海上平臺靜設備失效概率計算方法適用性研究*

凌愛軍，吳清紅，東靜波，敬加強，肖 飛

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

0 引言

近年來，基于風險的檢測(RBI)技術已成為我國石化行業研究的熱點，并被廣泛應用于各類陸上壓力設備、設施，取得了不錯的經濟效益和社會效益。但目前海上平臺靜設備評估方法相對滯后，仍然采用傳統的全面檢測技術，將RBI技術引入海上平臺靜設備的安全評估領域，研究其適用性具有重要意義[1]。

90年代初，美國石油協會(API)聯合挪威船級社(DNV)開發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的贊助，于2000年首次公布了RBI指導文件API 581，并先后于2008年、2016年進行更新，是目前指導RBI評估的主要標準[2-3]。陳慶娟等[4]對RBI在我國具體運用過程中存在的問題進行總結，認為由于各國國情的差異，需要針對國內行業、企業設備管理的特點和現狀進行深入的應用研究，逐步形成符合我國國情的RBI技術體系和應用模式；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備進行了評估。由于不同環境對設備退化的影響程度具有較大差異，海上設備所處環境更加惡劣，失效概率高且失效后果嚴重，國外RBI軟件對國內海上平臺靜設備評估的適應性仍需進一步研究。

根據國內RBI技術發展的現狀，以API RP 581-2016提供的RBI評估方法為基礎，研究失效概率計算方法對國內海上平臺靜設備的適應性，采用模糊數學方法，并結合國內海上平臺靜設備特點及管理現狀，提出更加適用于國內海上平臺靜設備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在早期版本的基礎上，根據多年的應用經驗，進一步整合、調整得到。通用失效概率一般代表行業的設備失效標準，并不反映特定裝置的實際失效頻率，損傷系數與管理系統系數分別反映了損傷機理和設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；FMS為管理系統系數。

1.1 通用失效概率

通用失效概率是基于某領域內設備失效案例的統計數據計算出來的，同時與失效部位及尺寸等細節相關[7]。經過多年的實際應用后，API RP 581-2016對通用失效概率數值進行了修改和統一，設備的總失效概率均為3.06×10-5次/a。由于同一系統中設備的管理系統系數應是相同的，失效概率等級由損傷系數決定，管理系統系數主要用于區別不同系統的管理差異，用于調整設備及安全管理對失效概率的影響。因此，API RP 581-2016設定損傷系數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行等級劃分，但《中海油設備設施完整性風險管理程序》風險矩陣中失效概率等級是按照失效概率進行劃分的(如表2所示)，為了能夠遵循國內行業標準的要求確定風險等級，必須獲取適用于國內海上平臺設備的通用失效概率。目前，國內的相關單位或企業并未建立可使用的海上油氣生產平臺靜設備失效數據庫，不能提供適用的通用失效概率數據。很多專家、學者都指出了建立設備失效數據庫的重要性，但未給出具體可行的操作辦法。

表2 《中海油設備設施完整性風險管理程序》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、更新費用高、適用性存在差異等問題，對于國內從事海上油氣生產平臺設備評估的企業和單位來說，建立1套適合于自身條件的RBI評估系統具有很好的商業前景和技術價值。考慮到失效數據庫的建設工作，建議以數據庫軟件為基礎搭建RBI評估系統，既能夠節約購置軟件的費用，還能促進國內海上RBI評估技術的發展。

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

1.2 損傷系數

API RP 581-2016提供了21種損傷類型，7大類損傷系數(減薄、襯里損傷、應力腐蝕開裂、外部損傷、高溫氫脆、脆性斷裂、機械疲勞)，并根據損傷機理制定了不同的計算方法。海上平臺所處環境惡劣，海洋大氣的濕度大、鹽含量高，靜設備的腐蝕問題比陸上設備嚴重。實際運用RBI對海上平臺靜設備評估的結果表明[1, 5-6]，海上平臺靜設備的主要損傷類型表現為內部的CO2腐蝕、細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的計算方法進行研究，探究其在海上平臺靜設備的適用性。

減薄損傷系數主要用于確定內部腐蝕的嚴重度，外部損傷系數則主要確定外部腐蝕的嚴重度，二者的計算方法基本相同，流程大致分為2步：首先，根據式2計算損傷系數參數Art；然后，以Art，檢驗次數以及檢驗有效性等級查詢表格得到減薄損傷系數。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API RP 581-2016提供的檢驗有效性等級劃分標準確定。

