浅析RBI技术在海洋石油生产设备中的应用

＊刘 欣

（中海石油技术检测有限公司 天津 300450）

鉴于海洋石油钻采平台的生产设备集中于海洋平台这一生产特点，其生产布局紧凑、设备高度集中。此外，海洋设备的生产环境常是高盐雾、高潮湿、长日照和高频振动，由于海上生产中使用的压力容器长期处于这一恶劣环境，极其容易造成生产过程中的设备损坏，从而导致生产原料的泄 露[1]。而基于风险分级管控的风险评估技术（RBI），能够针对相关设备的损伤模式提供针对性的检验策略和使用建议，从而达到设备的本质安全需要，近年来在石化生产中应用较为广泛，并且发展至今已经较为成熟[2]。其能在保障容器设备安全运营的同时最大程度地保障生产方的利益。

1.RBI简介

RBI（Risk-Based Inspection）[3]即基于风险的检验，是一种基于平台工艺流程、设备参数、操作环境、检验检测技术等为基础的动态评估工具，根据风险大小及压力容器潜在的损伤机理确定出相应的检验管理策略，以控制失效及防止非预期的腐蚀损伤事故发生，提高压力容器使用的安全性和可靠性。其能通过应用检验检测技术、生产工艺与设备维护等信息进行不断的纠正维护。

RBI可以对所处的平台上压力容器的设备风险大小进行系统化的评估和管理，根据筛选分析后设备的风险大小和设备潜在的失效模式制定科学的设备风险管理的检验策略，以控制失效和防止突发的腐蚀损伤事故发生，提高压力容器运行使用中的安全性与可靠性。

2.RBI相对传统检验的优势

传统压力容器的检验方法和时间的确定，主要从容器安全运行的角度出发进行制定。但是对压力容器的定期检验施工方案的制定过程中，由于检验策略的制定受检验员个人水平影响较大，即使在失效模式方面有所考虑，但是检验策略的制定没有充分发挥所在团队的群体优势，所制定的检验策略难免有点偏差。RBI技术和传统检验或定期检验相比，RBI技术在对评估目标的经济性、安全性等多个方面进行了综合的考虑，其检验策略的制定需要在针对设备的损伤机理和满足平台风险管控的基础上，与平台整体维修计划相一致且具备可操作性。最终用于指导和优化压力容器的检验。据统计数据表明，设备的失效风险并非均匀分配，约20%的设备承担了80%的风险。采用RBI技术对评估设备进行风险分级排序，确定出中高风险设备，并根据风险驱动因素提出适配的检验策略[4]。

传统检验和RBI检验对比，如图1所示。

图1 传统检验与RBI检验

从图1可以看出，RBI优于传统的检验。检验量相同时，RBI具有较低的设备风险；处于同一设备风险时，RBI的检验量更小。

而RBI技术以设备损坏为基础，以导致设备介质泄露为对象，根据收集到设备或设施的数据资料建立数据库，进行系统完整的设备风险评估，从而达到对压力容器的风险等级分类的目的，进而采取相应的检验策略。

3.分析流程

制定检验策略主要依靠专家并运用由挪威船级社（DNV GL）开发的一款专门针对海上设备进行RBI技术分析的软件Synergi Plant RBI Offshore完成。该款软件能对设备进行量化风险并筛选出高风险的单元，并制定具备可操作性的检验策略。其通过运用完善成熟的材料、介质、损伤机理等数据库，可对设备的风险进行较准确的评估，用于对压力容器进行主动的风险分级管控，图2给出了RBI分析过程的流程。

图2 RBI工作分析流程

4.风险评估的主要步骤

(1)建立数据库

RBI技术建立数据库需要进行资料收集，主要包含压力容器的设计和完工图纸、设施生产工艺相关资料及维修改造资料等。

文中结合投产于2014年的海洋石油某FPSO设施上运行的48台压力容器进行压力容器风险评估。该项目的目的是系统地评估海洋石油某FPSO的48台压力容器的风险等级，根据风险大小及潜在的损伤机理制定出相应的检验策略、管理策略，以控制设备损伤事故发生，提高压力容器在役期间的安全性、可靠性。

