凌愛軍，吳清紅，東靜波，敬加強(qiáng)，肖 飛

(1. 中國船級社海工技術(shù)中心，天津 300457；2. 中國石油華北油田公司 二連分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；3. 新疆油田公司基本建設(shè)工程處，新疆 克拉瑪依 834000；4. 油氣消防四川省重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610500)

0 引言

近年來，基于風(fēng)險的檢測(RBI)技術(shù)已成為我國石化行業(yè)研究的熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于各類陸上壓力設(shè)備、設(shè)施，取得了不錯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但目前海上平臺靜設(shè)備評估方法相對滯后，仍然采用傳統(tǒng)的全面檢測技術(shù)，將RBI技術(shù)引入海上平臺靜設(shè)備的安全評估領(lǐng)域，研究其適用性具有重要意義[1]。

90年代初，美國石油協(xié)會(API)聯(lián)合挪威船級社(DNV)開發(fā)RBI項目，研究RBI方法和編制資源文件。該項目得到了20多家全球知名石油化工企業(yè)的贊助，于2000年首次公布了RBI指導(dǎo)文件API 581，并先后于2008年、2016年進(jìn)行更新，是目前指導(dǎo)RBI評估的主要標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。陳慶娟等[4]對RBI在我國具體運(yùn)用過程中存在的問題進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為由于各國國情的差異，需要針對國內(nèi)行業(yè)、企業(yè)設(shè)備管理的特點(diǎn)和現(xiàn)狀進(jìn)行深入的應(yīng)用研究，逐步形成符合我國國情的RBI技術(shù)體系和應(yīng)用模式；李毅等[1]、石烜[5]、聶炳林[6]采用國外RBI評估軟件對海上平臺靜設(shè)備進(jìn)行了評估。由于不同環(huán)境對設(shè)備退化的影響程度具有較大差異，海上設(shè)備所處環(huán)境更加惡劣，失效概率高且失效后果嚴(yán)重，國外RBI軟件對國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備評估的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步研究。

根據(jù)國內(nèi)RBI技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，以API RP 581-2016提供的RBI評估方法為基礎(chǔ)，研究失效概率計算方法對國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備的適應(yīng)性，采用模糊數(shù)學(xué)方法，并結(jié)合國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備特點(diǎn)及管理現(xiàn)狀，提出更加適用于國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備RBI評估的失效概率計算方法。

1 失效概率計算方法

失效概率的計算公式如式(1)所示，該式由API RP 581-2016在早期版本的基礎(chǔ)上，根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗，進(jìn)一步整合、調(diào)整得到。通用失效概率一般代表行業(yè)的設(shè)備失效標(biāo)準(zhǔn)，并不反映特定裝置的實際失效頻率，損傷系數(shù)與管理系統(tǒng)系數(shù)分別反映了損傷機(jī)理和設(shè)備管理過程可靠性之間的差別對失效概率的影響。

Pf(t)=gff·Df(t)·FMS

(1)

式中：gff為通用失效概率，a-1；Df(t)為損傷系數(shù)；FMS為管理系統(tǒng)系數(shù)。

1.1 通用失效概率

通用失效概率是基于某領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備失效案例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算出來的，同時與失效部位及尺寸等細(xì)節(jié)相關(guān)[7]。經(jīng)過多年的實際應(yīng)用后，API RP 581-2016對通用失效概率數(shù)值進(jìn)行了修改和統(tǒng)一，設(shè)備的總失效概率均為3.06×10-5次/a。由于同一系統(tǒng)中設(shè)備的管理系統(tǒng)系數(shù)應(yīng)是相同的，失效概率等級由損傷系數(shù)決定，管理系統(tǒng)系數(shù)主要用于區(qū)別不同系統(tǒng)的管理差異，用于調(diào)整設(shè)備及安全管理對失效概率的影響。因此，API RP 581-2016設(shè)定損傷系數(shù)的閾值劃分失效概率等級，如表1所示。