(2)

式中：Art為損傷系數參數；trd為剩余厚度(上次外部或內部檢測得到厚度值)，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

根據式(2)不難發現，當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；而當剩余壁厚小于最小允許壁厚時，設備則處于非常危險的狀態，必須及時進行更換或補強。因此，判斷設備風險等級的依據，即剩余壁厚只有在(tmin,tmin+CA]范圍內，才能劃分風險等級。

以管道為例進行分析，GB/T 23803-2009[8]對腐蝕裕量的規定如下：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。根據海上平臺使用管道的規格，假設了6組最小允許壁厚進行分析，腐蝕裕量按3.0 mm假設。海上設備失效概率高，失效后果嚴重，在條件允許的情況下，應優先采用等級高的檢驗方法，因此，將檢測有效性等級假設為B級。根據API RP 581-2016提供的方法，確定管道到達最小允許壁厚時的損傷系數，結果如表4所示。

表4 不同檢驗次數下的減薄損傷系數

表4數據顯示，管道尺寸越大，檢驗次數越多，當管道達到最小允許壁厚時的損傷系數越小；根據API RP 581-2016失效概率等級劃分標準，當檢測次數達到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果來看，管道的腐蝕速率達到4～8 mm/a時，3 mm的裕量在腐蝕速率大的部位僅能支撐數月。海上平臺空間狹小，設備布置緊湊，人員的活動受平臺限制，逃生能力有限。易燃的油氣介質泄漏后，引發燃燒、爆炸事故可能造成嚴重的安全后果，流入海水中則會造成環境污染。若RBI計算的日期不能達到一定的準確度，管道可能存在危險運行的情況。

RBI體系是建立在國外工業生產和安全管理水平上的，在計算失效概率時以設計壽命為基準，而國內設備存在制造缺陷和長期超期服役等問題，嚴重影響設備的使用壽命，采用設計壽命進行RBI評估并不合理。陳慶娟等[4]、陳學東等[9]根據國內陸上石化裝置RBI評估的應用效果，建議在風險評估過程中用剩余壽命代替設計壽命作為計算失效概率的基準。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)。

嚴重程度指數=(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，并且需要執行以外觀檢查為主的年度檢驗，進一步突出了國內海上平臺環境惡劣，設備腐蝕速率快的特點。

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

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

圖中t1，t2，t3，t4為剩余壁厚的閾值，可以根據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)劃分標準，當剩余壁厚達到t1時，減薄損傷系數取1 000；當剩余壁厚達到t2時，減薄損傷系數取100；當剩余壁厚達到t3時，減薄損傷系數取20；當剩余壁厚達到t4時，減薄損傷系數取2。

ttarget=trd-Cr×ageT

(4)

t1=tmin

(5)

t2=tmin+CA

(6)

(7)

(8)

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

1.3 管理系統系數

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

2 案例分析

為了驗證前述減薄損傷系數計算方法的合理性與適應性，選取渤海某平臺上部靜設備進行分析。通過數據收集、整理，共獲得了110條管道和18項壓力容器及其組件的相關數據。分別采用API RP 581-2016提供的減薄損傷系數計算方法和新方法進行計算，并根據API RP 581-2016標準劃分失效概率等級，結果如表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中數據顯示，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準下，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靜設備失效概率等級的變化；由于壓力容器組件數量較少，2種方法D，E等級分布的壓力容器組件數量相差不大；而采用新方法劃分管道失效概率等級得到的D，E等級數量則明顯高于API RP 581-2016方法，說明新方法分析結果更為保守，符合海上平臺靜設備失效概率高的特點，具有更強的適應性。

3 結論

1)對于海上平臺靜設備的RBI評估，基于數據庫軟件建立RBI評估系統可更好地獲取適用于國內海上平臺靜設備的通用失效概率，并可提高RBI評估的工作效率。

2)基于模糊數學理論的腐蝕減薄損傷系數計算方法，充分考慮了海洋環境惡劣對海上平臺靜設備腐蝕的嚴重性，可提高RBI評估對國內海上平臺靜設備的適用性。

3)依據管理系統系數取值與管理水平的關系，企業或單位可根據自身管理水平與國際知名企業管理水平的差異判斷管理系統系數的正確性。

4)案例分析證實新方法計算所得的高失效概率等級的數量較多，符合海上平臺靜設備失效概率高的特點，但是其可靠性尚需進一步通過生產實踐檢驗。

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