(2)物流回路和腐蚀回路划分

物流回路划分的原则：大量的部件组成同一压力系统，包括管道、阀门、压力容器等，压力系统可以通过紧急关断阀自动关闭。物流存量组可定义为如果系统中任意元件发生失效，释放的液体或气体的最大量。一些物流存量组既包括液体又包括气体，依据后果的影响分别考虑。

腐蚀回路划分原则：设备中采用同一材质的一类部件有相同的工作环境，因此有相同的损伤机理；对于腐蚀回路相同的设备部件，可将一个部件的检验结果对应到同一组中的所有部件。

海洋石油某FPSO，针对分析的48台压力容器，其物流回路和腐蚀回路分别划分为21条、16条。

(3)筛选分析

筛选分析的目的是将从需要分析的容器系统中分离出高风险系统，并进行详细的风险评估。采用定性分析方法的筛选分析，再逐一识别腐蚀回路组、物流回路组、平台/设施涉及到的各处理系统的风险项。结合设施运行记录、检验策略与损伤模式，对评估对象展开失效概率、失效后果的分析，风险评估后的结果分别为高、中和低风险。

由于低风险设备其事故/损伤机理出现的概率较低或事故发生后对设备设施的影响不大，因此，低风险的设备或部件常常采取事后修复的方式，只需进行相应维护管理的措施。通过筛选将资源倾向于详细分析系统的数量，可以将风险管理的资源更集中于对整个装置会产生重要影响的系统。

筛选分析根据生产工艺系统与公用系统的系统功能来进行划分筛选系统，并且筛选系统参照生产介质、设备材质、操作条件等变量再划分成具体的筛选项（即子系统）。筛选分析采取定性的方法，考虑每一子系统的失效可能性和失效后果，其中失效可能性包括内部/外部腐蚀、疲劳及其它四种类型。确定一个系统是高失效可能性还是低失效可能性，必须对四种可能性类型中的每一种都要进行分析。风险评估中考虑了系统中各介质可能导致内外部的退化机理。筛选分析的风险矩阵根据失效概率和失效后果共分为如下四种情况：

①详细评估：这些系统具有高失效可能性和高失效后果，需要进行详细评估；②预防性维护：这些系统具有低失效可能性和高失效后果；③纠正性维护：这些系统具有高失效可能性和低失效后果；④最低监护：这些系统具有低失效可能性和低失效后果。

在对海洋石油某FPSO的48台压力容器涉及到的原油、闭排、燃气等16个系统分析中，高风险系统有9个，占比56%，中风险系统有3个，占比19%，低风险系统有4个占比25%。

(4)风险计算

①风险计算原理。设备风险来源由评价单元的失效可能性和评价单元的失效后果两部分组成。风险可由失效概率与失效后果的乘积得出：

式（1）中，Pf(t)为失效可能性，作为时间的函数，其数值随着原件损伤的累积增加，反映了容器预期的失效概率大小；C(t)表示的是失效后果，由泄露孔的泄露量和泄漏速率定量计算后果面积。

失效可能性由如下公式的计算得到：

式（2）中，gff为评价单元的通用失效频率，其数值根据石油行业失效数据的典型代表值来表示不同类型设备的通用失效频率；Df(t)为损伤因子，损伤因子由设备的损伤机理确定（均匀或局部减薄、开裂、蠕变、材质劣化、机械损伤等），损伤机理与设备材质、操作工况、在役环境以及量化损伤的检验监测技术密切相关。

结合公式（1）和公式（2）可以看出，风险是随时间变化的函数，伴随着减薄、裂纹等损伤机理在运行时间上的积累，损伤因子值慢慢变大。如果设备单元有多个损伤机理时，各损伤机理要得到一个与时间相关的风险，并进行对比，选择最高风险项当做该设备的风险。

RBI技术综合评估失效概率、失效后果、失效概率和后果组合这三个主要参数，此外，RBI中定义风险为容器的失效可能性和失效后果的乘积。

结合风险评估结果制定针对性的检验策略，可较为科学地制定出检测任务。

②失效可能性计算。基于风险的检验针对失效可能性的计算是默认设备的损坏程度要比预计要快，通过将收集到的设备检验检测报告汇总，并结合以往检验方法对检验结果的各种损伤模式、损伤速率的有效性来确定置信度[5]。

