基于風(fēng)險檢測技術(shù)在某海上油氣田裝置腐蝕風(fēng)險預(yù)測的應(yīng)用

張 鵬，蔣 健，顏東洲

（1.北京理工大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，北京100081；2.法利科瑞成（天津）安全技術(shù)與限公司，北京100010）

海上油氣田一旦發(fā)生漏油事故，不僅會構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患，更會造成海洋環(huán)境的嚴(yán)重污染，因此，需要時刻保障海上油氣田設(shè)備設(shè)施的安全。我國東海某油氣田有兩座采油平臺，分別于1998年及2006年建成投產(chǎn)。自運行以來采油平臺工藝狀況基本穩(wěn)定，運行期間未發(fā)生重大設(shè)備事故，但部分設(shè)備已投用超過14a，設(shè)備設(shè)施老化問題逐步顯現(xiàn)。為了防止漏油及其他安全事故的發(fā)生，該油氣田決定對兩個平臺上部模塊的管道和容器進(jìn)行風(fēng)險評估與檢測維護(hù)。

由于基于風(fēng)險的檢測（risk-based inspection，RBI）技術(shù)與傳統(tǒng)的基于時間或環(huán)境的檢測方法相比，在對設(shè)備的檢測與維修方面更具有針對性、優(yōu)化、科學(xué)［1-3］，本課題組采用RBI技術(shù)，對兩座平臺進(jìn)行全面的風(fēng)險分析，并根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果，制定有針對性的檢驗策略。

1 RBI技術(shù)

RBI技術(shù)是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的方法。它是在對系統(tǒng)中固有或潛在危險發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保設(shè)備本質(zhì)安全和減少檢維驗修費用為目標(biāo)，優(yōu)化檢驗策略的一種管理方式［4］。

目前，許多國家和地區(qū)的石化煉油廠、海上石油設(shè)備等都廣泛采用RBI方法進(jìn)行承壓設(shè)備的腐蝕分析［5］，從而制定合理的檢驗與維修計劃，大幅降低風(fēng)險和檢驗維修費用。例如，美國Exxon，Shell和Unocal等石化公司均成功地采用RBI技術(shù)，Celanese公司也在其幾乎所有的北美工廠使用了RBI技術(shù)。國內(nèi)的RBI技術(shù)也已在石油化工、壓力容器、管道與油氣輸送管道等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，蘭州石化［6］、大慶石化［7-8］都成功采用了RBI技術(shù)。此外，我國還頒布了SY／T 6653-2006《基于風(fēng)險的檢查（RBI）推薦作法》［9］和SY／T 6714-2008《基于風(fēng)險檢測的基礎(chǔ)方法》［10］這兩個具有重要意義的標(biāo)準(zhǔn)。

2 分析

2.1 軟件準(zhǔn)備

本次RBI分析采用的是專門用于海上設(shè)施風(fēng)險分析的Fame＋軟件。采用該軟件預(yù)測了設(shè)備可能發(fā)生的損傷機(jī)理及損傷速率，給出了設(shè)備的風(fēng)險描述及設(shè)備風(fēng)險的排序，提供了科學(xué)、合理的檢驗策略。

RBI軟件對風(fēng)險的描述包括風(fēng)險矩陣和嚴(yán)重度兩個方面。圖1是軟件對風(fēng)險的描述。

圖1 Fame＋風(fēng)險描述圖

圖1右側(cè)為風(fēng)險矩陣，其中Likelihood指設(shè)備失效的可能性，Consequence指失效的后果，等級由15，可能性由低到高。分別為低風(fēng)險、中風(fēng)險、中高風(fēng)險和高風(fēng)險。

采用RBI軟件進(jìn)行分析后，對每個設(shè)備或管道進(jìn)行風(fēng)險量化，根據(jù)該設(shè)備失效的可能性和失效后果，給出該設(shè)備的風(fēng)險分值。對風(fēng)險較高的設(shè)備，可按照其損傷的特點，采用有效的檢驗方法進(jìn)行檢驗，顯著降低其風(fēng)險，使得流程中所有設(shè)備在下一運行期間的風(fēng)險都處于低的、可接受的水平。

