基于API 581標準的海上壓力容器腐蝕定量風險評估

周 然，李祥鋒，凌愛軍，楊清峽，李 曄，杜建港

（1.中國船級社海洋工程技術中心，天津300457；2.中國船級社海工檢驗管理處，北京100007）

壓力容器廣泛應用于能源交通、陸上石油化工、海上油氣生產等重要領域，尤其與油氣生產息息相關。因此，對壓力容器進行腐蝕定量風險分析具有重要意義。

目前，定量風險評估（QRA）技術普遍用于海上平臺的風險評估［1-6］，且此技術具有廣闊的應用前景。然而，各種QRA方法的復雜性和準確性差異很大。在20世紀80年代，挪威有關部門頒布了海上油氣生產設施中壓力容器和壓力管道的腐蝕風險管理評估規范，要求對壓力容器和壓力管道進行腐蝕定量風險評估。20世紀90年代初，美國一些海上石油公司開始重視海上油氣生產平臺的壓力容器和壓力管道的腐蝕損壞。為了減少生產成本，提高經濟效益，石油公司要求美國石油協會（API）協同挪威船級社（DNV）將腐蝕定量分析評估技術應用于美國的海上油氣生產平臺。2000年5月，API在總結設備檢驗的基礎上正式頒布了API Publication 581《Risk－Based Inspection Base Resource Document》，并于2008年更新為API Publication 581《Risk－Based Inspection Technology》。在基于API 581標準的QRA技術基礎上，基于風險的檢驗技術（RBI）也得到了廣泛的應用。

為此，筆者基于API Publication 581標準（2008版），對平臺壓力容器的各類腐蝕損傷系數、失效概率和失效經濟后果進行了定量研究，通過制定的經濟風險可接受準則對壓力容器的腐蝕風險等級進行判定。根據平臺壓力容器風險等級指導業主采取相應維修、風險監控和保養措施。

1 定量風險評估流程

平臺壓力容器定量風險評估流程如圖1所示。

圖1 壓力容器的腐蝕定量風險評估流程Fig.1 The process of corrosion QRA for pressure vessel

由圖1可見：評估工作開始之前應制定嚴密的計劃，盡可能消除過程中可能出現的障礙或問題，使各工作順暢、有序、高效地進行。QRA過程需要收集多方面數據，數據采集過程應遵守一定的原則和標準，同時數據采集應確保數據的完整性。隨后基于API 581－2008標準進行腐蝕風險定量分析計算，得到失效概率和失效后果。結合制定的風險可接受準則，對分析對象的風險等級進行判定。最后針對風險等級，提出相應的緩解措施。

2 損傷系數計算理論

平臺設備的服役環境苛刻，壓力容器等靜設備常見的腐蝕損傷［5-6］包括：內部腐蝕（CO2腐蝕、細菌腐蝕、硫化物應力腐蝕等）、保溫層下腐蝕、外部應力腐蝕開裂和機械疲勞腐蝕等。

根據GB 150.1～150.4－2011《壓力容器》標準，最小壁厚的計算公式如下，

式中：δ為筒體或封頭的厚度，mm；PC為計算壓力，MPa；Di為封頭或圓筒內徑，mm；φ為焊接接頭系數；K為橢圓形封頭形狀系數；［σ］t為設計溫度下圓筒或封頭材料的許用應力，MPa。

根據API 581－2008標準，保溫層下外部腐蝕損傷系數參數Art由公式（3）計算

式中：trd為容器最后一次檢測讀出的壁厚，mm；Cr，bm為容器在工作環境中的腐蝕速率，mm／a，詳見API581 PART－Tables 5.7～5.11；tage為距上次檢測日期的時間間隔，a；CA為腐蝕裕量，mm。

參見API581 PART－Tables 5.7～5.11，將計算得到的Art轉化為壓力容器外部腐蝕損傷系數。

檢驗方法有效性的規定和分類如表1所示，且1次高一級的檢驗等效于2次低一級的檢驗，即B＝2C。

表1 檢驗方法的有效性分類Tab.1 Validity classification of test methods

外部應力腐蝕開裂（SCC）損傷系數計算要先根據壓力容器所處環境判斷其氯致應力腐蝕開裂（CLSCC）敏感性，見表2，其中設備環境濕度和設備操作溫度為關鍵參數。

表2 設備的CLSCC敏感性Tab.2 CLSCC susceptibility of device

結合設備的CLSCC敏感性，通過表3確定設備在外部環境中的CLSCC嚴重程度指數（SⅥ）。

表3 外部環境中設備的SⅥTab.3 SⅥof the device in external environment

根據表1中設備檢驗次數和有效性類別，結合SⅥ值，根據API581－2008標準中PART 2部分Table 7.9～7.4，得出壓力容器保溫層下外部應力腐蝕損傷基礎系數DfB，CUI-CLSCC。再由式（4）計算保溫層下外部應力腐蝕損傷系數DfB，CUI-CLSCC。

