基于RBI技術的壓力容器評估應用

劉 鵬*

（中海油（中國）有限公司天津分公司）

0 引言

基于風險檢驗（RBI）是一種基于風險的系統(tǒng)評價方法,分析的對象是因設備損傷或失效而導致的介質泄漏情況,以設備檢驗檢測為手段進行風險管理和評估的過程,通過識別設備、管線的各種損傷、腐蝕原理來計算設備失效的概率，以及出現失效可能會造成的后果,利用矩陣圖來計算失效風險,并按照風險高低排序，有針對性地對選材、日常防護檢測及維修、工藝監(jiān)測、腐蝕情況管理等進行有效的控制和管理。

本文對渤海某油田的11 臺超過設計年限的壓力容器進行RBI 風險評估,采用DNV Offshore 軟件對容器設計、建造、運行、維護保養(yǎng)、歷年檢驗和介質化驗等相關信息進行分析和計算,將11 臺壓力容器從設計到使用至今的狀態(tài)進行全面調研，建立數據庫，對工藝系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析，劃分物流回路和腐蝕回路，從而計算失效概率和失效后果，再根據風險矩陣，確定風險級別,依據分析得到的風險級別和壓力容器固有或潛在的失效、損傷模式制定有針對性的檢驗管理對策,控制失效(損傷)及降低因未能識別、判斷腐蝕損傷事故的幾率,提高壓力容器在使用期間的安全性和可靠性,達到降低檢驗成本、使用成本，提高經濟效益的目的。

1 風險評估過程

1.1 資料收集

2020 年11 月,該項目組對11 臺壓力容器進行資料收集,收集內容如下:

（1）設計建造資料，包括建造圖紙、計算書、質量合格證明書等;

（2）工藝相關資料，設計資料主要包括平臺布置圖、 PFD 圖(即工藝流程圖)以及P&ID 圖(即管線與儀表流程圖)，使用期間的資料主要報告壓力容器的操作溫度和操作壓力、出入口的介質分析報告及取樣點化學分析報告等;

（3）操作記錄等資料，主要有設備操作規(guī)程以及日常的運行記錄，維修記錄;

（4）檢驗資料，包括近5 年（2016 年—2020 年）平臺容器的年檢報告;

（5）腐蝕監(jiān)控，2020 年第1 次腐蝕檢測報告;

（6）現場，對現場銘牌、設備、中控流程圖拍照。

在資料收集過程中發(fā)現，壓力容器資料缺失情況較普遍，由于A 平臺壓力容器服役年限較長，資料缺失情況尤為嚴重。該平臺75%以上壓力容器存在關鍵數據缺失的情況，無法滿足 RBI 風險評估的數據采集要求。針對這種情況，制定了相應的數據恢復方案，首先現場進行尺寸測量和壁厚檢測，并進行材質成分化驗，確定關鍵部件材質牌號，完成基礎數據的采集工作。該工作的難點在于確定材質。經調研，有3 種材質確認的方法：一是移動式全譜直讀光譜法，使用時瞬間產生電火花，該方法對于在役壓力容器存在安全隱患；二是便攜式直讀光譜分析，該方法無法測定碳元素的含量；三是高頻紅外碳硫分析儀和便攜式直讀光譜分析法，該方法需要至少取 1 g 壓力容器本體粉末，但在役壓力容器無法進行取樣。針對以上情況，通過對壓力容器用鋼主要牌號元素含量的變化進行研究，最終確定利用便攜式直讀光譜分析儀通過測定 Mn、Si 元素的含量，來進行壓力容器用鋼的材質分析，成功解決了該難題。

1.2 建立RBI數據庫

該項目在建立RBI 分析數據庫時,遇到的難題是壓力容器數據恢復問題，按照數據恢復制定的方案，首先進行了數據恢復，并完成現場數據采集工作。其次通過分析平臺工藝流程,對設備的關斷設置情況進行分析。梳理相關數據、篩選出所需的數據,并逐一審核數據的完整性、準確性和一致性，錄入軟件專屬表格，形成RBI 評估專用的數據庫。

1.3 評估單元劃分

在 RBI 軟件中，容器按照平臺-設備-設備部位的層次關系進行管理。設備部位是指根據設備結構劃分的設備部件，例如立式罐通常將上封頭、下封頭、筒體劃分為設備部位。按照其工作原理，分離器、換熱器、過濾器需劃分為多個設備部位進行管理和分析。這是因為不同設備部位的數據可能不同，介質也可能存在區(qū)別，因此具體的腐蝕情況可能存在差異，風險等級要分別進行研究。對于己劃分評估單元的設備，除了設備數據外，還必須填寫因設備劃分而形成的部件的數據；未劃分設備部位的設備應按照整臺設備進行管理。

1.4 物流回路劃分

物流回路劃分是根據工藝流程中的緊急關斷裝置的位置，界定容器發(fā)生泄漏時哪些部分的物料會泄漏，即容器發(fā)生失效導致泄漏時，切斷緊急關斷裝置，阻止泄漏擴大，緊急關斷裝置內的部分即為一個物流回路。根據其中的物料泄漏量計算小后果。

1.5 后果區(qū)劃分

海上平臺是一個龐大的設備系統(tǒng)，可實現一系列完整的生產流程，其中的各個分系統(tǒng)又可進行獨立劃分完成單獨的生產任務。海上平臺平面圖是進行后果區(qū)域劃分的基礎，防爆墻的設置位置和防爆等級決定了后果區(qū)域的劃分方式，一般把防爆等級為 A30 上的防爆墻當作劃分區(qū)域進行后果區(qū)域劃分，通過全面分析平臺的平面布置圖，將A1 平臺共劃分為1 個后果區(qū)，A2 平臺劃分2 個后果區(qū)，APP 平臺劃分4 個后果區(qū)。