2.2 項目實施

分析過程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審核、軟件分析和信息反饋等。工作流程見圖2。

圖2 工作流程圖

在項目執(zhí)行過程中，首先對以下數(shù)據(jù)進(jìn)行采集：

（1）通用數(shù)據(jù) 包括氣候、地理、計劃及非計劃停車、工藝穩(wěn)定性等；

（2）設(shè)計數(shù)據(jù) 包括容器與管道的規(guī)格、設(shè)計溫度、壓力、材料等；

（3）工藝數(shù)據(jù) 包括與流體有關(guān)的物理參數(shù)，如：流體組份及含量、流速、pH、操作溫度、操作壓力等；

（4）檢驗數(shù)據(jù) 包括歷年來的檢驗時間、檢驗方法、檢驗有效性、實測壁厚數(shù)據(jù)及應(yīng)力腐蝕裂紋檢測結(jié)果等。

對采集的數(shù)據(jù)審查確認(rèn)后，經(jīng)過匯總和整理，建成RBI項目的基本數(shù)據(jù)庫，然后基于收集的資料，向軟件錄入數(shù)據(jù)并進(jìn)行風(fēng)險計算，期間專家多次對錄入數(shù)據(jù)及初步計算結(jié)果進(jìn)行審核和修正，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.3 最小壁厚計算

軟件輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含了設(shè)備及管道的最小壁厚值，可以與設(shè)備及管道當(dāng)前的壁厚作比較，從而計算其相應(yīng)的風(fēng)險等級及腐蝕速率等。

對于大部分承壓容器最小壁厚公式均按照GB 150-1998《鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)》計算，即：

式中：ts為計算壁厚，mm；Di為圓筒的內(nèi)徑，mm；σt為設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa，可根據(jù)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)查出許用應(yīng)力；pc為設(shè)計壓力，MPa；φ為焊縫系數(shù)，根據(jù)資料選擇，如果沒有資料，可按GB 150-1998鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

對于管道的最小壁厚計算按以下公式計算：

式中：D0為管道的外徑，mm；Y為系數(shù)，取值見表1。ts，φ，pc同式（1）所述。

表1 Y系數(shù)取值表

2.4 設(shè)備管道篩選

根據(jù)兩平臺的工藝流程圖（PFD）、儀表管道圖（PID）和實際工藝流程情況，對兩平臺的容器及管道進(jìn)行了數(shù)量統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 容器、管道數(shù)量

數(shù)據(jù)錄入前，首先進(jìn)行定性的篩選分析。篩選決定保留所有容器，僅對管道進(jìn)行篩選。依據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)腐蝕性，綜合考慮失效可能性和失效后果兩個因素，選出失效可能性和失效后果都很小的管道篩，不進(jìn)入詳細(xì)分析階段。篩選按照如下原則：

（1）設(shè)備類型 RBI分析包括壓力容器、壓力管道、常壓容器；

（2）系統(tǒng) 油、氣、水工藝系統(tǒng)進(jìn)行RBI分析，儀表、發(fā)電、安全和緊急關(guān)閉系統(tǒng)不進(jìn)行RBI分析；

（3）環(huán)境 油氣管道，如果有失效泄漏發(fā)生，可能污染環(huán)境，失效后果嚴(yán)重，詳細(xì)RBI分析；

（4）介質(zhì) 淡水、新鮮水、空氣（儀表氣除外）的容器和管道，其失效可能性低、失效后果低，不進(jìn)行詳細(xì)RBI分析；

（5）規(guī)格 管徑小于2mm（50.8mm）的管道（原油、天然氣、燃料氣除外），其失效后果低，不進(jìn)行詳細(xì)RBI分析；

（6）材料 非金屬材質(zhì)的管道，腐蝕失效可能性低，不進(jìn)行詳細(xì)RBI分析；碳鋼管道，受介質(zhì)腐蝕或沖刷腐蝕影響，失效可能性高，詳細(xì)RBI分析；不銹鋼管道，受介質(zhì)減薄腐蝕影響小，可能受應(yīng)力腐蝕影響，失效可能性中、高，詳細(xì)RBI分析。

