基于RBI的輸氣站場分離器風險評價研究

王洪波，陳宇光，秦曉東，楊小璇，梁昌晶

(1. 中國石油新疆油田公司 吉慶油田作業區，新疆 吉木薩爾 831700；2. 國家管網集團西氣東輸分公司 長沙輸氣分公司，湖南 長沙 410000；3. 中國石油吐哈油田分公司 工程技術研究院地面工程設計所，新疆 哈密 839009；4. 河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司，河北 任丘 062552)

隨著國民經濟的發展，天然氣作為低成本清潔能源在一次能源消費中的占比不斷提高，采用長輸管道運送天然氣是較為經濟合理的方式。但在管道輸送過程中天然氣?；煊泄腆w顆粒、粉塵、水和液態烴等物質，在經過分輸站、清管站或末站時，需要去除氣源中的雜質以減緩對站內設備及工藝管道的腐蝕、沖刷，保證下游氣源的安全可靠。除上游氣源發生中斷等特殊工況，分離器將一直處于長期運轉狀態，且受高壓和交變載荷的影響，如按常規檢測方式進行，容易造成過檢驗，同時檢測具有盲目性。

目前，對于輸氣站場設備的風險評價方法主要有事故樹分析、危險與可操作分析、模糊綜合評價法等，但均借助專家判斷，應用物理模型進行風險評價，無法針對分離器面臨的風險提出風險減緩措施及優化檢驗周期，缺少對站場靜設備的定量風險評價和安全管理。因此，以API 581： 2016《基于風險的檢驗技術》為模板，采用基于風險的檢驗RBI(risk based inspection)技術的基本原理和操作流程，以及威布爾分布函數修正同類設備失效概率，基于應力-干涉原理改進設備修正系數，建立輸氣站場分離器風險評價體系，以期對該類設備的風險評價提供理論依據和實際參考。

1 RBI技術原理

RBI技術是通過追求系統安全性和經濟性的基礎上建立的優化檢驗策略方法，是提高設備長時間運行可靠性的手段，主要針對靜設備如儲罐、分離器、換熱器、工藝管道等。

RBI技術最早由挪威船級社提出，用于研究海油平臺設備可靠性及完整性管理，2009年國家質檢總局將RBI技術加入壓力容器、壓力管道等特種設備安全監察規程中，通過檢驗10%～20%的設備來識別70%～80%的風險，滿足“28準則”，以防止欠檢驗帶來的風險和過檢驗帶來的經濟損失。通過計算失效概率和失效后果，通過風險評價矩陣識別哪些設備應在1個周期內被重點關注。

2 失效概率計算

根據站場工藝流程圖、PID圖、安全儀表系統圖、維護維修記錄、歷史檢驗記錄等信息，將其整合形成RBI集成數據庫。分離器失效概率F的計算如式(1)所示：

F=FAFEFM

(1)

式中：FA——同類設備失效概率；FE——設備修正系數；FM——管理修正系數。

2.1 同類設備失效概率修正

API 581： 2016中給出了不同設備在4種泄漏孔徑下的失效概率，但該數據庫源于國外石化行業，且每臺分離器的設備參數、管理手段不一致，即使同一分離器在不同的運行工況下的失效概率也不同，因此機械的采用規范中的失效概率并不適用，需要對其進行修正。根據分析，失效概率是關于時間t的模型，因此采用威布爾分布函數進行修正，主要是利用極大似然估計法估計形狀參數α和尺度參數β，如式(2)所示：

(2)

(3)

采用牛頓迭代法計算出α和β，代入式(4)求出失效概率FA：

(4)

式中：F(t)——失效概率分布函數；Fρ(t)——失效概率密度函數。

基于同類型站場及分離器過去5年的設計、制造、維修、檢驗、運行記錄，得到形狀參數α=2.579，由于分離器運行時間較長，數據量較大，無法獲得截尾數據，在此采用同年平均失效概率計算β，根據α和β修正后的同類設備失效概率見表1所列。經過修正后發現失效概率比API 581： 2016中的概率略大，也證明了規范給出的概率偏保守。

