張 欣，余建星，梁 靜，唐必意，葉彬彬，孟慶龍

基于風(fēng)險的檢測（R BI）在海底管道定量風(fēng)險評估中的應(yīng)用

張 欣，余建星，梁 靜，唐必意，葉彬彬，孟慶龍

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津300072）

通過研究R BI技術(shù)，并分別采用新舊2種規(guī)范的R BI方法對某海底管道進(jìn)行計算，對比分析了新版規(guī)范的優(yōu)越性。通過對R BI方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷囊允蛊溥m用于海洋工程領(lǐng)域，最終建立了海底管道R BI風(fēng)險評估流程，為海底設(shè)備的風(fēng)險評估提供了一種新的研究方法。

R BI；損傷因子；海底管道；規(guī)范

隨著海上油氣田的開發(fā)和海洋工程的日益發(fā)展，越來越多的海底管道作為主要的運(yùn)輸油氣設(shè)備被鋪設(shè)在海底。由于海底環(huán)境十分惡劣，管道受到海流和波浪的不斷沖刷，海水中的硫、氫等物質(zhì)會對管道產(chǎn)生腐蝕，船舶的拋錨、平臺及船舶的落物會使管道發(fā)生變形失效，設(shè)備在運(yùn)行過程中的振動也會導(dǎo)致管道的疲勞失效。根據(jù)H SE的調(diào)研，在2001—2007的7 a間，全球共發(fā)生595起海底設(shè)備重大泄漏事故［1］。因此，需對海底管道進(jìn)行風(fēng)險評估，以制定合適的防治措施，減少失效事故的發(fā)生。

R BI是一種在役裝置檢測技術(shù)，對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險及其程度進(jìn)行評估，找出薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化檢測方法和檢測頻率，以達(dá)到降低停機(jī)和日常檢測、維修的費(fèi)用，保障生產(chǎn)順利進(jìn)行［2］。在過去的研究中，R BI技術(shù)更多的是被應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，而較少用于水下設(shè)備的風(fēng)險評估。本文將結(jié)合規(guī)范與實(shí)際水下設(shè)備，在原有的評估技術(shù)上作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以使R BI技術(shù)能夠更好地應(yīng)用到對海洋工程水下設(shè)備的風(fēng)險評估中。

1　R BI技術(shù)

目前，文獻(xiàn)中使用的R BI方法多為2000版規(guī)范中所介紹的方法，本文根據(jù)A PI 581（2008）規(guī)范介紹R BI的評估方法和計算步驟。在使用R BI技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行評估時，是從失效可能性和失效后果2方面進(jìn)行評估的，下面分別介紹二者的具體評估過程。

1．1 失效可能性

對失效可能性的分析是以同類設(shè)備失效概率FG為基礎(chǔ)，通過設(shè)備損傷因子Df（t）和管理系數(shù)FM兩項進(jìn)行修正，得到的失效概率Pf即為設(shè)備的失效可能性［3］，其公式為

其中，同類設(shè)備失效概率FG可以通過查找A PI 581（2008）規(guī)范中的數(shù)據(jù)庫得到。但是規(guī)范中的數(shù)據(jù)均來自陸上管道而非海底管道，因此在評估海底管道時，需參考有關(guān)海底管道失效概率的數(shù)據(jù)庫。

設(shè)備損傷因子的計算是失效可能性評估中的重點(diǎn)，也是新版規(guī)范與舊版規(guī)范區(qū)別的主要體現(xiàn)。在新版規(guī)范中，詳細(xì)介紹了設(shè)備損傷因子中各因子的應(yīng)用范圍和計算方法。根據(jù)設(shè)備的不同失效形式，常見的設(shè)備損傷因子有：腐蝕減薄損傷因子Dthinf、外部腐蝕損傷因子Dextdf、應(yīng)力腐蝕損傷因子Dsccf、高溫氫腐蝕損傷因子Dhthaf、脆性斷裂損傷因子Dbritf等。在計算總體損傷因子時，當(dāng)存在多個機(jī)械損傷時，可以將各損傷因子相加得到總體損傷因子。但是，如果某一個損傷因子小于或等于1，那么在加和時其值取為0。

