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(shù)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(yīng)用于能源交通、陸上石油化工、海上油氣生產(chǎn)等重要領(lǐng)域，尤其與油氣生產(chǎn)息息相關(guān)。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(shù)普遍用于海上平臺的風險評估［1-6］，且此技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，各種QRA方法的復(fù)雜性和準確性差異很大。在20世紀80年代，挪威有關(guān)部門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險管理評估規(guī)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(chǎn)平臺的壓力容器和壓力管道的腐蝕損壞。為了減少生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，石油公司要求美國石油協(xié)會（API）協(xié)同挪威船級社（DNV）將腐蝕定量分析評估技術(shù)應(yīng)用于美國的海上油氣生產(chǎn)平臺。2000年5月，API在總結(jié)設(shè)備檢驗的基礎(chǔ)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(shù)基礎(chǔ)上，基于風險的檢驗技術(shù)（RBI）也得到了廣泛的應(yīng)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(shù)、失效概率和失效經(jīng)濟后果進行了定量研究，通過制定的經(jīng)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(jù)平臺壓力容器風險等級指導(dǎo)業(yè)主采取相應(yīng)維修、風險監(jiān)控和保養(yǎng)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(yīng)制定嚴密的計劃，盡可能消除過程中可能出現(xiàn)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過程應(yīng)遵守一定的原則和標準，同時數(shù)據(jù)采集應(yīng)確保數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)的緩解措施。

2 損傷系數(shù)計算理論

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

根據(jù)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(nèi)徑，mm；φ為焊接接頭系數(shù)；K為橢圓形封頭形狀系數(shù)；［σ］t為設(shè)計溫度下圓筒或封頭材料的許用應(yīng)力，MPa。

根據(jù)API 581－2008標準，保溫層下外部腐蝕損傷系數(shù)參數(shù)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(huán)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(zhuǎn)化為壓力容器外部腐蝕損傷系數(shù)。

檢驗方法有效性的規(guī)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(yīng)力腐蝕開裂（SCC）損傷系數(shù)計算要先根據(jù)壓力容器所處環(huán)境判斷其氯致應(yīng)力腐蝕開裂（CLSCC）敏感性，見表2，其中設(shè)備環(huán)境濕度和設(shè)備操作溫度為關(guān)鍵參數(shù)。

表2 設(shè)備的CLSCC敏感性Tab.2 CLSCC susceptibility of device

結(jié)合設(shè)備的CLSCC敏感性，通過表3確定設(shè)備在外部環(huán)境中的CLSCC嚴重程度指數(shù)（SⅥ）。

表3 外部環(huán)境中設(shè)備的SⅥTab.3 SⅥof the device in external environment

根據(jù)表1中設(shè)備檢驗次數(shù)和有效性類別，結(jié)合SⅥ值，根據(jù)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(yīng)力腐蝕損傷基礎(chǔ)系數(shù)DfB，CUI-CLSCC。再由式（4）計算保溫層下外部應(yīng)力腐蝕損傷系數(shù)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(chǔ)損傷系數(shù)和機械疲勞損傷系數(shù)。

式中：Df，mfat為機械疲勞損傷系數(shù)；DfB，mfat為機械疲勞基礎(chǔ)損傷系數(shù)；DfB，PF為基于以前已經(jīng)發(fā)生過的失效次數(shù)確定的早期失效基礎(chǔ)損傷系數(shù)；DfB，AS為基于振動數(shù)量或管道中發(fā)現(xiàn)的噪音確定的振動基礎(chǔ)損傷系數(shù)；FfB，AS為基于振動的間歇循環(huán)確定的調(diào)整因子；DfB，CF為基于管道50英尺（1 524 cm）范圍內(nèi)直接或間接連接的循環(huán)應(yīng)力類型確定的周期載荷類型基準損傷系數(shù)；α為機械疲勞因子，由設(shè)備相關(guān)措施調(diào)整因子、管道復(fù)雜度和狀態(tài)調(diào)整因子、支管設(shè)計或接頭類型和支管直徑調(diào)整因子確定。

壓力容器的總體損傷系數(shù)按式（7）計算：

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

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(shù)；FMS為管理系統(tǒng)系數(shù)。

設(shè)備通用失效概率由設(shè)備失效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，若統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足，可參考API 581－2008標準提供的通用失效概率數(shù)據(jù)，如表4所示。

管理系統(tǒng)系數(shù)FMS采用調(diào)查和概率統(tǒng)計的方法確定。該方法由企業(yè)各部門對企業(yè)內(nèi)部各大問題進行打分得到分數(shù)S，再運用式（9）、（10）轉(zhuǎn)換為管理系統(tǒng)系數(shù)FMS。

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

4 失效經(jīng)濟后果計算理論

失效經(jīng)濟后果計算考慮以下5種因設(shè)備失效導(dǎo)致的直接成本：

1）設(shè)備檢修或更換成本FCcmd；

2）設(shè)備失效影響區(qū)域中其他設(shè)備的破壞成本FCaffa；

3）介質(zhì)泄漏和由于設(shè)備檢修或更換所導(dǎo)致的停工成本FCprod；

4）設(shè)備失效導(dǎo)致的人員傷害成本FCinj；

5）環(huán)境清理成本FCenviron。

設(shè)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(dǎo)致的設(shè)備破壞成本，統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如 API 581-PART-Table5.14～5.16所示。

設(shè)備檢修或更換所導(dǎo)致的停工成本FCprod需要根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)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(jīng)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(nèi)部檢測，檢測數(shù)據(jù)見表5。

壓力設(shè)備的現(xiàn)場腐蝕情況見圖3，三組壓力容器的工藝參數(shù)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(jié)果見表7。

圖2 基于經(jīng)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(shù)為Cm＝2.6。理論計算檢修或更換成本FCcmd為3.1（萬美元）。

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

7 結(jié)論

表5 立式撇油器和立式浮選器的設(shè)計及運行參數(shù)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(xiàn)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(shè)備的腐蝕定量風險評估；

圖3 壓力設(shè)備發(fā)現(xiàn)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(jié)果表明腐蝕是壓力容器失效的主要原因。即使設(shè)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(shè)備進行檢驗時，要定期要求業(yè)主實行拆保溫層檢驗，防止設(shè)備由于保溫層隔絕，錯誤判斷設(shè)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(fù)措施，以防重大風險發(fā)生；

（4）現(xiàn)場檢驗時，對存在腐蝕問題的設(shè)備，可以先參照本方法進行風險評估，在業(yè)主可接受的風險準則基礎(chǔ)上，對設(shè)備腐蝕風險等級進行判定。對低風險設(shè)備可以通過重點監(jiān)控、改善設(shè)備工作環(huán)境、維護保養(yǎng)等措施來取代停產(chǎn)維修，進而更好地控制風險、降低生產(chǎn)成本；

（5）通過業(yè)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(shè)備基于腐蝕風險確定其檢驗周期。

表6 三組壓力容器的現(xiàn)場工藝參數(shù)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