基于RBI的输气站场分离器风险评价研究

王洪波，陈宇光，秦晓东，杨小璇，梁昌晶

(1. 中国石油新疆油田公司 吉庆油田作业区，新疆 吉木萨尔 831700；2. 国家管网集团西气东输分公司 长沙输气分公司，湖南 长沙 410000；3. 中国石油吐哈油田分公司 工程技术研究院地面工程设计所，新疆 哈密 839009；4. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，河北 任丘 062552)

随着国民经济的发展，天然气作为低成本清洁能源在一次能源消费中的占比不断提高，采用长输管道运送天然气是较为经济合理的方式。但在管道输送过程中天然气常混有固体颗粒、粉尘、水和液态烃等物质，在经过分输站、清管站或末站时，需要去除气源中的杂质以减缓对站内设备及工艺管道的腐蚀、冲刷，保证下游气源的安全可靠。除上游气源发生中断等特殊工况，分离器将一直处于长期运转状态，且受高压和交变载荷的影响，如按常规检测方式进行，容易造成过检验，同时检测具有盲目性。

目前，对于输气站场设备的风险评价方法主要有事故树分析、危险与可操作分析、模糊综合评价法等，但均借助专家判断，应用物理模型进行风险评价，无法针对分离器面临的风险提出风险减缓措施及优化检验周期，缺少对站场静设备的定量风险评价和安全管理。因此，以API 581： 2016《基于风险的检验技术》为模板，采用基于风险的检验RBI(risk based inspection)技术的基本原理和操作流程，以及威布尔分布函数修正同类设备失效概率，基于应力-干涉原理改进设备修正系数，建立输气站场分离器风险评价体系，以期对该类设备的风险评价提供理论依据和实际参考。

1 RBI技术原理

RBI技术是通过追求系统安全性和经济性的基础上建立的优化检验策略方法，是提高设备长时间运行可靠性的手段，主要针对静设备如储罐、分离器、换热器、工艺管道等。

RBI技术最早由挪威船级社提出，用于研究海油平台设备可靠性及完整性管理，2009年国家质检总局将RBI技术加入压力容器、压力管道等特种设备安全监察规程中，通过检验10%～20%的设备来识别70%～80%的风险，满足“28准则”，以防止欠检验带来的风险和过检验带来的经济损失。通过计算失效概率和失效后果，通过风险评价矩阵识别哪些设备应在1个周期内被重点关注。

2 失效概率计算

根据站场工艺流程图、PID图、安全仪表系统图、维护维修记录、历史检验记录等信息，将其整合形成RBI集成数据库。分离器失效概率F的计算如式(1)所示：

F=FAFEFM

(1)

式中：FA——同类设备失效概率；FE——设备修正系数；FM——管理修正系数。

2.1 同类设备失效概率修正

API 581： 2016中给出了不同设备在4种泄漏孔径下的失效概率，但该数据库源于国外石化行业，且每台分离器的设备参数、管理手段不一致，即使同一分离器在不同的运行工况下的失效概率也不同，因此机械的采用规范中的失效概率并不适用，需要对其进行修正。根据分析，失效概率是关于时间t的模型，因此采用威布尔分布函数进行修正，主要是利用极大似然估计法估计形状参数α和尺度参数β，如式(2)所示：

(2)

(3)

采用牛顿迭代法计算出α和β，代入式(4)求出失效概率FA：

(4)

式中：F(t)——失效概率分布函数；Fρ(t)——失效概率密度函数。

基于同类型站场及分离器过去5年的设计、制造、维修、检验、运行记录，得到形状参数α=2.579，由于分离器运行时间较长，数据量较大，无法获得截尾数据，在此采用同年平均失效概率计算β，根据α和β修正后的同类设备失效概率见表1所列。经过修正后发现失效概率比API 581： 2016中的概率略大，也证明了规范给出的概率偏保守。

表1 修正后的同类设备失效概率

2.2 设备修正系数改进

FE主要反映实际失效概率与FA的偏差程度，由损伤因子、通用因子、机械因子和工艺因子组成，由于之前修正了FA，故不可用API 581： 2016中的损伤因子评价表，需要重新计算损伤因子。由于在之前的检测中未发现裂纹缺陷，根据损伤机理，主要考虑腐蚀减薄、外部损伤和机械疲劳三部分，损伤因子D总为每个损伤机理Di的和，如式(5)所示：

(5)

其中，腐蚀减薄是影响分离器失效的主要因素，腐蚀形态表现为全面腐蚀、局部腐蚀和点蚀。根据材料力学的原理，随着服役年限的延长，当施加在设备上载荷L大于设备所能承受的抗力载荷R时，设备失效，引发穿孔泄漏。其中R和L服从正态分布曲线，在某些区域相交，相交区域为干涉区，可能发生失效。采用应力-干涉理论，判断设备是否处于安全状态时采用极限状态函数Z表示，Z为g的函数如式(6)所示：

Z=g(R，L)=R-L

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：S——流变应力，MPa；c——腐蚀速率，mm/a，为壁厚对时间的导数，由之前的检测数据获得；t——分离器服役时间，a；σs，σμ——屈服强度和抗拉强度，MPa；p——操作压力，MPa；d——内径，mm；h——壁厚，mm。

应力-干涉理论计算的失效概率没有考虑设备检验有效性的影响，有效的检验可以在设备失效之前采取风险减缓措施，提高对损伤速率的预测精度。腐蚀减薄损伤因子D1如式(10)所示：

(10)