最終篩選分析結(jié)果為容器數(shù)量保持124臺不變，管道數(shù)量平臺1縮減為695條，平臺2縮減為207條，總管道數(shù)縮減為902條。

2.5 數(shù)據(jù)錄入及分析計算

篩選之后，將最終的設(shè)備及管道數(shù)據(jù)錄入軟件，并進(jìn)行風(fēng)險計算與分析，即可得到設(shè)備及管道的失效可能性、失效后果、風(fēng)險等級、腐蝕機(jī)理、腐蝕速率、腐蝕敏感性和初步的檢驗策略。管道與設(shè)備輸入軟件所需的基本設(shè)計數(shù)據(jù)相似，圖3為管道輸入軟件所需的基本設(shè)計數(shù)據(jù)。

圖中深色部分為必填，最上方為總的描述，包括管道的編號、功能、對生產(chǎn)的影響、項目開始的時間、對環(huán)境的污染等；下方為設(shè)計數(shù)據(jù)，主要包括管道的體積、設(shè)計壓力、設(shè)計壽命、材料等級、是否有內(nèi)襯及其材料、是否有保溫及相應(yīng)的保溫狀態(tài)、管道實際壁厚、最小壁厚、管道長度、管道等級、盲管數(shù)、接管數(shù)、法蘭數(shù)、閥門數(shù)等。

圖3 管道設(shè)計數(shù)據(jù)圖

表3 容器及管道損傷機(jī)理統(tǒng)計表

由表3以見，容器及管道的損傷機(jī)理主要有以上7種。其中大氣及保溫層下的腐蝕占大部分，其次是細(xì)菌腐蝕、CO2腐蝕等，根據(jù)容器及管道存在的損傷機(jī)理，可以有針對性的對容器及管道進(jìn)行檢測與維護(hù)。

經(jīng)過分析整理，對每臺容器和每條管道，給出了一個定量的風(fēng)險結(jié)果。將處于不同風(fēng)險等級的容器和管道進(jìn)行了統(tǒng)計匯總，其相應(yīng)風(fēng)險等級的容器和管道數(shù)量見圖4和圖5。

圖4 容器風(fēng)險分布圖

3 分析結(jié)果

基本數(shù)據(jù)輸入軟件后，經(jīng)計算及人工整理和匯總，得到容器及管道損傷機(jī)理統(tǒng)計表見表3。

圖4、5中，每個數(shù)字代表相應(yīng)的容器及管道的數(shù)量。其中，高風(fēng)險容器及管道數(shù)量都為0，中高風(fēng)險容器及管道數(shù)量分別為14和4，中風(fēng)險容器及管道數(shù)量分別為149和314，低風(fēng)險容器及管道數(shù)量分別為75和584。從風(fēng)險分布圖可以清晰地看出整體的風(fēng)險等級分布情況，從而進(jìn)行合理的檢測與維護(hù)。

圖5 管道風(fēng)險分布圖

4 檢驗策略制定

制定優(yōu)化的檢驗策略是RBI工作最終成果的體現(xiàn)，RBI通過對每臺靜設(shè)備和管道不同的設(shè)計、工藝、操作參數(shù)及損傷機(jī)理進(jìn)行具體分析，給出了每臺靜設(shè)備和管道的檢驗計劃［6］。其優(yōu)點如下：①根據(jù)損傷機(jī)理確定應(yīng)檢查的缺陷類型；②根據(jù)損傷發(fā)生的部位來選擇檢驗部位；③根據(jù)需檢測的缺陷類型選擇采用何種檢測方法；④根據(jù)安全與經(jīng)濟(jì)效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則來確定檢驗周期［7］。

以平臺1中的某三級分離器為例，制定如下檢驗策略。該三級分離器為三相臥式容器，處理來自二級分離器及原油計量分離器的原油和天然氣系統(tǒng)凝析液相，進(jìn)一步將物流分為油、氣、水三相。其操作條件為：溫度50℃，壓力450kPa。三級分離器建造壁厚為19mm，材質(zhì)為SA516-70N。

