海上固定平台及浮式生产设施静设备RBI评估

杨 树，周 雷

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽 300451）

0 引言

目前中海油国内资产范围内的海上固定平台和浮式生产设施，如FPSO等，虽然划归不同的作业公司管理，但从多年前已开始对设备设施进行完整性管理，并在近年来不断提高考核要求。从资产完整性管理从概念引入到落实具体要求，中海油管理部门已出版多项完整性管理体系文件，指导设备设施全寿命周期完整性管理实践操作[1]。同时，随着中海油海外资产的开发运营，在国际项目运行中得到的知识扩展和经验积累，常规的机电仪类设备可应用的完整性管理技术手段不断扩展提升，如基于风险的检测（RBI）、以可靠性为中心的维修（RCM）、可靠性/可用性/可维修性分析（RAM）、安全完整性等级（SIL）和合于使用评估（FFS）等。

其中针对工艺系统中静设备，如压力容器、常压容器、压力管道等，也逐步引入基于风险的检测（RBI）理论和技术，开展RBI评估业务。

1 需求分析

传统静设备的检测方法，多为依据压力容器标准规范、企业内部规范手册等，在实际操作中，表现为广而全、全面覆盖、工作量和投入费用高的明显特点[2]。

而随着国际上针对静设备风险评估和检测方法论的兴起和逐步成熟，如适用陆上静设备RBI检测的API581/API582等，和适用海上静设备RBI检测的DNVGL-RP-G101/G103等，都有在实际项目中的应用，取得了良好效果[3-4]。

同时，不同于陆上工业环境，海上固定平台和浮式生产设施在役阶段，受到海洋气候、海面波浪流冲击振动等影响，针对静设备的各类损伤因素会更加复杂和严重，比如[5]：

1）工艺方面包括工艺流程的改变，流体类型、流体性质的变化，流量、操作参数（如温度、压力等）的调整。

2）腐蚀引起的壁厚减薄，如外腐蚀，内部腐蚀。外部腐蚀例如外部大气环境腐蚀、外部应力腐蚀等，内部腐蚀如CO2内腐蚀、水腐蚀、酸性腐蚀、微生物腐蚀、电偶腐蚀等。一般主要考虑外腐蚀和内腐蚀因素。

3）外界环境的变化，包括海洋环境、保温破损导致的积水等。

4）周期性的振动产生的疲劳应力产生管线发生断裂的风险。

所以，避免人员主观判断制定的检测计划的不合理，采用全定量分析的RBI评估技术，更加适用于海洋石油这类资产规模大、要求故障率极低、失效后果严重的类型，进一步达到设备设施运行生产本质安全的目标。

2 RBI评估技术介绍和作用

基于风险的检测（RBI）技术是一种追求系统安全性与经济性统一的理念与方法，它是在对系统中固有的或潜在的危险发生的可能性与后果进行科学分析的基础上，找出薄弱环节，以确保设备本质安全和减少检维修费用为目标，优化检验策略的一种管理方式。RBI方法论的具体流程见图1。

进行RBI工作的主要意义体现在以下几方面：

1）确保设备本质安全。

2）提供优化的检验策略。

（1）识别可能的潜在高风险设备。

（2）采用针对性的检验技术来进行检验。

3）降低检验费用。

（1）根据不同设备的危险程度来确定检验周期。

（2）检验费用重点投入于中高风险设备。

4）延长设备安全运行时间。

5）提高管理水平，通过识别风险性质、判定风险高低，来制定有针对性的管理策略，从而控制风险。

图1 RBI方法论流程图

2.1 RBI筛选分析

筛选分析在系统级别上进行定性分析，以确定哪些系统应在详细评估或维护中予以解决和检验指导。筛选分析过程分离了高风险系统，其检查活动与设备相关，低风险系统其检查没有什么价值，具有重大风险的系统须经详细评估。通过筛选重点减少系统数量数据收集，筛选分析定性地考虑了失效的概率（PoF）并确定每个系统的故障后果（CoF）。PoF评估区分为内部、外部、疲劳和其他4种。考虑了内部和外部多种腐蚀机理，如腐蚀、应力腐蚀开裂等多种腐蚀机理。每个系统被分配了高PoF或低PoF用于划分4个可能性分类中的1种。构成的筛选分析矩阵见图2。CoF评估涉及人员安全，经济（生产损失或延迟和资产损失）和环境境影响。每个系统被分配了高CoF或低CoF用于划分3个后果分类中的1种。

