朱喜平，張來斌，梁偉 （中國石油大學(xué) （北京）機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249）

1 RBI評估技術(shù)

基于風(fēng)險的檢驗 （risk based inspection，RBI）技術(shù)是以設(shè)備破壞而導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏為分析對象，以設(shè)備檢驗為主要手段，通過確認(rèn)設(shè)備或管線的損傷機(jī)理計算出失效可能性和失效所造成的后果，進(jìn)而計算出其風(fēng)險大小。它是通過有針對性的腐蝕管理、預(yù)防性檢驗、維護(hù)監(jiān)控及工藝監(jiān)控來有效地管理風(fēng)險和降低風(fēng)險的技術(shù)。

多家石油化工企業(yè)針對其常減壓、催化裂化、催化重整、加氫裂化等裝置開展了RBI檢驗工作。國內(nèi)的油氣田公司和油氣輸送企業(yè)在天然氣凈化工業(yè)、油氣管道輸送方面也陸續(xù)開展了RBI的嘗試與應(yīng)用工作［1～3］。

2 失效可能性

2.1 失效概率計算模型

RBI失效可能性是指失效概率的計算，在特定失效模式下的失效概率Pf表示設(shè)備在特定的失效機(jī)理、破壞狀態(tài)下發(fā)生泄漏失效的概率。以壓氣站腐蝕減薄失效機(jī)理下的分離器和管道為例，利用可靠性指數(shù)法來計算其失效概率?？煽啃灾笖?shù)β的計算公式［4］為：

式中：β為可靠性指數(shù)；μy為均值；σy為標(biāo)準(zhǔn)差；f（x）為功能函數(shù)；x為隨機(jī)變量。

根據(jù)常規(guī)壓氣站基礎(chǔ)資料及站場腐蝕情況，參考API581所提供的數(shù)據(jù)，得出：以天然氣為輸送介質(zhì)的壓氣站損傷機(jī)理主要包括內(nèi)部腐蝕減薄，外部損傷 （包括保溫層下腐蝕、大氣腐蝕和埋地管線的土壤腐蝕）和應(yīng)力腐蝕開裂（包括硫化物應(yīng)力腐蝕開裂SSC、硫化氫條件下的氫致開裂和定向應(yīng)力氫誘導(dǎo)開裂HIC/SOHIC－H2S）3種損傷模式。

以計算腐蝕減薄失效模式的失效概率為例，介紹均值一次二階矩法來求μy和σy的計算方法：

式中：σf為材料的流變應(yīng)力，MPa；t0為原始壁厚，mm；Δt為壁厚損失，mm；p為操作壓力，MPa；D為管道的內(nèi)徑，mm；σσf為流變應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差，MPa；σΔt壁厚損失的標(biāo)準(zhǔn)差，mm；σp為壓力標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

將式 （2）、（3）計算所得的值代入到式 （1）中，就可以得到相應(yīng)的可靠性指數(shù)β，通過查正態(tài)分布表得出失效概率pf。

2.2 壓氣站設(shè)備失效概率的修正

2.2.1 設(shè)備失效概率修正的定義

根據(jù)API 581中的方法，壓氣站內(nèi)設(shè)備的失效概率是由同類設(shè)備失效概率經(jīng)設(shè)備因子和管理因子修正得到的，其結(jié)果可由下式計算得出［5］：

設(shè)備失效概率＝同類設(shè)備通用失效概率×設(shè)備修正因子×管理修正因子 （4）

2.2.2 修正系數(shù)計算方法

1）設(shè)備修正因子 主要影響的關(guān)鍵參數(shù)是損傷因子。除損傷因子以外，還有一些其他因子會影響到設(shè)備修正因子的值，如通用因子，與壓氣站內(nèi)的條件、當(dāng)?shù)丨h(huán)境、地震活動等方面有關(guān)；機(jī)械因子，主要考慮設(shè)備設(shè)計與制造方面的最初情況，從復(fù)雜性、建造規(guī)范、分離器的壽命周期、安全系數(shù)這4個方面進(jìn)行考慮，為4個因素之和；工藝因子，主要需分析分離器的工藝和運行方式的影響情況，包括了工藝的連續(xù)性和安全泄放閥等方面。

2）管理修正因子 是用于對不同裝置或裝置現(xiàn)場之間類似設(shè)備的風(fēng)險值進(jìn)行比較［5］。

2.3 劃分壓氣站內(nèi)管道腐蝕回路

為了便于確定設(shè)備、管道腐蝕速率和制定檢驗計劃，對壓氣站進(jìn)行RBI評估時需進(jìn)行腐蝕回路劃分。同一回路是具有相似的損傷機(jī)理、操作條件和材質(zhì)的設(shè)備及管線。根據(jù)某壓氣站現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，在腐蝕減薄失效模式下，劃分腐蝕回路 （表1）。

