海上平臺承壓設備失效可能性分析

孫昊天 趙建平

（1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院 南京 211816）

（2.江蘇省極端承壓裝備先進設計與制造重點實驗室 南京 211816）

海洋中蘊藏著大量的油氣資源,世界各國都在不斷地發(fā)展海洋石油開采能力,海上石油平臺是開發(fā)海洋油氣資源的重要形式。相較于陸地環(huán)境,海上平臺所處的環(huán)境較為復雜,海洋大氣環(huán)境中含有大量的水蒸氣、二氧化碳以及氯化鹽、硫酸鹽等懸浮物[1-2],原油中含有的H2S和SO2分子會對海上平臺承壓設備造成嚴重的腐蝕。且我國海上平臺油氣設備高度集中,一旦有設備發(fā)生失效,往往會造成嚴重的后果。

基于風險的檢驗（RBI）技術最早發(fā)源于能源工業(yè),在20世紀70年代的中期,英國健康安全總署開始要求設備管理者對壓力容器采用風險評估技術處理海上承壓設備的安全事故問題。[3-6]

張秀敏[7]等人通過對RBI定量風險評估中的失效可能性,計算了腐蝕減薄、應力腐蝕開裂、外部損傷、高溫氫腐蝕、脆性斷裂模塊的損傷次因子,得到設備總的損傷次因子來量化失效模式對同類失效頻率的影響。肖飛、石、李毅、聶炳林、劉洋洋、龐鑫[1,8-12]等人基于海上平臺所處的特殊地理環(huán)境,分析了海上平臺承壓設備所存在的主要腐蝕機理。Bai Yong[13]等人提出了一種對海底設備的基于風險的檢驗計劃方法,描述了海底設備的失效模式。Maneesh和Skovhus Torben Lund[14-15]等人總結了微生物腐蝕的研究歷史及研究現(xiàn)狀,分析了微生物腐蝕對海上平臺承壓設備的影響。

以上文獻表明,目前已經有很多學者對于海上平臺承壓設備腐蝕機理進行分析,總結了海上平臺承壓設備典型腐蝕機理。設備腐蝕機理的識別是失效可能性計算的基礎,但未有學者基于腐蝕機理識別進行失效可能性的分析。

為了解決這個問題,本文基于VB語言,開發(fā)海上平臺承壓設備失效可能性計算分析軟件,可以實現(xiàn)對設備腐蝕機理的快速識別,并可以進一步計算出被評價單元的失效可能性。本文結合某海上平臺一級分離器,運用所開發(fā)的軟件進行了實例計算。

1 海上平臺承壓設備腐蝕機理識別模塊開發(fā)

海上平臺承壓設備失效機理識別模型分為速率模型和敏感性模型：

1）速率模型。速率模型發(fā)生在損傷導致承壓設備壁厚局部或均勻減薄的情況下,損傷的程度隨著時間的增大,壁厚會逐漸減薄,失效概率也隨著時間而增大。速率模型的計算參數(shù)包括腐蝕速率均值和標準差。碳鋼和低合金鋼的大氣腐蝕、CO2腐蝕等失效屬于速率模型。

2）敏感性模型。敏感性模型下的腐蝕機理,在一段不確定的潛伏期過后,在受到外部事件的觸發(fā)時會迅速發(fā)生損傷。在該模型下會給出一個固定的失效概率值,且不隨時間變化。微生物腐蝕、不銹鋼的大氣腐蝕等失效屬于敏感性模型。

1.1 速率模型

在海上平臺承壓設備典型腐蝕機理中,碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕、碳鋼和低合金鋼保溫層下腐蝕、碳鋼和低合金鋼CO2腐蝕、碳鋼和低合金鋼水腐蝕（除污水外）、銅鎳合金水腐蝕和泥沙沖蝕的識別過程屬于速率模型。以碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕為例[12],識別過程如圖1所示。碳鋼和低合金鋼設備在無保溫層的情況下會發(fā)生大氣腐蝕,有保溫層的情況下可能會發(fā)生保溫層下腐蝕。

圖1 碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕識別過程

1.2 敏感性模型

不銹鋼大氣腐蝕、不銹鋼保溫層下腐蝕、不銹鋼保溫層下應力腐蝕開裂、不銹鋼水腐蝕、不銹鋼氯化物應力腐蝕開裂、碳鋼和低合金鋼水腐蝕（污水）、碳鋼和低合金鋼微生物腐蝕、硫化物應力腐蝕開裂、硫化氫環(huán)境下氫致開裂/應力導向氫致開裂的識別屬于敏感性模型。以不銹鋼大氣腐蝕為例[12],識別過程如圖2所示,不銹鋼大氣腐蝕機理的識別與設備的壁厚和涂層的狀態(tài)有關。首先判斷設備的保溫層狀況,若設備有保溫層,則可能發(fā)生不銹鋼保溫層下腐蝕；若設備無保溫層,則存在不銹鋼大氣腐蝕機理。

