海上平台静设备失效概率计算方法适用性研究*

凌爱军，吴清红，东静波，敬加强，肖 飞

(1. 中国船级社海工技术中心，天津 300457；2. 中国石油华北油田公司 二连分公司，内蒙古 锡林浩特 026000；3. 新疆油田公司基本建设工程处，新疆 克拉玛依 834000；4. 油气消防四川省重点实验室，四川 成都 610500)

0 引言

近年来，基于风险的检测(RBI)技术已成为我国石化行业研究的热点，并被广泛应用于各类陆上压力设备、设施，取得了不错的经济效益和社会效益。但目前海上平台静设备评估方法相对滞后，仍然采用传统的全面检测技术，将RBI技术引入海上平台静设备的安全评估领域，研究其适用性具有重要意义[1]。

90年代初，美国石油协会(API)联合挪威船级社(DNV)开发RBI项目，研究RBI方法和编制资源文件。该项目得到了20多家全球知名石油化工企业的赞助，于2000年首次公布了RBI指导文件API 581，并先后于2008年、2016年进行更新，是目前指导RBI评估的主要标准[2-3]。陈庆娟等[4]对RBI在我国具体运用过程中存在的问题进行总结，认为由于各国国情的差异，需要针对国内行业、企业设备管理的特点和现状进行深入的应用研究，逐步形成符合我国国情的RBI技术体系和应用模式；李毅等[1]、石烜[5]、聂炳林[6]采用国外RBI评估软件对海上平台静设备进行了评估。由于不同环境对设备退化的影响程度具有较大差异，海上设备所处环境更加恶劣，失效概率高且失效后果严重，国外RBI软件对国内海上平台静设备评估的适应性仍需进一步研究。

根据国内RBI技术发展的现状，以API RP 581-2016提供的RBI评估方法为基础，研究失效概率计算方法对国内海上平台静设备的适应性，采用模糊数学方法，并结合国内海上平台静设备特点及管理现状，提出更加适用于国内海上平台静设备RBI评估的失效概率计算方法。

1 失效概率计算方法

失效概率的计算公式如式(1)所示，该式由API RP 581-2016在早期版本的基础上，根据多年的应用经验，进一步整合、调整得到。通用失效概率一般代表行业的设备失效标准，并不反映特定装置的实际失效频率，损伤系数与管理系统系数分别反映了损伤机理和设备管理过程可靠性之间的差别对失效概率的影响。

Pf(t)=gff·Df(t)·FMS

(1)

式中：gff为通用失效概率，a-1；Df(t)为损伤系数；FMS为管理系统系数。

1.1 通用失效概率

通用失效概率是基于某领域内设备失效案例的统计数据计算出来的，同时与失效部位及尺寸等细节相关[7]。经过多年的实际应用后，API RP 581-2016对通用失效概率数值进行了修改和统一，设备的总失效概率均为3.06×10-5次/a。由于同一系统中设备的管理系统系数应是相同的，失效概率等级由损伤系数决定，管理系统系数主要用于区别不同系统的管理差异，用于调整设备及安全管理对失效概率的影响。因此，API RP 581-2016设定损伤系数的阈值划分失效概率等级，如表1所示。

表1 API RP 581-2016失效概率等级划分

虽然API RP 581-2016不再使用失效概率进行等级划分，但《中海油设备设施完整性风险管理程序》风险矩阵中失效概率等级是按照失效概率进行划分的(如表2所示)，为了能够遵循国内行业标准的要求确定风险等级，必须获取适用于国内海上平台设备的通用失效概率。目前，国内的相关单位或企业并未建立可使用的海上油气生产平台静设备失效数据库，不能提供适用的通用失效概率数据。很多专家、学者都指出了建立设备失效数据库的重要性，但未给出具体可行的操作办法。

表2 《中海油设备设施完整性风险管理程序》失效概率等级划分

国际市场上的RBI评估软件普遍存在价格昂贵、更新费用高、适用性存在差异等问题，对于国内从事海上油气生产平台设备评估的企业和单位来说，建立1套适合于自身条件的RBI评估系统具有很好的商业前景和技术价值。考虑到失效数据库的建设工作，建议以数据库软件为基础搭建RBI评估系统，既能够节约购置软件的费用，还能促进国内海上RBI评估技术的发展。