表1 修正后的同類設備失效概率

2.2 設備修正系數改進

FE主要反映實際失效概率與FA的偏差程度，由損傷因子、通用因子、機械因子和工藝因子組成，由于之前修正了FA，故不可用API 581： 2016中的損傷因子評價表，需要重新計算損傷因子。由于在之前的檢測中未發現裂紋缺陷，根據損傷機理，主要考慮腐蝕減薄、外部損傷和機械疲勞三部分，損傷因子D總為每個損傷機理Di的和，如式(5)所示：

(5)

其中，腐蝕減薄是影響分離器失效的主要因素，腐蝕形態表現為全面腐蝕、局部腐蝕和點蝕。根據材料力學的原理，隨著服役年限的延長，當施加在設備上載荷L大于設備所能承受的抗力載荷R時，設備失效，引發穿孔泄漏。其中R和L服從正態分布曲線，在某些區域相交，相交區域為干涉區，可能發生失效。采用應力-干涉理論，判斷設備是否處于安全狀態時采用極限狀態函數Z表示，Z為g的函數如式(6)所示：

Z=g(R，L)=R-L

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：S——流變應力，MPa；c——腐蝕速率，mm/a，為壁厚對時間的導數，由之前的檢測數據獲得；t——分離器服役時間，a；σs，σμ——屈服強度和抗拉強度，MPa；p——操作壓力，MPa；d——內徑，mm；h——壁厚，mm。

應力-干涉理論計算的失效概率沒有考慮設備檢驗有效性的影響，有效的檢驗可以在設備失效之前采取風險減緩措施，提高對損傷速率的預測精度。腐蝕減薄損傷因子D1如式(10)所示：

(10)

式中：F(A/Bi)——經一次檢驗后，在破壞狀態i下因腐蝕減薄造成的失效概率；F(Bi)——在破壞狀態i下因腐蝕減薄造成的理論失效概率。

根據檢測到的腐蝕速率，由式(6)～式(9)計算3種破壞狀態下的F(Bi)，分別為1倍腐蝕速率、2倍腐蝕速率和4倍腐蝕速率，經一次檢驗后，根據不同破壞狀態的檢驗有效性置信度指標確定F(A/Bi)，見表2所列；最后，根據式(10)計算D1，確定腐蝕風險。

表2 一次檢驗后不同破壞狀態下的檢驗有效性

外部損傷主要為外防腐、外涂層的破損或脫落，外部損傷因子的修正系數見表3所列。

表3 外部損傷因子修正系數

通用因子包括裝置條件、天氣狀況和地震活動三方面。裝置條件是評估人員評定分離器的外觀、容量、設計參數是否符合現行標準要求；天氣狀況是天氣寒冷是否會給設備造成結霜、結冰等現象，影響設備正常運行；地震活動主要從地震烈度上評定對分離器運行的影響程度，數值為三個方面評定結果的代數和，見表4所列。

表4 通用因子及評定數值

機械因子包括設備復雜性、建造規范、壽命周期和安全系數四個方面。設備復雜性以分離器配管的數量評定；建造規范是看設計、運行階段對最新規范的符合性，如持續改進，可降低失效概率；壽命周期遵循“浴盆曲線”，分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期三部分，其中早期失效期和損耗失效期的失效概率較大；安全系數與系統的運行壓力和設計壓力有關，數值為四個方面評定結果的代數和，見表5所列。

表5 機械因子及評定數值

工藝因子包括連續性、穩定性和泄壓閥三個方面，其中連續性從計劃停車和非計劃停車兩個方面考慮，以每年停車次數評定失效概率，由于分離器只有在檢修的時候才發生計劃停車，次數較少，在此只考慮非計劃停車狀態；工藝穩定性對連續性有很大影響，長期保持較高的工藝穩定性可減少非計劃停車次數；泄壓閥可防止設備在運行過程中出現超壓現象，是最為重要的安全附件，必須保證按時開啟、穩態排放、密封有效，數值為三個方面評定結果的代數和，見表6所列。