由于本文研究的對象是海底管道，根據(jù)其失效機(jī)理和所處環(huán)境特點(diǎn)，可以確定海底管道的主要損傷形式有4種，下面將分別介紹這4種損傷因子的計算方法。

1．1．1 腐蝕減薄損傷因子

腐蝕減薄損傷是指設(shè)備或組件產(chǎn)生機(jī)械損傷，導(dǎo)致整體或局部發(fā)生腐蝕減薄。根據(jù)規(guī)范，設(shè)備中的所有組件都應(yīng)該進(jìn)行減薄檢測［3］，其評估流程如圖1所示［4］。

由于規(guī)范中給出的腐蝕速率為陸上情況，因此海底管道的腐蝕速率需靠計算得到?？梢詫?次的管道檢測厚度相減，再除以間隔的時間即可得到。一些常見的海底管道的腐蝕速率為0．15～0．62 mm／a［5］。

圖1　減薄損傷因子評估流程

1．1．2 應(yīng)力腐蝕損傷因子

應(yīng)力腐蝕開裂（SC C）包括氨裂、碳酸鹽開裂、堿腐蝕開裂、氯化物腐蝕開裂、氧化疲勞等多種形式［6］。通過分析水下生產(chǎn)系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境，可以判定水下生產(chǎn)設(shè)備所受的應(yīng)力腐蝕損傷形式主要為連多硫酸（P T A）應(yīng)力腐蝕。評估流程如圖2所示。

圖2　PTA應(yīng)力腐蝕損傷因子評估流程

1．1．3 外部腐蝕損傷因子

外部腐蝕主要指大氣腐蝕和保溫層下的腐蝕（C UI）。對于可能出現(xiàn)受潮、冷凝和出現(xiàn)腐蝕介質(zhì)濃縮現(xiàn)象，操作溫度－4～120℃，且使用外保溫材料的容器／管道應(yīng)考慮該腐蝕情況［3］。海底管道的外腐蝕類型主要是海水腐蝕、土壤腐蝕、生物腐蝕［7］。外部腐蝕與管線周圍的環(huán)境有密切關(guān)系，與保溫材料的雜質(zhì)含量也有很大的關(guān)系。

外部腐蝕損傷因子的評估步驟與上述的外部腐蝕損失因子的評估過程相似，因此本文不再贅述。

1．1．4 機(jī)械疲勞損傷因子

機(jī)械疲勞損傷是管道設(shè)備特有的一種損傷形式，機(jī)械疲勞在某些特定的情況下存在十分嚴(yán)重的危害，在設(shè)計和安裝管道系統(tǒng)時應(yīng)該盡量避免這種情況。但是，在設(shè)計階段對管道振動進(jìn)行預(yù)測是十分困難的，尤其是當(dāng)存在循環(huán)應(yīng)力時，如往復(fù)泵和壓縮機(jī)。此外，即便管道在完工后不受機(jī)械疲勞的損害，可是一旦改變運(yùn)行狀態(tài)，也可能會導(dǎo)致疲勞的發(fā)生，例如管道支架失效、振動增加、安全閥的振動、無支持的支管連接處質(zhì)量增加等［3］。機(jī)械疲勞損傷因子只針對于管道設(shè)備，在評估其他水下設(shè)備時，不考慮該損傷因子。評估流程如圖3所示。

圖3　機(jī)械疲勞損傷因子評估流程

管理系數(shù)反映了企業(yè)在調(diào)節(jié)工藝安全管理系統(tǒng)時對裝置機(jī)械完整性影響的管理水平，計算公式為

式中：S為得分百分比，%。

當(dāng)FM＝1時，表示被評企業(yè)的管理水平與世界知名企業(yè)的管理水平相當(dāng)；FM＝0．1表示被評企業(yè)的管理水平比世界知名企業(yè)的管理水平高1個數(shù)量級；FM＝10表示被評企業(yè)的管理水平比世界知名企業(yè)的管理水平低1個數(shù)量級［2］。