常用的数据库软件有Oracle，SQL server，Sybase，DB2等等，企业或单位可以根据自身规模、软件操作性能、延展性、兼容性和数据安全等方面选取数据库软件。同时，以API RP 581-2016提供的计算方法为基础编写RBI评估程序，提高工作效率。

1.2 损伤系数

API RP 581-2016提供了21种损伤类型，7大类损伤系数(减薄、衬里损伤、应力腐蚀开裂、外部损伤、高温氢脆、脆性断裂、机械疲劳)，并根据损伤机理制定了不同的计算方法。海上平台所处环境恶劣，海洋大气的湿度大、盐含量高，静设备的腐蚀问题比陆上设备严重。实际运用RBI对海上平台静设备评估的结果表明[1, 5-6]，海上平台静设备的主要损伤类型表现为内部的CO2腐蚀、细菌腐蚀和外部的大气腐蚀、保温层下腐蚀。因此，需要对腐蚀减薄损伤系数的计算方法进行研究，探究其在海上平台静设备的适用性。

减薄损伤系数主要用于确定内部腐蚀的严重度，外部损伤系数则主要确定外部腐蚀的严重度，二者的计算方法基本相同，流程大致分为2步：首先，根据式2计算损伤系数参数Art；然后，以Art，检验次数以及检验有效性等级查询表格得到减薄损伤系数。检验方法的检验有效性分为5个等级，如表3所示，可以根据API RP 581-2016提供的检验有效性等级划分标准确定。

(2)

式中：Art为损伤系数参数；trd为剩余厚度(上次外部或内部检测得到厚度值)，mm；Cr为腐蚀速率，mm/a；age为在役时间，a；tmin为最小允许壁厚，mm；CA为腐蚀裕量，mm。

表3 检验有效性类别

根据式(2)不难发现，当剩余壁厚不小于最小允许壁厚和腐蚀裕量之和时，Art的取值为0；而当剩余壁厚小于最小允许壁厚时，设备则处于非常危险的状态，必须及时进行更换或补强。因此，判断设备风险等级的依据，即剩余壁厚只有在(tmin,tmin+CA]范围内，才能划分风险等级。

以管道为例进行分析，GB/T 23803-2009[8]对腐蚀裕量的规定如下：低/中等腐蚀的腐蚀裕量为1.0，1.25或1.5 mm；中/高等腐蚀的腐蚀裕量为3.0 mm。根据海上平台使用管道的规格，假设了6组最小允许壁厚进行分析，腐蚀裕量按3.0 mm假设。海上设备失效概率高，失效后果严重，在条件允许的情况下，应优先采用等级高的检验方法，因此，将检测有效性等级假设为B级。根据API RP 581-2016提供的方法，确定管道到达最小允许壁厚时的损伤系数，结果如表4所示。

表4 不同检验次数下的减薄损伤系数

表4数据显示，管道尺寸越大，检验次数越多，当管道达到最小允许壁厚时的损伤系数越小；根据API RP 581-2016失效概率等级划分标准，当检测次数达到2次及以上时，尺寸较大的管道的失效概率等级较低。另外，从海上某平台管道腐蚀速率实际检测的结果来看，管道的腐蚀速率达到4～8 mm/a时，3 mm的裕量在腐蚀速率大的部位仅能支撑数月。海上平台空间狭小，设备布置紧凑，人员的活动受平台限制，逃生能力有限。易燃的油气介质泄漏后，引发燃烧、爆炸事故可能造成严重的安全后果，流入海水中则会造成环境污染。若RBI计算的日期不能达到一定的准确度，管道可能存在危险运行的情况。

RBI体系是建立在国外工业生产和安全管理水平上的，在计算失效概率时以设计寿命为基准，而国内设备存在制造缺陷和长期超期服役等问题，严重影响设备的使用寿命，采用设计寿命进行RBI评估并不合理。陈庆娟等[4]、陈学东等[9]根据国内陆上石化装置RBI评估的应用效果，建议在风险评估过程中用剩余寿命代替设计寿命作为计算失效概率的基准。GB/T 26610.4-2014[10]在计算减薄因子时考虑了上述问题，将Art的计算公式修改为式(3)。