表1 API RP 581-2016失效概率等級劃分

雖然API RP 581-2016不再使用失效概率進(jìn)行等級劃分，但《中海油設(shè)備設(shè)施完整性風(fēng)險管理程序》風(fēng)險矩陣中失效概率等級是按照失效概率進(jìn)行劃分的(如表2所示)，為了能夠遵循國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求確定風(fēng)險等級，必須獲取適用于國內(nèi)海上平臺設(shè)備的通用失效概率。目前，國內(nèi)的相關(guān)單位或企業(yè)并未建立可使用的海上油氣生產(chǎn)平臺靜設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫，不能提供適用的通用失效概率數(shù)據(jù)。很多專家、學(xué)者都指出了建立設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的重要性，但未給出具體可行的操作辦法。

表2 《中海油設(shè)備設(shè)施完整性風(fēng)險管理程序》失效概率等級劃分

國際市場上的RBI評估軟件普遍存在價格昂貴、更新費(fèi)用高、適用性存在差異等問題，對于國內(nèi)從事海上油氣生產(chǎn)平臺設(shè)備評估的企業(yè)和單位來說，建立1套適合于自身條件的RBI評估系統(tǒng)具有很好的商業(yè)前景和技術(shù)價值。考慮到失效數(shù)據(jù)庫的建設(shè)工作，建議以數(shù)據(jù)庫軟件為基礎(chǔ)搭建RBI評估系統(tǒng)，既能夠節(jié)約購置軟件的費(fèi)用，還能促進(jìn)國內(nèi)海上RBI評估技術(shù)的發(fā)展。

常用的數(shù)據(jù)庫軟件有Oracle，SQL server，Sybase，DB2等等，企業(yè)或單位可以根據(jù)自身規(guī)模、軟件操作性能、延展性、兼容性和數(shù)據(jù)安全等方面選取數(shù)據(jù)庫軟件。同時，以API RP 581-2016提供的計算方法為基礎(chǔ)編寫RBI評估程序，提高工作效率。

1.2 損傷系數(shù)

API RP 581-2016提供了21種損傷類型，7大類損傷系數(shù)(減薄、襯里損傷、應(yīng)力腐蝕開裂、外部損傷、高溫氫脆、脆性斷裂、機(jī)械疲勞)，并根據(jù)損傷機(jī)理制定了不同的計算方法。海上平臺所處環(huán)境惡劣，海洋大氣的濕度大、鹽含量高，靜設(shè)備的腐蝕問題比陸上設(shè)備嚴(yán)重。實際運(yùn)用RBI對海上平臺靜設(shè)備評估的結(jié)果表明[1, 5-6]，海上平臺靜設(shè)備的主要損傷類型表現(xiàn)為內(nèi)部的CO2腐蝕、細(xì)菌腐蝕和外部的大氣腐蝕、保溫層下腐蝕。因此，需要對腐蝕減薄損傷系數(shù)的計算方法進(jìn)行研究，探究其在海上平臺靜設(shè)備的適用性。

減薄損傷系數(shù)主要用于確定內(nèi)部腐蝕的嚴(yán)重度，外部損傷系數(shù)則主要確定外部腐蝕的嚴(yán)重度，二者的計算方法基本相同，流程大致分為2步：首先，根據(jù)式2計算損傷系數(shù)參數(shù)Art；然后，以Art，檢驗次數(shù)以及檢驗有效性等級查詢表格得到減薄損傷系數(shù)。檢驗方法的檢驗有效性分為5個等級，如表3所示，可以根據(jù)API RP 581-2016提供的檢驗有效性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定。

(2)

式中：Art為損傷系數(shù)參數(shù)；trd為剩余厚度(上次外部或內(nèi)部檢測得到厚度值)，mm；Cr為腐蝕速率，mm/a；age為在役時間，a；tmin為最小允許壁厚，mm；CA為腐蝕裕量，mm。

表3 檢驗有效性類別

根據(jù)式(2)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剩余壁厚不小于最小允許壁厚和腐蝕裕量之和時，Art的取值為0；而當(dāng)剩余壁厚小于最小允許壁厚時，設(shè)備則處于非常危險的狀態(tài)，必須及時進(jìn)行更換或補(bǔ)強(qiáng)。因此，判斷設(shè)備風(fēng)險等級的依據(jù)，即剩余壁厚只有在(tmin,tmin+CA]范圍內(nèi)，才能劃分風(fēng)險等級。