图2 筛选分析矩阵

系统分类如下：

1）详细分析。具有高PoF和高CoF的系统，在筛选过程中未被确定为“低风险”的设备，其风险的发展可以通过检查控制。检查计划提供所有设备部件详细评估的每种损坏机制的检查方法和检查日期。

2）预防性的维护。具有低PoF和高CoF的系统，任何需要预防性维护的设备都具有低PoF，且预期会发生故障，但必须避免故障。近距离的目视检查用于检查易发生的故障，并确认假设的持续有效性，如良好的外部涂层的状况。应进行日常维护以保持低故障概率。

3）纠正性维护。具有高PoF和低CoF的系统，此类别中的任何设备都具有高PoF，并且预期会发生故障，但故障的发生对安全，生产和环境没有显着影响。在故障时更换或修理认为更有效，故障分析可以在故障时进行。然而，反复故障可能给其操作者造成不便。如果是这样，那么建议寻求替代解决方案，例如设计变化，使用更好的材料或缓蚀技术。

4）最低监控。具有低PoF和低CoF的系统，如果预期不会发生故障，或者故障没有重要的影响，则任何设备在组块检查中接受通用目视检查（GVI），以确认所有RBI假设仍然有效。

2.2 RBI详细评估

详细评估针对的是在筛选分析中被标为高风险的设备零件。计算失效概率和失效后果，风详细评估通过以下步骤操作：1）准备一个合适的数据库；2）识别主要的腐蚀机理；3）计算设备各部件的失效概率。

失效可能性的计算基于部件的腐蚀机理。失效可能性取决于部件抵抗载荷的能力、不确定性和失效机理。失效机理一般包括外部腐蚀例如外部大气环境腐蚀、外部应力腐蚀等，内部腐蚀如CO2内腐蚀、水腐蚀、酸性腐蚀、微生物腐蚀、电偶腐蚀等。

失效模型描述了发生在部件上的损伤。这些模型的分类见图3。

图3 失效模型示意图

失效模型可以分为以下3类：

1）速度模型（rate model）。损伤随着时间积攒。这种损伤机理可以通过检测发现，因为，相对低损伤速率通常允许在失效之前进行数次检测。

2）敏感性模型（susceptibility）。损伤在持续未知的一段时间后，收到外部事件激发，迅速发生。这种损伤机理不能通过检测发现，通常推荐进行关键控制指标的代替监测。

3）无关紧要的模型（insignificant）。这部分部件不存在明显腐蚀机理。

（1）计算设备各部件的失效后果

失效后果是假设失效发生时，对失效结局进行评估。失效后果被定义为对操作者具有重要意义的所有后果，包括安全、经济和环境。每一项应根据泄漏导致火灾或爆炸，和不燃烧泄漏的情形分别进行评估。失效后果分级标准应根据失效后果类型分别制定。安全后果应按照潜在人员死亡数进行描述。经济后果应按照财务计算结果，利用合适货币单位进行描述。环境后果可以按照排入环境的污染物的质量或体积，或清理这些污染物的费用，包括赔偿金和罚款，进行描述。环境后果通常并入经济后果。