严重程度指数=(a·r)/t

(3)

式中：a为服役年限，a；r为腐蚀速率，mm/a；t为投入使用的实测最小厚度，mm。

SY/T 6553-2003[11]和SY/T 6507-2013[12]对陆上压力容器和管道要求的最大检验周期可达10 a，而中海油天津分公司编制的《海上压力容器检验指南》中要求的全面检验周期为3 a，并且需要执行以外观检查为主的年度检验，进一步突出了国内海上平台环境恶劣，设备腐蚀速率快的特点。

综上所述，API RP 581-2016提供的减薄损伤系数计算方法在国内的设备适用性较差，而GB/T 26610.4-2014提出的严重程度指数计算方法对国内海上静设备同样存在适用性问题。因此，结合模糊数学原理，提出了更为保守的RBI腐蚀损伤系数计算方法。运用直觉数学模糊方法，根据同类管道的最大腐蚀速率和检验周期等数据确定隶属度函数[13-14]，如图1所示。由式(4)计算剩余壁厚3 a后的剩余值，再结合隶属度函数得到对应的减薄损伤系数。

图1 三角形隶属度函数Fig.1 Triangular membership function

图中t1，t2，t3，t4为剩余壁厚的阈值，可以根据实际情况和专家意见确定，按照均分原则，可以使用式(5)-(8)计算。参照API RP 581-2016失效概率等级(A，B，C，D，E)划分标准，当剩余壁厚达到t1时，减薄损伤系数取1 000；当剩余壁厚达到t2时，减薄损伤系数取100；当剩余壁厚达到t3时，减薄损伤系数取20；当剩余壁厚达到t4时，减薄损伤系数取2。

ttarget=trd-Cr×ageT

(4)

t1=tmin

(5)

t2=tmin+CA

(6)

(7)

(8)

式中：ttarget为目标剩余壁厚，mm；ageT为检验间隔时间，取3 a；t为设计壁厚，mm。

1.3 管理系统系数

管理系统系数采用调查和概率统计的方法确定，就13大类102个问题由企业各部门打分得到该企业的管理系数。通过API RP 581-2016提供的公式计算，其值在0.1～10的范围内。当FMS=1时，表示被评企业的管理水平与世界知名企业的管理水平相当；当FMS=0.1时，表示被评企业的管理水平比世界知名企业的管理水平高1个数量级；当FMS=10时，表示被评企业的管理水平比世界知名企业的管理水平低1个数量级[15]。

2 案例分析

为了验证前述减薄损伤系数计算方法的合理性与适应性，选取渤海某平台上部静设备进行分析。通过数据收集、整理，共获得了110条管道和18项压力容器及其组件的相关数据。分别采用API RP 581-2016提供的减薄损伤系数计算方法和新方法进行计算，并根据API RP 581-2016标准划分失效概率等级，结果如表5和表6所示。

表5 压力容器失效概率等级分布

表6 管道失效概率等级分布

表5和表6中数据显示，采用API RP 581-2016计算方法得到的失效概率等级主要分布在A，D，E，即分布在高等级和低等级两端，其中，13项压力容器组件和75条管道的失效概率等级为A，而在新方法的划分标准下，13项压力容器组件和75条管道则在A，B，C，D等4个等级均有分布，说明新方法能更好地反应静设备失效概率等级的变化；由于压力容器组件数量较少，2种方法D，E等级分布的压力容器组件数量相差不大；而采用新方法划分管道失效概率等级得到的D，E等级数量则明显高于API RP 581-2016方法，说明新方法分析结果更为保守，符合海上平台静设备失效概率高的特点，具有更强的适应性。

3 结论

1)对于海上平台静设备的RBI评估，基于数据库软件建立RBI评估系统可更好地获取适用于国内海上平台静设备的通用失效概率，并可提高RBI评估的工作效率。

2)基于模糊数学理论的腐蚀减薄损伤系数计算方法，充分考虑了海洋环境恶劣对海上平台静设备腐蚀的严重性，可提高RBI评估对国内海上平台静设备的适用性。

3)依据管理系统系数取值与管理水平的关系，企业或单位可根据自身管理水平与国际知名企业管理水平的差异判断管理系统系数的正确性。

4)案例分析证实新方法计算所得的高失效概率等级的数量较多，符合海上平台静设备失效概率高的特点，但是其可靠性尚需进一步通过生产实践检验。

[1] 李毅, 詹燕民, 轩军厂, 等. 基于RBI技术的海上平台延期服役静设备定量化安全评估技术[J].中国安全生产科学技术, 2013, 9(10): 121-126.