圖2 不銹鋼大氣腐蝕識別過程

1.3 腐蝕機理識別模塊開發(fā)

基于各腐蝕機理識別方法,結合VB語言,編制海上平臺承壓設備典型腐蝕機理識別模塊、垢下腐蝕趨勢分析模塊。該模塊功能界面按照材質以及數(shù)據(jù)信息來自動識別腐蝕機理,判斷結垢趨勢。腐蝕機理識別模塊界面見圖3,垢下腐蝕趨勢分析模塊界面見圖4。

圖3 腐蝕機理識別模塊界面

圖4 結垢趨勢分析模塊界面

2 失效可能性計算方法及計算模塊開發(fā)

2.1 失效可能性計算方法

失效可能性計算以同類失效頻率（gff）為基礎,通過設備系數(shù)（FE）和管理系數(shù)（FM）進行修正,修正后的失效頻率即為失效可能性。在API 581標準[16]中給出了不同設備和不同管徑的同類失效頻率（gff）,設備系數(shù)（FE）包括損傷次因子、通用次因子、機械次因子和工藝次因子,其中通用次因子、機械次因子和工藝次因子可以從API 581標準[16]里對應的數(shù)據(jù)表中查得。管理系數(shù)（FM）用于評估企業(yè)的管理水平。損傷次因子為各腐蝕機理下?lián)p傷因子的總和。

本節(jié)提出海上平臺承壓設備失效可能性計算中,損傷因子DF的計算方法,詳細的計算過程在下文進行介紹。

管理系數(shù)FM=1表示企業(yè)管理水平與23家世界知名石化企業(yè)的管理水平相當；FM=0.1表示企業(yè)管理水平比23家世界知名石化企業(yè)低1個數(shù)量級；FM=10表示企業(yè)管理水平比23家世界知名石化企業(yè)高1個數(shù)量級[7]。

失效可能性計算見式（1）。

●2.1.1 速率模型下?lián)p傷因子計算方法

速率模型提供腐蝕速率的均值和標準差,當腐蝕速率理論值過大時,采用經驗值進行計算。

以碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕為例,在識別出設備存在碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕機理后,其模型特征值見表1。若設備有涂層,則要根據(jù)式（2）計算涂層的退化速率,對無涂層下的模型特征值進行修正。

表1 無涂層碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕計算模型特征值

式（2）中涂層完好性百分比曲線如圖5所示。

圖5 涂層隨投用時間的完好性曲線

速率模型下的失效用極限狀態(tài)函數(shù)y(Zi)來定義,y(Zi)＞0為安全狀態(tài),y(Zi)＜0會發(fā)生失效。損傷因子DF的計算通過極限狀態(tài)函數(shù)y(Zi)描述的失效模式來確定,本文采用一次二階矩方法[7]來預測失效概率,計算表達式見式（3）～式（7）。

式中：

σs——應力標準差；

σr——強度標準差；

r——強度；

s——應力；

μy——均值；

σy——標準差；

β——可靠性系數(shù)；

Pf——失效概率。

極限狀態(tài)函數(shù)的均值用式（8）來表示,標準差用式（9）來表示。

式中：

p——壓力；

δ0——壁厚；

D——直徑；

Δδ——壁厚損失；

σf——流變應力；

σp——壓力的標準差；

σσf——流變應力的標準差；

σΔδ——壁厚損失的標準差。

計算出可靠性系數(shù)β后,對應的失效概率為Pf=φ(β),本文通過在VB中調用Excel中的NORM.S.DIST函數(shù)來計算Pf的數(shù)值[17]。

在速率模型下,考慮3種破壞狀態(tài)（見表2）。失效模式下總的失效概率見式（10）。

表2 3種破壞狀態(tài)

式（10） 中P(A/B1)、P(A/B2)、P(A/B3)為 3種破壞狀態(tài)下的失效概率,P(B1)、P(B2)、P(B3)是每種失效狀態(tài)存在的概率。每種失效狀態(tài)存在的概率由檢驗程序有效性的置信度給出,不同檢驗有效性下的置信度見表3[7]。

表3 檢驗有效性的置信度

確定每種失效模式下總的失效概率P后,該失效模式下的損傷因子DFi由式（11）來計算。

式中：

P——總的失效概率；

gff——同類失效頻率；

DFi——損傷因子。

●2.1.2 敏感性模型下?lián)p傷因子計算方法

敏感性模型會給出一個固定的失效概率值,在識別出設備存在的腐蝕機理為敏感性模型后,確定其失效概率,損傷因子按照式（11）計算。

以不銹鋼大氣腐蝕機理為例,在判斷出存在不銹鋼大氣腐蝕機理后,按照式（12）或式（13）計算失效概率,按照式（2）計算涂層退化速率。

又如不銹鋼保溫層下腐蝕,若設備識別出存在不銹鋼保溫層下腐蝕,根據(jù)不銹鋼的材料及操作溫度,在圖6中可對應獲得單位壁厚失效概率[18],不銹鋼保溫層下腐蝕失效概率通過式（14）或式（15）計算,涂層退化速率通過式（2）計算。