表1 某壓氣站腐蝕回路劃分表

3 失效后果

失效后果按照泄出流體物料的性質(zhì)與泄出量進(jìn)行計算，物料泄出量與泄出速率的主要影響因素有泄漏孔徑的大小、流體黏度與密度以及操作壓力。分別對每一種失效概率計算其失效后果，然后按這些不同失效形式所造成的后果計算總的風(fēng)險。

3.1 泄漏類型及泄漏量

RBI風(fēng)險評價中將泄漏類型分為2種：瞬時或持續(xù)。對于小孔 （φ6.3mm）模擬、較低泄漏率模擬為持續(xù)泄漏；對于其他類型孔尺寸，當(dāng)泄漏4540kg耗時不足3min時，通過給定孔尺寸的泄漏為瞬時泄漏［4］。

式中：Q為氣體泄漏質(zhì)量流量，kg/s；Cd為氣體流量系數(shù)，圓形孔泄漏取1；A為泄漏面積，m2；p為操作 壓 力，MPa；M為 氣 體 分 子 質(zhì) 量，g/mol；T為 氣 體 溫 度，K；R為 氣 體 常 數(shù)，8.3144J/（ m ol·K） ；p0為大氣壓力，MPa；k為氣體絕熱指數(shù)，1。

3.2 泄漏后果區(qū)域

在天然氣壓氣站場的RBI風(fēng)險評估中，泄漏后果主要有閃火、噴射火、火球、蒸汽云爆炸等。可根據(jù)實際情況計算各種后果概率。每一種泄漏形式的泄漏可能性和后果不同，一種泄漏類型的失效后果通常是多種泄漏形式的組合。用來計算組合后果區(qū)面積的公式如表2［5～7］所示。

3.3 物流回路劃分

在計算失效后果時，應(yīng)把天然氣壓氣站按照工藝劃分為多個物流回路。當(dāng)某一設(shè)備失效時，只有所在回路的天然氣會泄漏，而其他隔離段中的天然氣不會泄出，因此該物流回路中設(shè)備失效時的后果計算僅以此回路天然氣泄放量進(jìn)行計算［7～9］，回路劃分實例見表3。

表2 泄漏后果區(qū)面積計算公式

表3 某壓氣站物流回路劃分表

4 實例計算

假設(shè)某壓氣站1號分離器的主要參數(shù)為：運行壓力9.85MPa，流變應(yīng)力520.7MPa，原始壁厚8mm，變異系數(shù)0.1，溫度306.5K，輸送天然氣密度0.695kg/m3，氣體流量系數(shù)1，氣體絕熱指數(shù)1.3，氣體分子質(zhì)量0.016kg/mol。用均值一次二階矩法計算其在腐蝕減薄失效模式下的失效概率。查詢API 581中分離器的通用因子為2，機(jī)械因子為4，工藝因子為1。由此可以得出過濾器的設(shè)備修正系數(shù)。通過對壓氣站承壓設(shè)備的評估和打分，取管理系數(shù)值為0.38?？梢苑謩e計算出該壓氣站1號過濾器在不同尺寸泄漏孔徑的失效概率 （如表4所示）。

表4 壓氣站設(shè)備失效概率和失效后果

器破壞后的經(jīng)濟(jì)損失、停用期間損失等。

5 評估結(jié)果確定和檢驗計劃制定

根據(jù)以上方法計算得出的失效概率和失效后果可以進(jìn)一步計算出壓氣站場內(nèi)全部設(shè)備的風(fēng)險值，從而對設(shè)備和管道逐一進(jìn)行RBI評價。再根據(jù)行業(yè)QHSE管理標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)的風(fēng)險矩陣作為風(fēng)險評價的可接受性準(zhǔn)則，以此來確定設(shè)備的風(fēng)險等級。處于高風(fēng)險區(qū)域的設(shè)備需要立即采取措施，最終依據(jù)API 581中的檢驗計劃，將中高風(fēng)險區(qū)域的設(shè)備作為重點監(jiān)測和維護(hù)的對象。通過RBI評價方法的使用，可以提出科學(xué)的壓氣站場檢驗周期和基于風(fēng)險的檢驗計劃，從而指導(dǎo)設(shè)備檢驗，降低壓氣站設(shè)備和管道運行風(fēng)險。

［1］耿雪峰，左延田，薛小龍 .基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀研究 ［J］.化工裝備技術(shù)，2012，33（1）：17～22.

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［編輯］ 帥群