采用式（5）和（6）計算由壓力容器外部所接支管振動造成的壓力容器機械疲勞基礎損傷系數和機械疲勞損傷系數。

式中：Df，mfat為機械疲勞損傷系數；DfB，mfat為機械疲勞基礎損傷系數；DfB，PF為基于以前已經發生過的失效次數確定的早期失效基礎損傷系數；DfB，AS為基于振動數量或管道中發現的噪音確定的振動基礎損傷系數；FfB，AS為基于振動的間歇循環確定的調整因子；DfB，CF為基于管道50英尺（1 524 cm）范圍內直接或間接連接的循環應力類型確定的周期載荷類型基準損傷系數；α為機械疲勞因子，由設備相關措施調整因子、管道復雜度和狀態調整因子、支管設計或接頭類型和支管直徑調整因子確定。

壓力容器的總體損傷系數按式（7）計算：

式中：Df-total為容器總體損傷系數；Df-gov，thin為容器總體減薄損傷系數；Df-gov，extd為容器總體外部損傷系數；Df-gov，scc為容器總的應力腐蝕開裂損傷系數。

3 失效概率計算理論

失效概率按式（8）計算

式中：Pf（t）為失效概率；gff為通用失效概率；Df（t）為損傷系數；FMS為管理系統系數。

設備通用失效概率由設備失效的統計數據得到，若統計數據不足，可參考API 581－2008標準提供的通用失效概率數據，如表4所示。

管理系統系數FMS采用調查和概率統計的方法確定。該方法由企業各部門對企業內部各大問題進行打分得到分數S，再運用式（9）、（10）轉換為管理系統系數FMS。

表4 通用失效概率推薦值Tab.4 Suggested values of generic failure frequencies

4 失效經濟后果計算理論

失效經濟后果計算考慮以下5種因設備失效導致的直接成本：

1）設備檢修或更換成本FCcmd；

2）設備失效影響區域中其他設備的破壞成本FCaffa；

3）介質泄漏和由于設備檢修或更換所導致的停工成本FCprod；

4）設備失效導致的人員傷害成本FCinj；

5）環境清理成本FCenviron。

設備檢修或更換成本FCcmd按式（11）計算：

式中：Chn為第n種泄漏孔導致的設備破壞成本，統計數據如 API 581-PART 3-Table5.14～5.15所示；gffn為容器第n種孔徑下的通用失效概率；gfftotal為容器整體的通用失效概率；Cm為材料價格系數，統計數據如 API 581-PART-Table5.14～5.16所示。

設備檢修或更換所導致的停工成本FCprod需要根據現場提供的數據確定。

5 風險可接受矩陣

由制定的風險可接受矩陣來判斷風險等級。中海油的經濟風險可接受準則如圖2所示。

6 工程實例

曹妃甸某海上平臺三臺立式撇油器（02-V-2610A／B／C）和三臺立式氣浮器（02-V-2630A／B／C）于2004年投用，2016年11月對壓力容器進行內部檢測，檢測數據見表5。

壓力設備的現場腐蝕情況見圖3，三組壓力容器的工藝參數及壁厚如表6所示。

評估時間tage＝0.5 a，按上述理論公式計算三組壓力容器的失效概率，結果見表7。

圖2 基于經濟損失失效后果的風險可接受準則Fig.2 Risk acceptance criteria based on economic loss consequences

取材料價格系數為Cm＝2.6。理論計算檢修或更換成本FCcmd為3.1（萬美元）。

作業方表示，曹妃甸作業區油田上的三組罐中，若任一組罐損壞，只會導致油田部分生產井關停，不會導致整個油田停產，具體經濟損失如下：每組罐（撇油＋浮選）維修按照停產10 d考慮；產量損失按照700 m3／d計算；每桶油按60美元計算，造成的經濟損失如下：設備檢修或更換所導致的停工成本FCprod＝264.3萬美元；總經濟損失267.4萬美元。

7 結論

表5 立式撇油器和立式浮選器的設計及運行參數Tab.5 Design and operating parameters of vertical oil skimmers and vertical flotations

（1）基于API 581標準的腐蝕定量風險評估方法更簡便且易于工程案例計算，此方法能實現對腐蝕風險的準確定量評估，適用于海上平臺壓力容器等靜設備的腐蝕定量風險評估；

圖3 壓力設備發現場腐蝕情況Fig.3 On-site corrosion of pressure equipment

（2）對曹妃甸某平臺壓力容器進行考察和評估，結果表明腐蝕是壓力容器失效的主要原因。即使設備存在嚴密的保溫層，也可能存在嚴重的外部腐蝕。在對平臺設備進行檢驗時，要定期要求業主實行拆保溫層檢驗，防止設備由于保溫層隔絕，錯誤判斷設備的腐蝕和風險情況；

（3）采用風險可接受矩陣判定曹妃甸某平臺壓力容器半年后的風險等級為重大風險，建議立即采取修復措施，以防重大風險發生；

（4）現場檢驗時，對存在腐蝕問題的設備，可以先參照本方法進行風險評估，在業主可接受的風險準則基礎上，對設備腐蝕風險等級進行判定。對低風險設備可以通過重點監控、改善設備工作環境、維護保養等措施來取代停產維修，進而更好地控制風險、降低生產成本；

（5）通過業主的風險可接受情況確定下一步檢驗周期對平臺控制風險檢驗具有重要意義。下一步可以重點研究設備基于腐蝕風險確定其檢驗周期。

表6 三組壓力容器的現場工藝參數及壁厚Tab.6 On-site process parameters and wall thicknessof three sets of pressure vessels

表7 三組壓力容器的失效概率Tab.7 Failure probability of three sets of pressure vessels