现将设备常见的四类损伤速率模型进行介绍：

A.可忽略模型：可忽略模型的设备损伤曲线，其损伤速率数值没有明显的变化，由于其与时间无关，可忽略模型指定一个固定的失效可能性值。对于属于可忽略模型的元件，可以不展开检验。

B.未知模型：元件物质或材料未知时，则判断元件属未知模型。先设定其失效可能性为1，再结合失效后果判断是否有必要进行进一步的研究。若失效后果严重，则该元件的风险等级较高，则要展开详细的分析。

C.速率模型：常应用于损伤导致元件壁厚局部或均匀减薄的工况，随着时间的累积失效可能性逐渐增大。设备的厚度值将随着时间逐渐减小，导致这种腐蚀机理的失效概率随时间的增加而增大。

常见的符合速率模型的腐蚀机理有二氧化碳腐蚀、碳钢的水腐蚀等。

在失效可能性评估中，除计算估计腐蚀速率时的失效可能性外，软件还要计算2倍和4倍的预计腐蚀率时的失效可能性，腐蚀减薄的失效可能性的值采用上述三个失效可能性的加权值相加。此外，根据以往采用检验方法对检出不同形式损伤和损伤速率的有效性来确定置信度。

D.敏感性模型：某种损伤机理一旦受到外界条件触发后，损伤发生得非常迅速，符合此类情况都属于敏感性模型。这种模型与失效相关的因素不发生变化时，则失效可能性保持常数。常见的敏感性模型包括微生物腐蚀、不锈钢材质（含双相不锈钢、6Mo不锈钢等）的大气腐蚀、不锈钢材质的水腐蚀等。设备失效概率值可通过每毫米壁厚的失效可能性除以设备壁厚计算得到。

(5)检验策略制定

压力容器的RBI评估结果，可以作为制定整体检验策略的基础来指导和优化检验。检验策略和其他降险计划的目的是使所有设备的风险都在可接受范围内。同时，检验策略的制定应综合考虑海上压力容器及部件的风险等级、损伤机理、检验历史、腐蚀检测数据、设备寿命、检测技术的有效性等因素。首先，按照压力容器的风险值确定检验检测顺序；其次，根据损伤机理和检验计划实施检验任务。检验策略包括检验位置、损伤机理、检验范围/方法/比例/时间等。

在对海洋石油某FPSO检验策略的制定中，其主要潜在的失效机理有：外部损伤（保温层腐蚀、大气腐蚀、外部应力腐蚀开裂）、内部腐蚀（包括涂层下腐蚀、CO2腐蚀、微生物腐蚀、水腐蚀）；当前海洋石油某FPSO的压力容器中不存在极高风险评价单元，但是设施中中高风险的评价单元相对较多，需要针对设备的损伤机理，选择合适的检验策略。

(6)执行和再评估

基于风险的检验是一种随时间动态变化的工具，可用于对设备当前和未来的风险状况进行评估。一旦设备材料改变、风险接受限度的修改和评估周期期满，会对风险评估的结果产生显著影响。因此，RBI应该采用最新工艺、维修改造信息和风险可接受准则等来进行持续的更新。

5.结论

风险检验作为采用风险评估中损伤模式的针对性定期检验，通过收集设备设施的工艺流程、设备参数、操作环境、检验检测等信息基础上，进行综合风险评估。将设备风险进行分级管控，在满足设施风险管控的基础上制定并执行检验策略，具有以下优点：

（1）协助生产方进行容器资料管理；（2）可以避免盲目开罐，提供在线降险策略，提升生产效率；（3）可以更为全面系统地了解相应设施的运行状况，并适配科学的管理策略；（4）对不同设备进行针对性的检验，提升风险管控能力；（5）满足设备合规运行的基础上，避免系统性风险；（6）群策群力，能有效规避因个人经验不足而漏检某些关键设施的部位，并制定有针对性、主动的检验策略；（7）优化检验策略，节约生产维护成本，从而达到降本增效的目的。