進(jìn)行RBI分析時，將分離器分為底部油、底部水、上部三部分。將分離器基本數(shù)據(jù)輸入軟件計算后，得出其風(fēng)險等級及損傷機(jī)理，見圖6。

圖6 三級分離器風(fēng)險及損傷機(jī)理簡圖

圖6中，上部及底部水兩部分為深色，代表中風(fēng)險等級，底部油為潛色，代表中高風(fēng)險等級。⑦，⑧和⑨代表腐蝕機(jī)理類型，分別為大氣及保溫層下腐蝕和細(xì)菌腐蝕、CO2腐蝕。經(jīng)軟件計算得出，三部分的大氣及保溫層下的腐蝕速率均為0.2mm·a-1，CO2腐蝕速率為0.1mm·a-1，細(xì)菌腐蝕的敏感性為“中高”。針對以上分析得出的風(fēng)險等級和腐蝕機(jī)理，結(jié)合歷史檢驗記錄，由軟件得到一個初步的檢驗策略，最后經(jīng)由RBI專家分析整理，得到該三級分離器的檢驗策略。

（1）檢驗部位 底部主要為筒體、封頭、油氣界面及底部接管；上部主要為筒體、封頭及接管等；

（2）外部檢驗 檢驗周期為1a，即下次檢驗時間為2012年11月，主要檢測手段為100%宏觀檢查和超聲測厚1015個點，下下次檢驗為2013年11月，依次類推；

（3）內(nèi)部檢驗 檢驗周期為1.5a，下次檢驗時間為2013年5月，主要檢測手段為100%宏觀檢查與超聲測厚1015個點；其中測厚點建議增加油水、氣界面及上部的測厚點，下下次檢驗為2014年11月，依次類推。

另外，對不同風(fēng)險等級的容器及管道建議采用不同的維護(hù)檢驗措施。例如，對于高風(fēng)險的設(shè)備應(yīng)重點關(guān)注，縮短檢驗周期，每次檢驗后重新評估其風(fēng)險等級，加強(qiáng)其對腐蝕性介質(zhì)的監(jiān)測，如細(xì)菌、H2S，CO2等含量的監(jiān)測，根據(jù)結(jié)果調(diào)整化學(xué)藥劑的注入；對于中高風(fēng)險的設(shè)備，應(yīng)按RBI推薦的檢驗周期、檢驗方法進(jìn)行檢驗，同樣加強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的監(jiān)測，并且關(guān)注外部的腐蝕情況，注意檢查保溫層及防腐蝕層的完好；對于中風(fēng)險、低風(fēng)險的設(shè)備，按RBI推薦的周期方法檢驗即可。

5 小結(jié)

對兩個海洋平臺上部模塊的管道和容器進(jìn)行了RBI分析，通過對管道和容器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等資料的收集整理，利用RBI分析軟件對管道和容器進(jìn)行風(fēng)險分析，識別其腐蝕機(jī)理，并提出了未來5年內(nèi)的檢驗管理策略。

通過本次RBI分析，總結(jié)出進(jìn)行RBI工作的主要意義如下：

（1）確保設(shè)備本質(zhì)安全，延長設(shè)備安全運行時間。

（2）提供優(yōu)化的檢驗策略，識別可能的潛在高風(fēng)險的設(shè)備；采用針對性的檢驗技術(shù)來進(jìn)行檢驗。

（3）降低檢驗費用，根據(jù)不同的設(shè)備的危險程度來確定檢驗周期；檢驗費用重點投入于中高風(fēng)險設(shè)備。

（4）提高管理水平，通過識別風(fēng)險性質(zhì)、判定風(fēng)險高低，來制定有針對性的管理策略，從而控制風(fēng)險。

隨著RBI技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用與研究，與RBI技術(shù)相關(guān)的方法與軟件將會更成熟、更完善、更成功地應(yīng)用于我國化工與能源等相關(guān)企業(yè)。

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