摘要

基于API 581標準，結合壓力容器現場所處環境和對應腐蝕機理，采用定量分析方法對壓力容器各類損傷系數、失效概率和失效后果進行分析與計算。同時結合制定的風險可接受準則，對壓力容器風險等級進行高低劃分，針對風險高的設備及組件，結合其各類損傷系數和失效后果，制定針對性的未來檢驗周期、檢驗計劃、檢驗措施和相關后果監控措施。研究結果能實現對壓力容器及組件的風險準確定量評估，并針對風險制定相應檢驗周期和檢驗計劃。此方法對合理分配現場檢驗人力、財力和控制平臺安全生產具有重要意義。且該方法已成功應用于中國海域FPSO，可供其他工程借鑒參考。

關鍵詞： API 581標準； 壓力容器； 風險； 檢驗

在能源交通、陸上石油化工、海上油氣生產等重要領域中，壓力容器被廣泛地使用。尤其在海上油氣生產領域，壓力容器是常見且必不可少的設備，控制壓力容器的風險對控制平臺安全生產具有重要作用，因此對壓力容器進行定量風險評估具有重要意義。

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的評估規范，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，美國海上石油公司開始對海上油氣生產平臺的壓力容器和壓力管道的腐蝕損壞有了一定的重視，為了減少生產成本，提高經濟效益，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實施到美國的海上油氣生產平臺上。2008年，API在總結設備檢驗的基礎之上正式頒布了API RP 581 《Risk-Based Inspection Base Resource Document》（First Edition），同時此推薦標準也被中國石油天然氣行業設為推薦標準[1]。API RP 581于2016年更新為《Risk-based Inspection Methodology》（Third Edition）[2]，APRIL 2016。基于風險的檢驗技術 （RBI） 理論[3-5]在工程上也有相關介紹和應用。

目前風險評估技術普遍用于進行海上設施風險評估工作[6-9]，這類分析方法從定性或半定量角度出發對風險進行分析，其結果受人、社會和企業等因素影響大，且準確度低。而目前針對海管和平臺結構等定量風險分析 （QRA） 方法[10-13]沒有結合風險準則進行風險排序，沒有針對相應風險計算結果制定對應的未來檢驗周期和檢驗計劃，同時無法指導現場檢驗資源的合理分配。

為此基于API RP 581標準 （Third Edition） ，本研究對平臺壓力容器各類損傷系數、失效概率和失效經濟后果進行定量分析和計算，結合制定的經濟風險可接受準則對壓力容器的風險等級進行判定。根據壓力容器失效概率曲線，確定壓力容器下一次檢驗周期和檢驗策略，同時指導業主未來采取相應維修、風險監控、保養措施和指導現場檢驗資源的合理分配。

1 研究方法

1.1 方法流程

FPSO上部壓力容器腐蝕風險與檢驗研究方法流程如圖1所示。

圖1   壓力容器腐蝕風險與檢驗方法研究流程

首先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。基于風險的檢驗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。然后基于API 581理論基礎上進行風險定量分析計算，得到失效概率和失效后果。結合制定的風險可接受準則，對分析對象風險等級進行判定。依據計算的各類損傷系數，制定設備相應損傷對應的損傷減緩措施。最后根據失效概率曲線，確定設備下一次檢驗周期和檢驗計劃，指導現場檢驗資源合理分配。

通過對壓力容器進行定量風險評估，篩選出對壓力容器失效影響大的損傷系數。同時針對篩選出的大的損傷系數，制定未來專項的檢驗措施。

通過壓力容器定量失效概率計算后，得到設備失效概率隨時間變化曲線。結合業主給定的風險可接受線，確定未來下一次檢驗日期和檢驗有效性，最終用于指導業主制定檢驗周期和檢驗計劃。

1.2 腐蝕概率分析

在海洋氣候環境下壓力容器常見有兩類腐蝕損傷，第一類損傷為與材料腐蝕速率相關的損傷，包括內部減薄損傷、外部暴露減薄損傷和保溫層下減薄損傷；第二類損傷主要與容器材質、介質屬性和所處環境等相關的應力損傷，包括硫化物應力腐蝕開裂損傷、H2S氫致開裂/硫化氫應力導向氫致腐蝕開裂損傷、氯化物應力腐蝕開裂損傷、外部暴露氯應力腐蝕開裂損傷和保溫層下氯應力腐蝕開裂損傷。