1．2 失效后果

失效后果的主要作用是衡量失效事件發(fā)生后，其后果的嚴(yán)重程度和損失情況。根據(jù)海底管道失效后果的表現(xiàn)形式，可將其分為生態(tài)破壞、經(jīng)濟(jì)損失、火災(zāi)后果3個方面。其具體類型如圖4所示。

圖4　失效后果分類

由于陸上和海底的失效后果情況有所不同，因此在確定失效后果時，需做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如：要考慮溢油對生態(tài)環(huán)境的破壞，因此在經(jīng)濟(jì)損失中要增加清污費(fèi)和環(huán)境處罰費(fèi)［8］；海面火災(zāi)的影響面積要大于陸上情況，在劃分后果等級時要調(diào)整影響面積的臨界值。

2　海底管道實(shí)例分析

根據(jù)前面介紹的R BI技術(shù)的評估流程，對某一海底管道進(jìn)行定量風(fēng)險評估，其基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　海底管道基本參數(shù)

為對比新、舊版本規(guī)范的區(qū)別，現(xiàn)根據(jù)管道的基本參數(shù)分別按照2版規(guī)范來分析其風(fēng)險。

2．1 新版結(jié)果

海底管道的同類設(shè)備失效概率［9］取FG＝9．23×10－5。設(shè)備損傷因子Df-total＝Dthinf＋DP T Af＋DC UI-C LSC Cf＋Dmfatf＝5．9，管理系數(shù)FM取0．25。綜上，失效可能性系數(shù)為Pf＝1．36×10－4。

失效后果中的經(jīng)濟(jì)損失（未計算設(shè)備維修費(fèi)用）約為＄40萬元［10］，火災(zāi)后果對設(shè)備的影響面積為209．82 m2，對人員的影響面積為8．62 m2。

綜上可得，失效可能性等級為3級，失效后果的等級為2級，查風(fēng)險矩陣［11］為低風(fēng)險區(qū)。

2．2 舊版結(jié)果

根據(jù)舊版規(guī)范，修正系數(shù)包括損傷次因子、通用次因子、機(jī)械次因子和工藝次因子。經(jīng)計算，修正系數(shù)為3．5［12］，失效可能性系數(shù)為Pf＝8．08×10－5。查表后得到，失效可能性的等級為2級。

由于過去對環(huán)境保護(hù)的認(rèn)知程度較低，在舊版的分析中，往往忽略環(huán)境后果的影響，因此失效后果未包含環(huán)境清理費(fèi)用。經(jīng)計算，總的失效后果中的經(jīng)濟(jì)損失（未計算設(shè)備維修費(fèi)用）約為＄12萬元，火災(zāi)后果對設(shè)備的影響面積為209．82 m2，對人員的影響面積為8．62 m2。

2．3 結(jié)果對比

舊版的修正系數(shù)可以分為2個部分進(jìn)行分析：第1部分為損傷次因子，值為2；其余的3項為另一部分，值為1．5。這里，損傷次因子小于新版結(jié)果的原因是，舊版中對損傷機(jī)理的考慮不完全，忽略了許多可能發(fā)生的損傷形式，因此其結(jié)果是偏于危險的。對另外3項次因子的分析，其數(shù)值在失效可能性中所占比重很小，盡管加上這3項的值，舊版的失效可能性系數(shù)仍小于新版的結(jié)果。所以，新版計算的失效可能性數(shù)值普遍會大于舊版的結(jié)果，這反映了新版的評估方法更加嚴(yán)謹(jǐn)精確、趨于安全，對于設(shè)備的失效機(jī)理的針對性更強(qiáng)。