（2）概率和后果数结合起来计算风险并根据据风险结果排列等级

风险（RISK）=失效可能性（PoF）×失效后果（CoF）

如图4，可得出风险矩阵及PoF和CoF设定值范围。

图4 5×5阶风险矩阵及PoF和CoF设定值

2.3 RBI检验计划

G101规定检验时间的确定以承压设备处于风险可接受水平为前提，选择检验时间时，应考虑包括装置未来1个或几个维修周期，并根据以下情况调整：

1）在计划检验时间之前的某一时间点，风险达到风险可接受水平，见图5[5]。在这种情况下，推荐的检验时间是风险达到风险可接受水平的日期，检验次数和检验有效性应保证计划检验时间的风险不超过风险可接受水平。

图5 检验时间的确定，计划检验时间之前的某一时间点风险达到风险可接受水平

2）执行风险评估时的风险已超过风险可接受水平，见图6[5]。这种情况下，应立即实施检验，检验次数和检验有效性应保证验计划时间的风险不超过风险可接受水平。

图6 检验时间的确定，执行风险评估时的风险已超过风险可接受水平

3）检验计划时间的风险仍不超过风险可接受水平，见图7[5]。这种情况下，可以将原定检验时间调整至风险达到风险可接受水平的日期。

按照失效形式选择有效的检测方法，不同检测方法检验有效性见表1。

图7 检验时间的确定，检验计划时间的风险仍不超过风险可接受水平

RBI检验策略的制定是以控制设备风险可接受为目标，重点关注潜在的损伤机理、腐蚀或劣化速率以及风险变化的趋势。如果原料、工艺、材质发生改变，导致损伤机理、劣化速率等发生变化，则应重新评估风险，并根据风险调整检验策略，改变检验时间，调整检验部位、检验方法和有效性等。

表1 不同检测方法检验有效性

3 方法论的完善补充

针对海上固定平台和浮式生产设施工艺系统静设备主要参考 DNV GL-RP-G101和 DNV GL-RP-G103等，此标准由挪威船级社DNV GL编写发布，也是目前海洋石油行业主流RBI方法论，其内容主要包括，RBI概念介绍、流程说明、以腐蚀为主的损伤类型和对应的腐蚀速率模型等，但内容多为概述介绍和流程要求，只能满足指导要求，针对中海油海上资产和技术单位特点适用性方面，还需要继续深入分析研究，完善补充。

RBI全定量分析，是不同于常规半定量分析（失效概率PoF为定量计算，而失效后果CoF为给定值无计算）。需要将两项内容全部彻底的定量计算，得到准确可信的结果。因此，在实际项目中，针对如下4个方面进行了补充完善。

3.1 失效概率（PoF）类别判断/数据来源

采用不同于常规根据经验判断损伤类别和提出腐蚀速率值的主观方法，提出如下2项措施：

1）搜集梳理生产阶段物流化验报告数据，根据物流组分，选择损伤（腐蚀）类别；如缺少物流化验报告，可要求在RBI分析前补充。

2）根据物流组份检测值，通过防腐专业软件定量得到腐蚀速率计算值，如含有 H2S、CO2等还需对比选取最大值考虑。

3.2 失效后果（CoF）定量计算

搜集梳理安全/总体/工艺专业设计信息，采用定量风险计算（QRA）计算方法，得到人员/生产/环境等各类损失的计算数据。

3.3 静设备完工资料、检测数据搜集整理

1）RBI分析所需的输入静设备制造参数，应是存档的设备完工资料内容，不应使用设计招标文件和审图过程文件，会造成计算误差。针对在役多年文件存档缺失的情况，可参考使用投产后最近年份的壁厚测量数据，如测量年份较长，也不应使用。

2）梳理投产后历年设备检测数据，要梳理出同一编号设备不同年份、不同部位测量数值的表格。

3）与静设备初始基线数据相比较，剔除不合理数据，并通过算法，得到壁厚减薄年平均值，即为通过壁厚检测得出的测量腐蚀速率。

3.4 腐蚀速率定量计算

以现场实际检测数据为主，仿真计算值为辅，工艺计算手段作为支撑的复合型选取原则。由于在设备全寿命生产周期内工艺数据复杂多变（以温度压力为例，处于时刻波动当中），又限于现场的记录条件等多种因素的影响，实际检测和记录的数据配以仿真计算值是较为科学的选取原则，部分工艺数据则也需要通过模拟计算来使得数据更加的精确，也可印证和确保仿真计算值的选取是符合现场逻辑的。