關于內部減薄損傷系數，由式 （1） 計算壁厚減薄比例系數Art：

式中，Cr，bm為設備基材的腐蝕速率，mm/a；trdi為最后一次檢測壁厚，mm；Age為RBI評估日期與最后一次檢驗之間的時間間隔，a。

式中，P為設計壓力；D是內直徑；TS為設備材料設計溫度下抗拉強度；YS為設備材料設計壓力下屈服強度；E焊接接頭系數；S為設計溫度下的許用應力；tc設備最小的結構強度厚度；tmin按照設備設計制造標準計算的設備最小壁厚[14,15]；FSThin為流變應力；當設備為圓筒體，α=2；如設備為球形，α=4；如設備為封頭，α=1.13；SRpThin為強度比參數，為式 （3） 和 （4） 計算中的最大值。

在內部減薄損傷系數的計算中定義的3種損傷狀態如下：

損傷狀態1：損傷不比預期的差，或設定預期腐蝕速率系數為1；損傷狀態2：損傷比預期的稍差，或設定預期腐蝕速率系數為2；損傷狀態3：損傷比預期嚴重得多，或設定預期腐蝕速率系數為4。3種損傷狀態下檢驗有效性系數I1thin、I2thin、I3thin、3種損傷狀態后驗概率Pop1thin、Pop2thin、Pop3thin和3種損傷狀態下可靠性指數β1thin、β2thin、β3thin計算如下：

式中，NAThin、NBThin、NCThin、NDThin為每一種檢驗有效性下的檢驗次數；Prp1thin、Prp2thin、Prp3thin為3種損傷狀態下的先驗概率；Cop1thin、Cop2thin、Cop3thin為3種損傷狀態下的條件概率；修正系數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；SRpThin為強度比參數。

確定內部減薄 （thin） 基礎損傷系數Dfbthin如下：

針對外部暴露減薄損傷系數和保溫層下減薄損傷系數，通過設備所處環境條件和操作溫度來確定設備基材的腐蝕速率CrB[2]，其他相關參數同由上述式 （1）~（13） 計算。

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

根據設備內介質的H2S含量、設備介質的操作溫度、介質中Cl-濃度、設備所處環境條件和pH值[2]，確定嚴重度指數SVI[2]。通過最高檢驗有效性的檢驗次數和嚴重度指數SVI，得到硫化物應力腐蝕開裂 （SSC） 基礎損傷系數DfBSSC、硫化氫氫致開裂/硫化氫應力導向氫致腐蝕開裂 （HIC/SOHIC-H2S） 基礎損傷系數DfbHIC/SOHIC-H2S、氯化物應力腐蝕開裂 （CLSCC） 基礎損傷系數DfBCLSCC、外部暴露氯應力腐蝕開裂 （External CLSCC） 基礎損傷系數DfBext-CLSCC和保溫層下氯應力腐蝕開裂 （CUI CLSCC） 基礎損傷系數DfBCUIF-CLSCC。

分別通過式 （18~22） 計算硫化物應力腐蝕開裂損傷系數DfSSC、H2S氫致開裂/H2S應力導向氫致腐蝕開裂損傷系數DfHIC/SOHIC-H2S、氯化物應力腐蝕開裂損傷系數DfCLSCC、外部暴露氯應力腐蝕開裂損傷系數Dfext-CLSCC和保溫層下氯應力腐蝕開裂損傷系數DfCUIF-CLSCC。

1.3 蝕后果分析

關于壓力容器失效造成的直接經濟后果，主要考慮以下5個部分。

由于設備本身失效需要進行檢修或更換的成本FCcmd；當設備失效后會對周圍其他設備造成損傷，在檢修或更換這些周圍設備時造成的成本FCaffa；當設備失效損壞后，檢修或更換這些設備會造成平臺產量損失，這些產量損失的經濟成本FCprod；當設備失效可能導致設備周圍的人員受到傷害，進而造成人員傷害成本FCinj；設備失效可能造成介質泄露污染環境，需要投入成本用于治理受污染的環境，其環境清理成本為FCenviron。

2 結果與討論

2.1 數據收集與篩選

中國海域FPSO上部設備生產分離器 （V-2001） 于2014年2月投用，2018年3月平臺檢驗日對生產分離器進行了內外部檢測。此次對生產分離器的檢測方式為非開罐檢測，且對懷疑區域的狀態監測位置進行大于80%的超聲波檢測。