式中：F(A/Bi)——经一次检验后，在破坏状态i下因腐蚀减薄造成的失效概率；F(Bi)——在破坏状态i下因腐蚀减薄造成的理论失效概率。

根据检测到的腐蚀速率，由式(6)～式(9)计算3种破坏状态下的F(Bi)，分别为1倍腐蚀速率、2倍腐蚀速率和4倍腐蚀速率，经一次检验后，根据不同破坏状态的检验有效性置信度指标确定F(A/Bi)，见表2所列；最后，根据式(10)计算D1，确定腐蚀风险。

表2 一次检验后不同破坏状态下的检验有效性

外部损伤主要为外防腐、外涂层的破损或脱落，外部损伤因子的修正系数见表3所列。

表3 外部损伤因子修正系数

通用因子包括装置条件、天气状况和地震活动三方面。装置条件是评估人员评定分离器的外观、容量、设计参数是否符合现行标准要求；天气状况是天气寒冷是否会给设备造成结霜、结冰等现象，影响设备正常运行；地震活动主要从地震烈度上评定对分离器运行的影响程度，数值为三个方面评定结果的代数和，见表4所列。

表4 通用因子及评定数值

机械因子包括设备复杂性、建造规范、寿命周期和安全系数四个方面。设备复杂性以分离器配管的数量评定；建造规范是看设计、运行阶段对最新规范的符合性，如持续改进，可降低失效概率；寿命周期遵循“浴盆曲线”，分为早期失效期、偶然失效期和损耗失效期三部分，其中早期失效期和损耗失效期的失效概率较大；安全系数与系统的运行压力和设计压力有关，数值为四个方面评定结果的代数和，见表5所列。

表5 机械因子及评定数值

工艺因子包括连续性、稳定性和泄压阀三个方面，其中连续性从计划停车和非计划停车两个方面考虑，以每年停车次数评定失效概率，由于分离器只有在检修的时候才发生计划停车，次数较少，在此只考虑非计划停车状态；工艺稳定性对连续性有很大影响，长期保持较高的工艺稳定性可减少非计划停车次数；泄压阀可防止设备在运行过程中出现超压现象，是最为重要的安全附件，必须保证按时开启、稳态排放、密封有效，数值为三个方面评定结果的代数和，见表6所列。

表6 工艺因子及评定数值

2.3 管理修正系数

管理修正系数主要评价所在企业对设备完整性的管理水平，对于分离器这类存放易燃易爆介质的压力容器具有重要意义，API 581： 2016收集了23家国内外大型石油石化行业管理手册，定义了13类101个问题进行专家打分，根据得分结果对照修正系数图计算FM。

3 实例计算

以国内某输气站场多管式旋风分离器为例，按照以上评估方法进行风险评价，分离器采用Q245钢，设计壁厚为28 mm，设计压力为10 MPa，运行压力为8 MPa，投产时间为2010年，根据特种设备检测规程，每6 a进行一次全面检测，采用超声波测试壁厚减薄情况，均匀腐蚀速率为0.035 mm/a，防腐层及配管对焊处出现不同程度的局部腐蚀，局部腐蚀速率为0.135 mm/a，最大点蚀坑深度为2.34 mm。

按照极端情况测算同类设备失效概率为6.63×10-5。按照应力-干涉原理计算腐蚀减薄因子为1.95，外部损伤因子为1.5，机械疲劳因子为3，通用因子为1(按照现场实际工况条件根据表4进行取值，其中分离器装置条件与工业标准持平，数值为0，天气状况数值为1，输气站场所处区域为非地震活动带，数值为0)，机械因子为-1(根据表5进行取值，其中配管数为4，数值为-1，建造规范满足最新版本要求，数值为0，已消耗寿命30%，数值为0，运行压力/设计压力=0.8，数值为0)，工艺因子为3(根据表6进行取值，其中非计划停车3.5次/a，数值为2，稳定性等级与平均值持平，数值为0，泄压阀延期维护比例小于3%，数值为-1，泄压阀有小部分结垢，数值为2)。综上所述，FE=9.45。

对管理问题进行打分，FM=0.68，故所评价的F=6.63×10-5×9.45×0.68=4.26×10-4，根据失效可能性等级划分属于Ⅲ级。

分离器泄漏主要介质为天然气和凝析油，后果包括蒸气云团扩散、油池火、喷射火、闪火、闪燃等，每种后果均为事件连续发生的结果，参考特定事件发生的概率，定义介质泄漏且发生上述后果的概率为40%；根据环境大气压与分离器运行压力的比值，确定泄放属于音速泄放，计算泄漏量；根据泄漏量和泄放速度，确定为瞬时泄放，根据影响因素分析，以泄漏量为自变量，设备破坏面积和人员伤亡面积为因变量进行线性拟合，见式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

式中：qm——泄漏量，kg/min；A1——设备破坏面积，m2；A2——人员伤亡面积，m2。

由此计算，qm=95.89 kg/s=5 753.4 kg/min，代入式(11)，式(12)计算，得到设备破坏面积A1=137.48 m2，人员伤亡面积A2=265.04 m2，根据失效后果等级划分为3级。放入5×5的风险评价矩阵中，确认风险水平为较高风险。

根据评定结果，失效可能性等级大于等于Ⅲ级，则检验周期由原先的6 a缩减为2～3 a，且根据分离器的损伤机理制定内壁和外壁的检验机制，其中内壁以宏观检查为主，并对焊接部位采用渗透或磁粉检测，外壁以超声或射线扫描为主，对焊接部位采用渗透或磁粉检测。

4 结 论

1)采用基于风险的检验技术，参照API 581： 2016规范，对输气站场分离器进行了定量风险评价，并按照评价等级，调整了检验周期和检验策略。

2)采用威布尔分布函数修正FA，基于应力-干涉原理改进FE，改进后的定量评价结果更符合中国站场设备，提高了站场完整性管理水平。