng)險評價的準確度得到提高。目前，我國還沒有健全的管道及設(shè)備的事故上報及統(tǒng)計機制，運營單位若成立管道及設(shè)備事故統(tǒng)計相關(guān)部門，將為我國失效數(shù)據(jù)庫的建立提供幫助。

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StudyonQuantitativeRiskAssessmentApplicationofRBIinStationaryStaticEquipment

Cui Kaiyan, Liu Xinyu, Wang Xiaolin

(SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001)

The RBI method is used to analyze the station static equipment. The results show that the risk level of the compressor outlet pipeline is unacceptable, and should be detected at least once a month by 50%～100% ultrasonic or radiographic inspections, And other equipment can reduce the detection frequency.

Oil and gas station; quantitative risk assessment; static equipment; detection plan

2016-07-26

崔凱燕，助理工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石化撫順石油化工研究院從事儲運設(shè)備完整性方面的工作。