新、舊版本對于失效后果評估的區(qū)別主要體現(xiàn)在是否考慮生態(tài)環(huán)境的損失和清污費(fèi)用。因此，新版的失效后果中經(jīng)濟(jì)損失會高于舊版，這也體現(xiàn)了新版對于可能發(fā)生的失效后果考慮得更加全面、更加科學(xué)。

3　結(jié)論

1） 使用新版規(guī)范對該海底設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險評估時，不再考慮通用次因子、機(jī)械次因子和工藝次因子。這些因子有些與損傷因子或失效后果的評估內(nèi)容重復(fù)，有些判定內(nèi)容不夠客觀，因此去掉后評估結(jié)果更加合理。

2） 使用新版規(guī)范計算得到的失效可能性系數(shù)和失效后果的數(shù)值往往會大于舊版的結(jié)果，這并不說明根據(jù)新版計算會導(dǎo)致設(shè)備的風(fēng)險增大，而是說明新版的計算更加精確地反映設(shè)備潛在的風(fēng)險，可以在失效發(fā)生之前采取有效措施避免設(shè)備失效，從而達(dá)到優(yōu)化檢測和降低成本的目的。

3） R BI技術(shù)應(yīng)用到海底設(shè)備時，對于某些系數(shù)的取值和評估方法，不能繼續(xù)采用陸上的數(shù)據(jù)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出適當(dāng)調(diào)整。

［1］ Alison M cGillivray，John H are．Offshore hydrocarbon release 2001—2008［G］．U K：H ealth and Safety Laboratory，2008：47．

［2］ 戴樹和．工程風(fēng)險分析技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：168-181．

［3］ A merican Petroleu m Inspection（A PI）．A PI R P 581-Risk-Based InspectionTechnology［S］．SecondEdition．2008．

［4］ 龔凡明，余建星．基于風(fēng)險檢查的海洋立管腐蝕失效分析［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（2）：1-4．

［5］ 蔣官澄，張亞．海洋設(shè)備腐蝕與保護(hù)［M］．山東：中國石油大學(xué)出版社，2011：339．

［6］ 張春燕．輸氣管道系統(tǒng)R BI定量風(fēng)險評價研究［D］．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008．

［7］ 何世亮．基于風(fēng)險的檢測在海底管道完整性管理中的應(yīng)用［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011．

［8］ 張宇慶．海洋污染應(yīng)急費(fèi)用的法制保障［J］．中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2013，23（4）：51-54．

［9］ 張方元．定量風(fēng)險分析及其在海底管道完整性管理方面的應(yīng)用［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010．

［10］ Det Norske Veritas（D N V）．Reco mmended Practice D N V-R P-G101-RiskBased InspectionofOffshore Topsides Static M echanical Equip ment［S］．2010．

［11］ 顧菲菲．海洋石油鉆井作業(yè)風(fēng)險管理與安全評價［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（5）：81-84．

［12］ A merican Petroleu m Inspection（A PI）．A PI R P 581-Risk-Based Inspection Base Resource Docu ment［S］．Second Edition．2000．

Application of Risk Based Inspection（R BI）in the Quantitative Risk Assessment of Subsea Pipeline

ZHANG Xin，YU Jianxing，LIANG Jing，TANG Biyi，YE Binbin，MENG Qinglong
（State Key Laboratory of H ydraulic Engineering Sim ulation and Safety，Tianjin Uniuersity，Tianjin300072，China）

In this paper，the different method of R BI based on the A PI 581（2000）and A PI 581 （2008）are used to analyze the subsea pipeline，and the advantage of the new standard is found out．By adjusting the method of R BI to make it usefulin the area of subsea engineering，finally the R BI quantitative risk assessment m odel of subsea pipeline was established，w hich provides a new method for the risk analysis of subsea equip ment．

R BI；damage factor；subsea pipeline；standard

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．003

1001-3482（2015）01-0009-04

2014-07-14

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2014C B046800）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51239008）；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目（51321065）；國家科技重大專項資助項目（2011Z X05030-006）

張 欣（1989-），女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險評估、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造等研究，E-mail：zhangxin2012＠tju．edu．cn。