圖6 不銹鋼保溫層下腐蝕單位壁厚失效概率[18]

2.2 失效可能性計算軟件開發(fā)

本文基于VB語言開發(fā)出海上平臺承壓設備失效可能性計算分析軟件,軟件界面見圖7。在計算得到各個失效模式下的損傷因子后,點擊“失效可能性”按鈕,軟件將自動計算出對應評價單元的失效可能性。點擊“數(shù)據(jù)重置”按鈕可以清空界面內所有數(shù)據(jù)。

圖7 海上平臺承壓設備失效可能性計算分析軟件界面

3 海上平臺承壓設備失效可能性計算實例

本節(jié)以某海上平臺原油系統(tǒng)中的一級分離器V-101為例進行腐蝕機理識別及失效可能性的詳細計算說明。

該平臺油井產物流經多路閥匯總后,與段塞流所承接的其他油田來液一同進入一級分離器V-101進行三相分離。由一級分離器分離出的水相進入污水處理系統(tǒng),氣相經流量計計量后進入壓縮機前冷卻器的入口,分離出的油相通過生產加熱器加熱后,進入二級分離器繼續(xù)進行三相分離。生產流程如圖8所示。

圖8 生產流程示意圖

3.1 設備參數(shù)

一級分離器的主要操作及設計參數(shù)見表4。

表4 一級分離器參數(shù)

3.2 評估單元劃分

根據(jù)容器內介質和腐蝕情況的分布,將設備劃分為13個評估單元,設備主體的評估單元劃分情況見表5,劃分示意圖如圖9所示。

圖9 設備分段示意圖

表5 設備評估單元劃分表

3.3 可隔離區(qū)劃分

通常將2個快速截斷閥之間的設備劃分為一個可隔離區(qū)域,本節(jié)將所選的一級分離器及相鄰管線劃分為一個可隔離區(qū)域。

3.4 腐蝕回路劃分

根據(jù)腐蝕回路的劃分原則,將腐蝕機理相同且彼此相連的設備劃分為一個腐蝕回路。詳細的腐蝕回路劃分見表6。

表6 設備腐蝕回路劃分詳情

3.5 腐蝕機理識別

將腐蝕機理識別所需的數(shù)據(jù)輸入腐蝕機理識別界面中,可以得到腐蝕機理識別結果。腐蝕回路C01腐蝕機理識別結果見圖10,腐蝕回路C01結垢趨勢分析結果見圖11,各個腐蝕回路腐蝕機理識別情況見表7。

圖10 腐蝕回路C01腐蝕機理識別結果

圖11 腐蝕回路C01結垢趨勢分析結果

表7 各腐蝕回路腐蝕機理識別情況

3.6 失效可能性計算

本節(jié)以腐蝕回路C01中的旋風分離器封頭為例進行失效可能性示例計算。經過軟件識別,腐蝕回路C01中包含保溫層下腐蝕、微生物腐蝕、CO2腐蝕和水腐蝕4種腐蝕機理。設備類型選擇“壓力容器”,點擊“同類失效頻率”按鈕可以得到同類失效頻率gff為0.000 156。

在識別出被評價單元所在腐蝕回路的失效機理后,點擊主界面上對應的失效模式按鈕,輸入所需數(shù)據(jù)進行失效機理下?lián)p傷因子的計算。本節(jié)以腐蝕回路C01中旋風分離器封頭的損傷次因子計算為例,損傷次因子計算情況見圖12,失效可能性計算情況見圖13。所有評價單元的損傷因子和失效可能性計算結果見表8。

圖12 損傷次因子總和計算模塊示意圖

圖13 失效可能性計算軟件主界面示意圖

表8 各評價單元計算結果

表8（續(xù)）

4 結束語

海上平臺承壓設備工作環(huán)境惡劣,腐蝕環(huán)境復雜。本文在分析設備典型腐蝕機理識別過程的基礎上,結合VB語言,開發(fā)海上平臺承壓設備失效可能性計算分析軟件,軟件中的腐蝕機理分析識別模塊能夠實現(xiàn)對于承壓設備腐蝕機理的快速識別。

本文結合基于風險的檢驗中定量風險分析中失效可能性的計算方法,提出速率模型和敏感性模型下?lián)p傷次因子的計算方法,結合VB語言,開發(fā)軟件中失效可能性計算模塊,可以在識別腐蝕機理的基礎上,計算被評價單元在多種腐蝕機理下的失效可能性。并結合某海上平臺一級分離器,得到該承壓設備各評價單元的損傷次因子和失效可能性的計算結果。