表6 工藝因子及評定數值

2.3 管理修正系數

管理修正系數主要評價所在企業對設備完整性的管理水平，對于分離器這類存放易燃易爆介質的壓力容器具有重要意義，API 581： 2016收集了23家國內外大型石油石化行業管理手冊，定義了13類101個問題進行專家打分，根據得分結果對照修正系數圖計算FM。

3 實例計算

以國內某輸氣站場多管式旋風分離器為例，按照以上評估方法進行風險評價，分離器采用Q245鋼，設計壁厚為28 mm，設計壓力為10 MPa，運行壓力為8 MPa，投產時間為2010年，根據特種設備檢測規程，每6 a進行一次全面檢測，采用超聲波測試壁厚減薄情況，均勻腐蝕速率為0.035 mm/a，防腐層及配管對焊處出現不同程度的局部腐蝕，局部腐蝕速率為0.135 mm/a，最大點蝕坑深度為2.34 mm。

按照極端情況測算同類設備失效概率為6.63×10-5。按照應力-干涉原理計算腐蝕減薄因子為1.95，外部損傷因子為1.5，機械疲勞因子為3，通用因子為1(按照現場實際工況條件根據表4進行取值，其中分離器裝置條件與工業標準持平，數值為0，天氣狀況數值為1，輸氣站場所處區域為非地震活動帶，數值為0)，機械因子為-1(根據表5進行取值，其中配管數為4，數值為-1，建造規范滿足最新版本要求，數值為0，已消耗壽命30%，數值為0，運行壓力/設計壓力=0.8，數值為0)，工藝因子為3(根據表6進行取值，其中非計劃停車3.5次/a，數值為2，穩定性等級與平均值持平，數值為0，泄壓閥延期維護比例小于3%，數值為-1，泄壓閥有小部分結垢，數值為2)。綜上所述，FE=9.45。

對管理問題進行打分，FM=0.68，故所評價的F=6.63×10-5×9.45×0.68=4.26×10-4，根據失效可能性等級劃分屬于Ⅲ級。

分離器泄漏主要介質為天然氣和凝析油，后果包括蒸氣云團擴散、油池火、噴射火、閃火、閃燃等，每種后果均為事件連續發生的結果，參考特定事件發生的概率，定義介質泄漏且發生上述后果的概率為40%；根據環境大氣壓與分離器運行壓力的比值，確定泄放屬于音速泄放，計算泄漏量；根據泄漏量和泄放速度，確定為瞬時泄放，根據影響因素分析，以泄漏量為自變量，設備破壞面積和人員傷亡面積為因變量進行線性擬合，見式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

式中：qm——泄漏量，kg/min；A1——設備破壞面積，m2；A2——人員傷亡面積，m2。

由此計算，qm=95.89 kg/s=5 753.4 kg/min，代入式(11)，式(12)計算，得到設備破壞面積A1=137.48 m2，人員傷亡面積A2=265.04 m2，根據失效后果等級劃分為3級。放入5×5的風險評價矩陣中，確認風險水平為較高風險。

根據評定結果，失效可能性等級大于等于Ⅲ級，則檢驗周期由原先的6 a縮減為2～3 a，且根據分離器的損傷機理制定內壁和外壁的檢驗機制，其中內壁以宏觀檢查為主，并對焊接部位采用滲透或磁粉檢測，外壁以超聲或射線掃描為主，對焊接部位采用滲透或磁粉檢測。

4 結 論

1)采用基于風險的檢驗技術，參照API 581： 2016規范，對輸氣站場分離器進行了定量風險評價，并按照評價等級，調整了檢驗周期和檢驗策略。

2)采用威布爾分布函數修正FA，基于應力-干涉原理改進FE，改進后的定量評價結果更符合中國站場設備，提高了站場完整性管理水平。