海上壓力容器腐蝕行為的風(fēng)險(xiǎn)與檢驗(yàn)研究

摘要

基于API 581標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合壓力容器現(xiàn)場(chǎng)所處環(huán)境和對(duì)應(yīng)腐蝕機(jī)理，采用定量分析方法對(duì)壓力容器各類(lèi)損傷系數(shù)、失效概率和失效后果進(jìn)行分析與計(jì)算。同時(shí)結(jié)合制定的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對(duì)壓力容器風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行高低劃分，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)高的設(shè)備及組件，結(jié)合其各類(lèi)損傷系數(shù)和失效后果，制定針對(duì)性的未來(lái)檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)計(jì)劃、檢驗(yàn)措施和相關(guān)后果監(jiān)控措施。研究結(jié)果能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器及組件的風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)確定量評(píng)估，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)制定相應(yīng)檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)計(jì)劃。此方法對(duì)合理分配現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人力、財(cái)力和控制平臺(tái)安全生產(chǎn)具有重要意義。且該方法已成功應(yīng)用于中國(guó)海域FPSO，可供其他工程借鑒參考。

關(guān)鍵詞： API 581標(biāo)準(zhǔn)； 壓力容器； 風(fēng)險(xiǎn)； 檢驗(yàn)

在能源交通、陸上石油化工、海上油氣生產(chǎn)等重要領(lǐng)域中，壓力容器被廣泛地使用。尤其在海上油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，壓力容器是常見(jiàn)且必不可少的設(shè)備，控制壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)控制平臺(tái)安全生產(chǎn)具有重要作用，因此對(duì)壓力容器進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

在20世紀(jì)80年代，挪威有關(guān)部門(mén)頒布了海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中壓力容器和壓力管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)管理的評(píng)估規(guī)范，要求對(duì)壓力容器和壓力管道進(jìn)行腐蝕定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)海上石油公司開(kāi)始對(duì)海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的壓力容器和壓力管道的腐蝕損壞有了一定的重視，為了減少生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，要求美國(guó)石油協(xié)會(huì) （API） 協(xié)同挪威船級(jí)社 （DNV） 將腐蝕定量分析評(píng)估技術(shù)實(shí)施到美國(guó)的海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)上。2008年，API在總結(jié)設(shè)備檢驗(yàn)的基礎(chǔ)之上正式頒布了API RP 581 《Risk-Based Inspection Base Resource Document》（First Edition），同時(shí)此推薦標(biāo)準(zhǔn)也被中國(guó)石油天然氣行業(yè)設(shè)為推薦標(biāo)準(zhǔn)[1]。API RP 581于2016年更新為《Risk-based Inspection Methodology》（Third Edition）[2]，APRIL 2016。基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù) （RBI） 理論[3-5]在工程上也有相關(guān)介紹和應(yīng)用。

目前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)普遍用于進(jìn)行海上設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作[6-9]，這類(lèi)分析方法從定性或半定量角度出發(fā)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，其結(jié)果受人、社會(huì)和企業(yè)等因素影響大，且準(zhǔn)確度低。而目前針對(duì)海管和平臺(tái)結(jié)構(gòu)等定量風(fēng)險(xiǎn)分析 （QRA） 方法[10-13]沒(méi)有結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，沒(méi)有針對(duì)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果制定對(duì)應(yīng)的未來(lái)檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)計(jì)劃，同時(shí)無(wú)法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)資源的合理分配。

為此基于API RP 581標(biāo)準(zhǔn) （Third Edition） ，本研究對(duì)平臺(tái)壓力容器各類(lèi)損傷系數(shù)、失效概率和失效經(jīng)濟(jì)后果進(jìn)行定量分析和計(jì)算，結(jié)合制定的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則對(duì)壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定。根據(jù)壓力容器失效概率曲線，確定壓力容器下一次檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)策略，同時(shí)指導(dǎo)業(yè)主未來(lái)采取相應(yīng)維修、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、保養(yǎng)措施和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)資源的合理分配。

1 研究方法

1.1 方法流程

FPSO上部壓力容器腐蝕風(fēng)險(xiǎn)與檢驗(yàn)研究方法流程如圖1所示。

圖1   壓力容器腐蝕風(fēng)險(xiǎn)與檢驗(yàn)方法研究流程

首先評(píng)估工作開(kāi)始之前應(yīng)制定嚴(yán)密的計(jì)劃，盡可能消除過(guò)程中可能出現(xiàn)的障礙或問(wèn)題，使各工作順暢、有序、高效地進(jìn)行?；陲L(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)需要收集多方面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程應(yīng)遵守一定的原則和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集應(yīng)確保數(shù)據(jù)的完整性。然后基于API 581理論基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析計(jì)算，得到失效概率和失效后果。結(jié)合制定的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對(duì)分析對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定。依據(jù)計(jì)算的各類(lèi)損傷系數(shù)，制定設(shè)備相應(yīng)損傷對(duì)應(yīng)的損傷減緩措施。最后根據(jù)失效概率曲線，確定設(shè)備下一次檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)計(jì)劃，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)資源合理分配。