现场检测、实测数据包括但不限于逐年配产、原油性质及天然气组分化验报告、生产日报、巡检表、公用辅助系统使用及放空报告、历年改造数据等。数据的筛选一般是根据静设备RBI分析的需要，选取实测值中的极值。

仿真计算值的来源为工艺流程图（PFD）和工艺管道仪表图（P&ID）、其他原详细设计成果文件和后期改造成果文件也作为专家值的重要来源。仿真计算值通常选取设备各项参数的极高、极低值，平台正常操作条件下可以涵盖住设备全寿命周期内的各项工况。

对于流速、假组分含量及性质、CO2分压等没有或没做现场实测的工艺数据，使用软件（HYSYS）和公式进行模拟计算。

损伤速率即腐蚀速率，描述的是设备及管线腐蚀的趋势也是RBI分析不可缺少的数据。腐蚀速率2种评定方法如下。

1）按照优先采用根据检测实测数据的原则，根据实测数据，按以下方式确定腐蚀速率：

（1）定点测厚

如果采用定点测厚的方式，选择的测量位置具有代表性的，按照式(1)确定腐蚀速率。

（2）非定点测厚

如果未采用定点测厚的方式，则按照式(2)确定腐蚀速率。

2）在没有检测实测数据的情况下，RBI分析方法还可以通过仿真计算得出设备和管线在各种腐蚀工况下的腐蚀速率。

在实际项目中，部分测量壁厚比原始设计壁厚数值更大，据此分析，在设备制造完工时壁厚存在正偏差，或制造期间板材壁厚选择更高等级，因此在设计年限内发生的腐蚀量比实际与设计的壁厚差值更小，故出现上表所示壁厚未减薄现象，但该情况并不能反应出设备未发生腐蚀。因此，检测数据不足以支持设备RBI数据的完整性，需要结合计算的方法通过历年检测数据推测最大年腐蚀速率。

某项目生产分离器V-102收集数据如表2所示。

仿真计算值选取原则：

根据某设备的收集数据，从全设计周期内的数据选取满足输入条件的年份数据进行腐蚀软件计算（见图8），其中腐蚀计算结果最高值，作为该设备的仿真计算值。

3.5 后续检验策略

根据RBI详细分析分析结果，将高风险静设备检验计划和检验要求汇总，应明具体时间、部位、NDT种类和预防性检验要求等，见表3。

4 结论

1）海上固定平台和浮式生产设施工艺系统静设备基于风险的检测（RBI）理论和技术正在逐步应用和发展，在中海油在役设备设施完整性管理应用中初见成效，尤其在合作油田中已将RBI分析结果作为评估周期内的检验实施计划，替代了常规标准规范中通用要求，实现了风险量化、检测有序、PDCA循环管理的目标。

表2 V-102收集数据（取年平均日产值）

图8 生产分离器V-102仿真计算截图

表3 RBI详细分析结果

2）本文中RBI方法论的完善补充，如失效概率（PoF）类别判断/数据来源、失效后果（CoF）定量计算、静设备完工资料/检测数据搜集整理、腐蚀速率定量计算、后续检验策略，针对中海油资产特点和专业公司技术能力，有效推动了RBI全定量分析技术水平的发展，提升了海上固定平台和浮式生产设施静设备完整性管理水平。

3）下一步还需要大力推动海上固定平台和浮式生产设施静设备全寿命周期完整性管理，在建造/采办阶段开展做好基础数据梳理导入，便于在役阶段采用全定量分析的RBI评估技术实现中海油海上资产设备设施运行生产本质安全的目标。