LI Yi, ZHAN Yanmin, XUAN Junchang, et al. Exploration and application of RBI-based quantitative safety assessment technology for static equipment in extended service on offshore platform [J].Journal of Safety Science and Technology, 2013, 9(10): 121-126.

[2] 牛少蕾. RBI在压力管道系统风险管理中的应用研究[D]. 上海: 华东理工大学: 2014.

[3] American Petroleum Institute. Risk-Based Inspection Methodology: API Recommended Practice 581[S]. Third Edition. Washington DC: American Petroleum Institute, 2016.

[4] 陈庆娟, 王三明. RBI技术在我国企业的应用研究与改进思考[J]. 中国安全生产科学技术, 2012, 8(6): 191-196.

CHEN Qingjuan, WANG Sanming. Research and improvement on the application of RBI technology in Chinese enterprise [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 8(6): 191-196.

[5] 石烜. 基于风险的检测在海上设施的应用于若干思考[J].化工机械, 2008, 35(6): 377-381.

SHI Xuan. Application of risk based inspection (RBI) in the offshore petrochemical facilities and some related problems[J].Chemical Engineering & Machinery, 2008, 35(6): 377-381.

[6] 聂炳林. 基于RBI技术的海洋平台设备完整性分析[J]. 安全、健康和环境, 2015, 15(2): 7-10.

NIE Binglin. RBI technology-based completeness analysis of marine platform equipment [J].Safety Health & Environment, 2015, 15(2): 7-10.

[7] 王力, 汪震宇. 国内海洋储罐风险现状及开展RBI的必要性[J]. 油气储运, 2015, 34(1): 8-14.

WANG Li, WANG Zhenyu. Risk status and necessity of RBI for offshore ASTs in China [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2015, 34(1): 8-14.

[8] 中国国家标准化管理委员会. 海上生产平台管道系统的设计和安装: GB/T 23803-2009[S].北京: 中国标准出版社, 2009: 20.

[9] 陈学东, 艾志斌, 杨铁成, 等. 基于风险的检测(RBI)中以剩余寿命为基础的失效概率评价方法[J]. 压力容器, 2006, 23(5): 1-5.

CHEN Xuedong, AI Zhibin, YANG Tiecheng, et al. Assessment method of failure probability with residual life as reference in risk-based inspection (RBI) [J]. Pressure Vessel Technology, 2006, 23(5): 1-5.

[10] 中国国家标准化管理委员会. 承压设备系统基于风险的检验实施导则第4部分: 失效可能性定量分析方法: GB/T 26610.4-2014[S].北京: 中国标准出版社, 2014: 29.

[11] 国家能源局. 压力容器检验规范在役检验、定级、修理及改造: SY/T 6507-2010[S].北京: 石油工业出版社, 2010: 17.

[12] 国家经济贸易委员会.管道检验规范在用管道系统检验、修理、改造和再定级: SY/T 6553-2003[S].北京: 石油工业出版社, 2003: 18.

[13] 孙金凤, 陈国华. 重大危险源事故风险预警技术研究[J].中国安全生产科学技术, 2010, 6(2): 44-50.

SUN Jinfeng, CHEN Guohua. Research on pre-warning technology for accidents risk of major hazards [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2010, 6(2): 44-50.

[14] 孟爱国, 庄红军, 王池. 矿用重型汽车作业现场碰撞事故模糊故障树分析[J].中国安全生产科学技术, 2011, 7(1): 107-111.

MENG Aiguo, ZHUANG Hongjun, WANG Chi. Fuzzy fault tree analysis on operating on-site collision accident of mine heavy vehicles [J]. Journal of Safety Science and Technology,2011, 7(1): 107-111.

[15] 戴树和. 工程风险分析技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007: 181.