以管道為例進(jìn)行分析，GB/T 23803-2009[8]對腐蝕裕量的規(guī)定如下：低/中等腐蝕的腐蝕裕量為1.0，1.25或1.5 mm；中/高等腐蝕的腐蝕裕量為3.0 mm。根據(jù)海上平臺使用管道的規(guī)格，假設(shè)了6組最小允許壁厚進(jìn)行分析，腐蝕裕量按3.0 mm假設(shè)。海上設(shè)備失效概率高，失效后果嚴(yán)重，在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用等級高的檢驗方法，因此，將檢測有效性等級假設(shè)為B級。根據(jù)API RP 581-2016提供的方法，確定管道到達(dá)最小允許壁厚時的損傷系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同檢驗次數(shù)下的減薄損傷系數(shù)

表4數(shù)據(jù)顯示，管道尺寸越大，檢驗次數(shù)越多，當(dāng)管道達(dá)到最小允許壁厚時的損傷系數(shù)越?。桓鶕?jù)API RP 581-2016失效概率等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)檢測次數(shù)達(dá)到2次及以上時，尺寸較大的管道的失效概率等級較低。另外，從海上某平臺管道腐蝕速率實際檢測的結(jié)果來看，管道的腐蝕速率達(dá)到4～8 mm/a時，3 mm的裕量在腐蝕速率大的部位僅能支撐數(shù)月。海上平臺空間狹小，設(shè)備布置緊湊，人員的活動受平臺限制，逃生能力有限。易燃的油氣介質(zhì)泄漏后，引發(fā)燃燒、爆炸事故可能造成嚴(yán)重的安全后果，流入海水中則會造成環(huán)境污染。若RBI計算的日期不能達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，管道可能存在危險運(yùn)行的情況。

RBI體系是建立在國外工業(yè)生產(chǎn)和安全管理水平上的，在計算失效概率時以設(shè)計壽命為基準(zhǔn)，而國內(nèi)設(shè)備存在制造缺陷和長期超期服役等問題，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命，采用設(shè)計壽命進(jìn)行RBI評估并不合理。陳慶娟等[4]、陳學(xué)東等[9]根據(jù)國內(nèi)陸上石化裝置RBI評估的應(yīng)用效果，建議在風(fēng)險評估過程中用剩余壽命代替設(shè)計壽命作為計算失效概率的基準(zhǔn)。GB/T 26610.4-2014[10]在計算減薄因子時考慮了上述問題，將Art的計算公式修改為式(3)。

嚴(yán)重程度指數(shù)=(a·r)/t

(3)

式中：a為服役年限，a；r為腐蝕速率，mm/a；t為投入使用的實測最小厚度，mm。

SY/T 6553-2003[11]和SY/T 6507-2013[12]對陸上壓力容器和管道要求的最大檢驗周期可達(dá)10 a，而中海油天津分公司編制的《海上壓力容器檢驗指南》中要求的全面檢驗周期為3 a，并且需要執(zhí)行以外觀檢查為主的年度檢驗，進(jìn)一步突出了國內(nèi)海上平臺環(huán)境惡劣，設(shè)備腐蝕速率快的特點(diǎn)。

綜上所述，API RP 581-2016提供的減薄損傷系數(shù)計算方法在國內(nèi)的設(shè)備適用性較差，而GB/T 26610.4-2014提出的嚴(yán)重程度指數(shù)計算方法對國內(nèi)海上靜設(shè)備同樣存在適用性問題。因此，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)原理，提出了更為保守的RBI腐蝕損傷系數(shù)計算方法。運(yùn)用直覺數(shù)學(xué)模糊方法，根據(jù)同類管道的最大腐蝕速率和檢驗周期等數(shù)據(jù)確定隸屬度函數(shù)[13-14]，如圖1所示。由式(4)計算剩余壁厚3 a后的剩余值，再結(jié)合隸屬度函數(shù)得到對應(yīng)的減薄損傷系數(shù)。