通過(guò)對(duì)壓力容器進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，篩選出對(duì)壓力容器失效影響大的損傷系數(shù)。同時(shí)針對(duì)篩選出的大的損傷系數(shù)，制定未來(lái)專(zhuān)項(xiàng)的檢驗(yàn)措施。

通過(guò)壓力容器定量失效概率計(jì)算后，得到設(shè)備失效概率隨時(shí)間變化曲線。結(jié)合業(yè)主給定的風(fēng)險(xiǎn)可接受線，確定未來(lái)下一次檢驗(yàn)日期和檢驗(yàn)有效性，最終用于指導(dǎo)業(yè)主制定檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)計(jì)劃。

1.2 腐蝕概率分析

在海洋氣候環(huán)境下壓力容器常見(jiàn)有兩類(lèi)腐蝕損傷，第一類(lèi)損傷為與材料腐蝕速率相關(guān)的損傷，包括內(nèi)部減薄損傷、外部暴露減薄損傷和保溫層下減薄損傷；第二類(lèi)損傷主要與容器材質(zhì)、介質(zhì)屬性和所處環(huán)境等相關(guān)的應(yīng)力損傷，包括硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷、H2S氫致開(kāi)裂/硫化氫應(yīng)力導(dǎo)向氫致腐蝕開(kāi)裂損傷、氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷、外部暴露氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷和保溫層下氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷。

關(guān)于內(nèi)部減薄損傷系數(shù)，由式 （1） 計(jì)算壁厚減薄比例系數(shù)Art：

式中，Cr，bm為設(shè)備基材的腐蝕速率，mm/a；trdi為最后一次檢測(cè)壁厚，mm；Age為RBI評(píng)估日期與最后一次檢驗(yàn)之間的時(shí)間間隔，a。

式中，P為設(shè)計(jì)壓力；D是內(nèi)直徑；TS為設(shè)備材料設(shè)計(jì)溫度下抗拉強(qiáng)度；YS為設(shè)備材料設(shè)計(jì)壓力下屈服強(qiáng)度；E焊接接頭系數(shù)；S為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；tc設(shè)備最小的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度厚度；tmin按照設(shè)備設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的設(shè)備最小壁厚[14,15]；FSThin為流變應(yīng)力；當(dāng)設(shè)備為圓筒體，α=2；如設(shè)備為球形，α=4；如設(shè)備為封頭，α=1.13；SRpThin為強(qiáng)度比參數(shù)，為式 （3） 和 （4） 計(jì)算中的最大值。

在內(nèi)部減薄損傷系數(shù)的計(jì)算中定義的3種損傷狀態(tài)如下：

損傷狀態(tài)1：損傷不比預(yù)期的差，或設(shè)定預(yù)期腐蝕速率系數(shù)為1；損傷狀態(tài)2：損傷比預(yù)期的稍差，或設(shè)定預(yù)期腐蝕速率系數(shù)為2；損傷狀態(tài)3：損傷比預(yù)期嚴(yán)重得多，或設(shè)定預(yù)期腐蝕速率系數(shù)為4。3種損傷狀態(tài)下檢驗(yàn)有效性系數(shù)I1thin、I2thin、I3thin、3種損傷狀態(tài)后驗(yàn)概率Pop1thin、Pop2thin、Pop3thin和3種損傷狀態(tài)下可靠性指數(shù)β1thin、β2thin、β3thin計(jì)算如下：

式中，NAThin、NBThin、NCThin、NDThin為每一種檢驗(yàn)有效性下的檢驗(yàn)次數(shù)；Prp1thin、Prp2thin、Prp3thin為3種損傷狀態(tài)下的先驗(yàn)概率；Cop1thin、Cop2thin、Cop3thin為3種損傷狀態(tài)下的條件概率；修正系數(shù)Cov△t=0.2、Covsf=0.2、Covp=0.05、Ds1=1、Ds2=2、Ds3=4；Art為壁厚減薄比例系數(shù)；SRpThin為強(qiáng)度比參數(shù)。

確定內(nèi)部減薄 （thin） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)Dfbthin如下：