設備現場外部檢測時，設備外涂層有大面積已經全部腐蝕，設備左封頭腐蝕情況比右封頭嚴重，且左封頭檢測壁厚小于右封頭檢測壁厚。考慮設備整體風險時，以設備最大的部件風險作為設備風險的原則，因此本研究主要分析生產分離器筒體和左封頭的風險情況。結合設備所處海域環境條件和設備內部介質狀況，推斷設備內部大概率會有腐蝕，因此假設設備內部存在內涂層已全面腐蝕的區域。

基于API 581中檢驗有效性分類，認為2018年3月的現場檢驗方式有效性為B類。2019年9月開展設備風險研究工作，時間間隔Age=1.5 a。

對生產分離器的設計資料和現場檢測記錄數據進行分析與篩選，此次收集的生產分離器設計基礎資料包括前述腐蝕風險研究所需的關鍵參數，如生產分離器尺寸和材料、設計壓力和設計溫度、焊接系數等。現場檢測數據的分析與篩選包括生產分離器內介質及屬性、現場操作溫度和壓力、保溫層類型、設備所處環境條件和設備現場內外涂層腐蝕情況等，如表1~5所示。現場設備腐蝕情況見圖2所示。

表1   生產分離器設計基礎數據表[I]

表2   生產分離器設計基礎數據表[II]

表3   生產分離器現場檢測數據表[1]

表4   生產分離器現場檢測數據表[II]

表5   生產分離器現場檢測數據表[III]

圖2   簡體及封頭的現場腐蝕情況圖

2.2 風險分析結果

依據相關法規和標準[14,15]，分析時間間隔Age=1.5 a （RBI Date），生產分離器筒體和左封頭失效概率計算結果分別如表6和7所示。

表6   生產分離器筒體失效概率計算結果

表7   生產分離器左封頭失效概率計算結果

關于生產分離器失效造成的經濟后果，根據現場提供的相關數據和數值計算結果，維修或更換生產分離器成本、生產分離器失效影響其他設備的成本、停產造成的產量損失成本、造成的人員傷害成本和環境清理成本分別為30萬美元、0、146萬美元、0、1萬美元。其中生產分離器與外部設備隔離，基本不會影響區域中其他設備和人員；生產分離器存在圍堰，其失效不會造成海域污染，只需考慮生產分離器失效造成的圍堰區域清理成本。生產分離器失效造成的總的經濟后果為177萬美元。

由風險可接受準則來判斷風險等級，經濟風險可接受準則推薦如表8所示[16]。

表8   經濟損失風險可接受準則

2.3 制定檢驗

左封頭和筒體的失效概率隨時間t的曲線分別為圖3和4所示，業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

當下一次檢驗日不確定并要求推導下一次檢驗日的情況：根據左封頭失效概率曲線，建議在距最近一次檢驗時間間隔t1=2.3時 （2020年8月左右） 對生產分離器進行檢驗，且根據此次檢驗有效性的類別，未來檢驗時間應在失效概率第二次到達5×10-3的時間之前。

當下一次檢驗日期確定的情況：若概率第一次到達5×10-3的時間t1在確定的下一次檢驗日期之前，建議應在t1時間前提前對設備執行檢驗，并確保執行檢驗后，未來失效概率第二次到達5×10-3的時間t2要大于確定的下一次檢驗日期。

3 結論

（1） 在海洋工程上部靜設備領域，API 581的定量風險研究方法簡便且易于工程應用，且能實現對風險的準確定量評估；由本研究所列的風險可接受矩陣，判定FPSO生產分離器目前風險等級為重大風險。

（2） 通過對FPSO生產分離器的研究，內部減薄損傷、氯化物應力腐蝕開裂損傷和保溫層下氯應力腐蝕開裂損傷是設備損傷失效的主要原因。

（3） 生產分離器左封頭風險作為設備風險，根據失效概率曲線制定檢驗周期，同時依據計算的損傷系數，對設備失效影響最大的損傷制定專項檢驗計劃。

（4） 按照本研究介紹的方法對FPSO上所有靜設備壓力容器和管道進行風險研究，得到FPSO所有設備的風險等級排序，進而用于指導現場檢驗資源的合理配置。這將作為下一步的重點研究工作。