圖1 三角形隸屬度函數(shù)Fig.1 Triangular membership function

圖中t1，t2，t3，t4為剩余壁厚的閾值，可以根據(jù)實際情況和專家意見確定，按照均分原則，可以使用式(5)-(8)計算。參照API RP 581-2016失效概率等級(A，B，C，D，E)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)剩余壁厚達(dá)到t1時，減薄損傷系數(shù)取1 000；當(dāng)剩余壁厚達(dá)到t2時，減薄損傷系數(shù)取100；當(dāng)剩余壁厚達(dá)到t3時，減薄損傷系數(shù)取20；當(dāng)剩余壁厚達(dá)到t4時，減薄損傷系數(shù)取2。

ttarget=trd-Cr×ageT

(4)

t1=tmin

(5)

t2=tmin+CA

(6)

(7)

(8)

式中：ttarget為目標(biāo)剩余壁厚，mm；ageT為檢驗間隔時間，取3 a；t為設(shè)計壁厚，mm。

1.3 管理系統(tǒng)系數(shù)

管理系統(tǒng)系數(shù)采用調(diào)查和概率統(tǒng)計的方法確定，就13大類102個問題由企業(yè)各部門打分得到該企業(yè)的管理系數(shù)。通過API RP 581-2016提供的公式計算，其值在0.1～10的范圍內(nèi)。當(dāng)FMS=1時，表示被評企業(yè)的管理水平與世界知名企業(yè)的管理水平相當(dāng)；當(dāng)FMS=0.1時，表示被評企業(yè)的管理水平比世界知名企業(yè)的管理水平高1個數(shù)量級；當(dāng)FMS=10時，表示被評企業(yè)的管理水平比世界知名企業(yè)的管理水平低1個數(shù)量級[15]。

2 案例分析

為了驗證前述減薄損傷系數(shù)計算方法的合理性與適應(yīng)性，選取渤海某平臺上部靜設(shè)備進(jìn)行分析。通過數(shù)據(jù)收集、整理，共獲得了110條管道和18項壓力容器及其組件的相關(guān)數(shù)據(jù)。分別采用API RP 581-2016提供的減薄損傷系數(shù)計算方法和新方法進(jìn)行計算，并根據(jù)API RP 581-2016標(biāo)準(zhǔn)劃分失效概率等級，結(jié)果如表5和表6所示。

表5 壓力容器失效概率等級分布

表6 管道失效概率等級分布

表5和表6中數(shù)據(jù)顯示，采用API RP 581-2016計算方法得到的失效概率等級主要分布在A，D，E，即分布在高等級和低等級兩端，其中，13項壓力容器組件和75條管道的失效概率等級為A，而在新方法的劃分標(biāo)準(zhǔn)下，13項壓力容器組件和75條管道則在A，B，C，D等4個等級均有分布，說明新方法能更好地反應(yīng)靜設(shè)備失效概率等級的變化；由于壓力容器組件數(shù)量較少，2種方法D，E等級分布的壓力容器組件數(shù)量相差不大；而采用新方法劃分管道失效概率等級得到的D，E等級數(shù)量則明顯高于API RP 581-2016方法，說明新方法分析結(jié)果更為保守，符合海上平臺靜設(shè)備失效概率高的特點(diǎn)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 結(jié)論

1)對于海上平臺靜設(shè)備的RBI評估，基于數(shù)據(jù)庫軟件建立RBI評估系統(tǒng)可更好地獲取適用于國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備的通用失效概率，并可提高RBI評估的工作效率。

2)基于模糊數(shù)學(xué)理論的腐蝕減薄損傷系數(shù)計算方法，充分考慮了海洋環(huán)境惡劣對海上平臺靜設(shè)備腐蝕的嚴(yán)重性，可提高RBI評估對國內(nèi)海上平臺靜設(shè)備的適用性。

3)依據(jù)管理系統(tǒng)系數(shù)取值與管理水平的關(guān)系，企業(yè)或單位可根據(jù)自身管理水平與國際知名企業(yè)管理水平的差異判斷管理系統(tǒng)系數(shù)的正確性。

4)案例分析證實新方法計算所得的高失效概率等級的數(shù)量較多，符合海上平臺靜設(shè)備失效概率高的特點(diǎn)，但是其可靠性尚需進(jìn)一步通過生產(chǎn)實踐檢驗。

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