針對(duì)外部暴露減薄損傷系數(shù)和保溫層下減薄損傷系數(shù)，通過(guò)設(shè)備所處環(huán)境條件和操作溫度來(lái)確定設(shè)備基材的腐蝕速率CrB[2]，其他相關(guān)參數(shù)同由上述式 （1）~（13） 計(jì)算。

最終外部暴露減薄損傷系數(shù)Dfext見(jiàn)式 （16），保溫層下減薄 （CUIF） 損傷系數(shù)Dfext見(jiàn)式 （17）。

根據(jù)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的H2S含量、設(shè)備介質(zhì)的操作溫度、介質(zhì)中Cl-濃度、設(shè)備所處環(huán)境條件和pH值[2]，確定嚴(yán)重度指數(shù)SVI[2]。通過(guò)最高檢驗(yàn)有效性的檢驗(yàn)次數(shù)和嚴(yán)重度指數(shù)SVI，得到硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （SSC） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)DfBSSC、硫化氫氫致開(kāi)裂/硫化氫應(yīng)力導(dǎo)向氫致腐蝕開(kāi)裂 （HIC/SOHIC-H2S） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)DfbHIC/SOHIC-H2S、氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （CLSCC） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)DfBCLSCC、外部暴露氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （External CLSCC） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)DfBext-CLSCC和保溫層下氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （CUI CLSCC） 基礎(chǔ)損傷系數(shù)DfBCUIF-CLSCC。

分別通過(guò)式 （18~22） 計(jì)算硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷系數(shù)DfSSC、H2S氫致開(kāi)裂/H2S應(yīng)力導(dǎo)向氫致腐蝕開(kāi)裂損傷系數(shù)DfHIC/SOHIC-H2S、氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷系數(shù)DfCLSCC、外部暴露氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷系數(shù)Dfext-CLSCC和保溫層下氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷系數(shù)DfCUIF-CLSCC。

1.3 蝕后果分析

關(guān)于壓力容器失效造成的直接經(jīng)濟(jì)后果，主要考慮以下5個(gè)部分。

由于設(shè)備本身失效需要進(jìn)行檢修或更換的成本FCcmd；當(dāng)設(shè)備失效后會(huì)對(duì)周?chē)渌O(shè)備造成損傷，在檢修或更換這些周?chē)O(shè)備時(shí)造成的成本FCaffa；當(dāng)設(shè)備失效損壞后，檢修或更換這些設(shè)備會(huì)造成平臺(tái)產(chǎn)量損失，這些產(chǎn)量損失的經(jīng)濟(jì)成本FCprod；當(dāng)設(shè)備失效可能導(dǎo)致設(shè)備周?chē)娜藛T受到傷害，進(jìn)而造成人員傷害成本FCinj；設(shè)備失效可能造成介質(zhì)泄露污染環(huán)境，需要投入成本用于治理受污染的環(huán)境，其環(huán)境清理成本為FCenviron。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)收集與篩選

中國(guó)海域FPSO上部設(shè)備生產(chǎn)分離器 （V-2001） 于2014年2月投用，2018年3月平臺(tái)檢驗(yàn)日對(duì)生產(chǎn)分離器進(jìn)行了內(nèi)外部檢測(cè)。此次對(duì)生產(chǎn)分離器的檢測(cè)方式為非開(kāi)罐檢測(cè)，且對(duì)懷疑區(qū)域的狀態(tài)監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行大于80%的超聲波檢測(cè)。

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)外部檢測(cè)時(shí)，設(shè)備外涂層有大面積已經(jīng)全部腐蝕，設(shè)備左封頭腐蝕情況比右封頭嚴(yán)重，且左封頭檢測(cè)壁厚小于右封頭檢測(cè)壁厚?？紤]設(shè)備整體風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，以設(shè)備最大的部件風(fēng)險(xiǎn)作為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的原則，因此本研究主要分析生產(chǎn)分離器筒體和左封頭的風(fēng)險(xiǎn)情況。結(jié)合設(shè)備所處海域環(huán)境條件和設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)狀況，推斷設(shè)備內(nèi)部大概率會(huì)有腐蝕，因此假設(shè)設(shè)備內(nèi)部存在內(nèi)涂層已全面腐蝕的區(qū)域。

基于API 581中檢驗(yàn)有效性分類(lèi)，認(rèn)為2018年3月的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方式有效性為B類(lèi)。2019年9月開(kāi)展設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)研究工作，時(shí)間間隔Age=1.5 a。