1.6 識別損傷模式和腐蝕回路劃分

首先識別容器及其附屬設施的主要損傷模式，再根據設備的操作條件、材質及工藝介質等因素，將同一損傷模式的部件劃分為一個腐蝕回路，即將繁多的部件進行規(guī)整，匹配其損傷模式，進而便于計算其失效概率。

依據物料平衡和對實際物流采樣化驗數據的結果進行分析,該油田所屬的11 臺壓力容器主要的潛在損傷原理有:內部腐蝕（主要是二氧化碳腐蝕和微生物腐蝕）、應力腐蝕開裂（主要是濕H2S 損傷）、外部腐蝕（主要是保溫層下腐蝕及大氣腐蝕）。

1.7 風險計算

風險是失效概率和失效后果的乘積。容器的風險取決于2 個方面，即評價單元的失效概率和評價單元的失效后果。

（1）失效概率計算

計算失效概率時，首先應根據操作條件及設備管線基本參數確定損傷原理(通過腐蝕回路確定具有相同原理的管線和設備)，然后根據識別得到的每種損傷原理定量計算其失效概率,再根據權重計算總的失效概率。

（2）失效后果計算

失效后果包括人員安全后果、環(huán)境后果和經濟后果。以人員潛在的生命損失表示安全后果；使用適當金額的錢表示經濟后果（包括停產損失的費用和設備維修的花銷）；以污染物釋放到環(huán)境中的質量或體積，或因污染物溢出導致的環(huán)境清理費用來表示環(huán)境后果。失效后果計算時按預先劃分好的物流回路進行分別計算，即根據每個物流回路中的泄漏物料進行計算。泄漏物流的量主要取決于介質的黏度、密度以及失效孔的大小、現場的操作壓力等，計算前需將主要參數分別錄入數據庫，根據泄漏流體物料的量和性質來計算失效后果，不同的失效模式需分別進行失效后果計算，并將其加權計算出總失效后果。

本次RBI 分析中,分別計算了設備失效后造成的經濟后果和安全后果。

（3）風險計算

風險=失效概率×失效后果

一個高風險的設備風險有兩種形成可能：一是高的失效可能性與低的失效后果形成,二是高的失效后果與低的失效后果造成。所有詳細評估的壓力容器均針對不同的腐蝕原理計算了各自的風險大小。

（4）風險可接受準則

根據中國海洋石油集團公司資產完整性管理規(guī)定要求,并結合國際慣例制定本項目風險可接受準則,確定本項目安全可接收準則為每年每部件0.000 001，經濟可接受風險準則為USD 3000。

（5）風險矩陣

為保證現場能方便、快捷地對壓力容器的風險進行排序,利用5×5 矩陣圖的方法,矩陣圖中橫向矩陣數值為失效后果,按照失效后安全影響或經濟損失劃分為A～E 五個等級,縱向矩陣數值為失效概率,按照失效概率系數劃分1～5 五個等級,以此來確定經濟風險矩陣和安全風險矩陣。

2 風險評估結果

經過分析計算可知,目前的平臺壓力容器經濟風險狀況為不存在高風險單元，有7 個中風險單元和25 個低風險單元及51 個極低風險單元；安全風險狀況為不存在高風險單元，有13 個中風險單元和30 個低風險單元及40 個極低風險單元。

3 使用和維護策略

通過風險評價結果和損傷原理的分析,給出使用、維護策略及建議。

（1）針對11 臺均已超過設計服役年限的壓力容器,如風險較高的計量分離器和閉排罐,建議在生產條件允許的情況下,開展內部全面檢驗,了解容器內部腐蝕減薄和內部裂紋的真實狀況,降低風險。

（2）由于容器處在露天的海洋環(huán)境,極易產生保溫層下腐蝕,建議平臺加強設備的防腐涂層及保溫層的管理工作,維護防腐涂層和保溫層的完整性,降低外部腐蝕導致的風險,延長設備的安全運行周期。例如，WHPF 平臺的閉排罐接管處,常常出現嚴重銹蝕。

（3）焊縫及其熱影響區(qū)較容易產生應力腐蝕開裂,建議關注金屬焊接部位及其熱影響區(qū)。

（4）壓力容器有必要進行在線無損檢測,檢測中發(fā)現問題需進一步確認時，要相應增加檢測項目,提高檢測的精確度,降低失效發(fā)生的概率。

（5）建議建立和完善壓力容器的詳細臺賬,至少包括設備的操作條件、材質、壁厚、直徑、部件檢驗維修和更換歷史、保溫材料及防腐蝕涂層的維護和更換歷史等詳細信息,加強對壓力容器的管理。

（6）對存在二氧化碳腐蝕的部件,建議按檢驗策略給出的檢驗日期和檢驗方法UT/RT 30 實施檢驗;對存在內部應力腐蝕開裂的部件,建議按檢驗策略給出的檢驗日期和檢驗方法WFMT/ACFM 75 實施檢驗;對存在外部腐蝕的部件,建議按檢驗策略給出的檢驗日期和檢驗方法移除50%～100%保溫結合UT/RT 實施檢驗。

4 結語

在渤海某油田應用RBI 技術分析每個評估單元的損傷模式,評定每個部件的風險等級，并根據損傷模式和風險等級,制定相應的針對性的檢驗策略。根據檢驗策略實施3 年檢驗計劃，該計劃較傳統(tǒng)檢驗的檢驗量大幅減少,檢驗成本大大降低,檢驗方法更具針對性、有效性和完整性。將檢驗中心向高風險及中風險傾斜，低風險及極低風險只需最低監(jiān)管，檢驗頻次可以適當降低。通過系統(tǒng)的評估，對容器的情況進行了徹底摸排，也為設備維修、維護提供了數據基礎。