對(duì)生產(chǎn)分離器的設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選，此次收集的生產(chǎn)分離器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料包括前述腐蝕風(fēng)險(xiǎn)研究所需的關(guān)鍵參數(shù)，如生產(chǎn)分離器尺寸和材料、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度、焊接系數(shù)等。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與篩選包括生產(chǎn)分離器內(nèi)介質(zhì)及屬性、現(xiàn)場(chǎng)操作溫度和壓力、保溫層類(lèi)型、設(shè)備所處環(huán)境條件和設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)外涂層腐蝕情況等，如表1~5所示?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備腐蝕情況見(jiàn)圖2所示。

表1   生產(chǎn)分離器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表[I]

表2   生產(chǎn)分離器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表[II]

表3   生產(chǎn)分離器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表[1]

表4   生產(chǎn)分離器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表[II]

表5   生產(chǎn)分離器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表[III]

圖2   簡(jiǎn)體及封頭的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

依據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)[14,15]，分析時(shí)間間隔Age=1.5 a （RBI Date），生產(chǎn)分離器筒體和左封頭失效概率計(jì)算結(jié)果分別如表6和7所示。

表6   生產(chǎn)分離器筒體失效概率計(jì)算結(jié)果

表7   生產(chǎn)分離器左封頭失效概率計(jì)算結(jié)果

關(guān)于生產(chǎn)分離器失效造成的經(jīng)濟(jì)后果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，維修或更換生產(chǎn)分離器成本、生產(chǎn)分離器失效影響其他設(shè)備的成本、停產(chǎn)造成的產(chǎn)量損失成本、造成的人員傷害成本和環(huán)境清理成本分別為30萬(wàn)美元、0、146萬(wàn)美元、0、1萬(wàn)美元。其中生產(chǎn)分離器與外部設(shè)備隔離，基本不會(huì)影響區(qū)域中其他設(shè)備和人員；生產(chǎn)分離器存在圍堰，其失效不會(huì)造成海域污染，只需考慮生產(chǎn)分離器失效造成的圍堰區(qū)域清理成本。生產(chǎn)分離器失效造成的總的經(jīng)濟(jì)后果為177萬(wàn)美元。

由風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則來(lái)判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則推薦如表8所示[16]。

表8   經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

2.3 制定檢驗(yàn)

左封頭和筒體的失效概率隨時(shí)間t的曲線分別為圖3和4所示，業(yè)主制定的失效概率可接受值為5×10-3。

圖3   左封頭失效概率曲線

圖4   筒體失效概率曲線

當(dāng)下一次檢驗(yàn)日不確定并要求推導(dǎo)下一次檢驗(yàn)日的情況：根據(jù)左封頭失效概率曲線，建議在距最近一次檢驗(yàn)時(shí)間間隔t1=2.3時(shí) （2020年8月左右） 對(duì)生產(chǎn)分離器進(jìn)行檢驗(yàn)，且根據(jù)此次檢驗(yàn)有效性的類(lèi)別，未來(lái)檢驗(yàn)時(shí)間應(yīng)在失效概率第二次到達(dá)5×10-3的時(shí)間之前。

當(dāng)下一次檢驗(yàn)日期確定的情況：若概率第一次到達(dá)5×10-3的時(shí)間t1在確定的下一次檢驗(yàn)日期之前，建議應(yīng)在t1時(shí)間前提前對(duì)設(shè)備執(zhí)行檢驗(yàn)，并確保執(zhí)行檢驗(yàn)后，未來(lái)失效概率第二次到達(dá)5×10-3的時(shí)間t2要大于確定的下一次檢驗(yàn)日期。

3 結(jié)論

（1） 在海洋工程上部靜設(shè)備領(lǐng)域，API 581的定量風(fēng)險(xiǎn)研究方法簡(jiǎn)便且易于工程應(yīng)用，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確定量評(píng)估；由本研究所列的風(fēng)險(xiǎn)可接受矩陣，判定FPSO生產(chǎn)分離器目前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重大風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 通過(guò)對(duì)FPSO生產(chǎn)分離器的研究，內(nèi)部減薄損傷、氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷和保溫層下氯應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷是設(shè)備損傷失效的主要原因。

（3） 生產(chǎn)分離器左封頭風(fēng)險(xiǎn)作為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)失效概率曲線制定檢驗(yàn)周期，同時(shí)依據(jù)計(jì)算的損傷系數(shù)，對(duì)設(shè)備失效影響最大的損傷制定專(zhuān)項(xiàng)檢驗(yàn)計(jì)劃。

（4） 按照本研究介紹的方法對(duì)FPSO上所有靜設(shè)備壓力容器和管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，得到FPSO所有設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序，進(jìn)而用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)資源的合理配置。這將作為下一步的重點(diǎn)研究工作。