基于风险分析的静设备完整性管理

2023-01-15高庆娜

石油化工设备技术 2023年1期

高庆娜

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东青岛 266427)

静设备是指没有驱动机带动的非转动或移动的设备，主要包括承压类特种设备及非压力管道、常压储罐、加热炉、分离器、过滤器、干燥设备、换热器、消防设备设施、阀门及其他辅助设备设施。静设备作为设备设施分类分级中重要的一类，其完整性在资产完整性概念范畴内，是资产完整性的一部分【1-2】。通过总结归纳设备损伤机理、失效模式，明确可接受的风险水平，完善设备设施资产完整性管理体系，积极开展LNG接收站静设备完整性管理技术【3】的研究，改变原有碎片化、经验式、各自为战式的管理弊病，不断加快数字化、智能化转型发展，形成设备管理信息共享、统一的管理模式，可以最大限度地确保设备设施系统的有效运行，及时消除设备设施的不安全状态，从而使接收站在生产运行过程中的安全保障得到更进一步的提高。

1 研究目标

本文研究基于LNG接收站关键静设备损伤机理、失效模式、故障模式分析，旨在优化风险要素监测和评价【4】。通过将管理制度建设和基于风险和可靠性的检测监测以及评价技术应用相结合，建立具有预警、安全状态监测和评价功能的站内设备设施完整性管理体系，降低事故率、管控风险和成本，提升接收站设备设施管理水平。

2 静设备完整性管理的实施

接收站设备设施完整性管理是通过分析接收站各类设备的失效/故障模式及持续识别分析运行中的风险因素，借助检监测技术评价设备设施的适用性和可靠性状态，制定和实施最优化的维修维护等风险控制措施，达到以经济合理的管理成本持续减少安全事故、提高风险管理水平的目的【4】。接收站的设备设施主要包括：压力管道、LNG储罐、轻烃球罐、罐内泵、外输泵、BOG压缩机、海水泵、空压机、风机、气化器、卸料臂、安全联锁装置、电气设备等。

设备设施完整性管理流程包括数据采集、分类分级、风险评价、维护维修、变更报废和效能评价6个要素。该流程可使接收站设备的安全及风险状态在工作实施过程中得到持续管控。接收站完整性管理工作循环如图1所示。

图1 接收站完整性管理工作循环

2.1.1 数据收集

开展接收站设备设施完整性管理需要的数据来源包括设计、采购、施工、投产、运行、废弃等过程中产生的数据，必要时可包括测绘、环境、社会资源、应急等数据。接收站采集的数据项、来源及呈现方式如表1所示【5】。

表1 接收站资料收集来源

2.1.2 分类分级

结合接收站设备设施类型、功能和特性，按照管理方式，可分为动设备、静设备、电气设备、仪表及工业控制设备、装卸加注设施、起重运输设备6大类。其中，动设备含罐内泵、外输泵、BOG压缩机、海水泵、空压机、风机；静设备含压力管道、LNG储罐、轻烃球罐及其他压力容器；电气设备含输变电设备、电机回路、电动执行机构；仪表及工业控制设备含仪表、计量器具、化验仪器、工业控制系统；装卸加注设施含卸料臂、装车撬；起重运输设备含臂架类型起重机、桥式类型起重机、电梯、搬运机械、载货车辆、消防专用车。

根据设备设施的生产重要性、自身重要性、设备故障后果、设备可靠性、设备使用频率和故障频次、维修复杂性等因素进行分级。采用量化的关键性评价方法，根据各设备设施分级要素的总评分值，将设备分为关键设备(A类)、主要设备(B类)、一般设备(C类)3个级别。其中，A类设备包括超过设计年限并办理延期使用登记的承压类特种设备，如LNG储罐，卸料臂，装车撬，安全阀、爆破片等泄压放空装置，关键止逆阀，紧急切断阀，高空火炬，登船梯，快速脱缆钩，可燃气体、有毒气体检测报警器和系统，火灾报警系统，紧急停车系统，SIS，国控环保仪表。B类设备包括发电机(含燃气发电机组、柴油发电机组、汽油发电机)、搬运机械(含手动液压搬运车)、运输车辆(含载货、载客车辆，电瓶车)、生产辅助车辆(含维修作业车、消防专用车)。

本文分析识别的范围仅针对静设备，不包括动设备、电气设备、仪表及工业控制设备等。

2.1.3 风险评价

失效可能性与失效后果是组合变量，风险即是概率和后果量化后二者的乘积。在有些情况下，风险是指期望(事件)的偏离。风险评价即是按照给定的风险标准用来比较估计风险的过程。接收站设备设施风险评价包括损伤失效/故障模式识别和风险计算评级两个方面的内容。结合接收站设备材质(含腐蚀敏感性)、工况及工艺物流(含腐蚀流)等信息，综合分析站内工艺设备主要存在的损伤类型，包括腐蚀减薄、环境开裂、机械损伤等，其中，风险因素有大气腐蚀(含保冷层下腐蚀)、冲刷、振动疲劳、应力腐蚀开裂、汽蚀、微生物腐蚀等。对压力容器、压力管道等静设备划分评价单元，并计算各单元的失效可能性与后果，综合分析上述计算结果，确定设备得到风险程度并划分风险等级。经过风险分析与计算，本文所述时间点(2022年1月)的管道风险评价结果为：全部390个评价单元中无中高及以上风险单元；中风险单元共计26个，占全部评价单元的比例为6.7%；低风险单元共计364个，占全部评价单元的比例为93.3%。评价单元的失效可能性等级未大于2级。本文所述时间点(2022年1月)的容器风险评价结果为：全部47个评价单元中无中高及以上风险单元；中风险单元共计13个，占全部评价单元的比例为27.7%；低风险单元共计34个，占全部评价单元的比例为72.3%。评价单元的失效可能性等级未大于3级。将上述评价结果与各设备单元存在的失效模式、风险等级与可接受性相结合，可作为制定具有针对性的单元检验维护策略(包括检测方法、范围和周期)的依据。

2.1.4 维护维修

根据风险评价、检测评价结果，制定维修维护计划；根据维修维护计划，编制维修维护方案；根据维修维护方案，落实维修维护工作所需要的物资资源，开展具体的维修维护工作。接收站静设备的检验检测工作应是在静设备损伤机理和失效模式分析及风险评价基础上制定针对性的计划并实施的。在按接收站工艺流程确定压力容器、压力管道损伤机理和失效模式的基础上，对设备及其关键部位制定针对性的检验策略。

容器的检验类型包括停机内部检验、停机外部检验和在线检验。管道的检验类型包括停机外部检验和在线检验。对容器进行首次检验时，若具备条件，则应进行停机内部检验，否则进行停机外部检验或在线检验；非首次检验时，若具备条件，则优先选择停机内部检验，否则进行停机外部检验或在线检验。管道可以进行在线检验，必要时选择停机外部检验。

检验时间点一般分为评估时间点、本次停机检修时间点和预计的下次停机检修时间点。检验时间的确定应以在预计的下次停机检修时间点设备的风险位于可接受水平之下为标准；如果在本次停机检修时间点之前，设备的风险已到达或超过风险可接受水平，应立即实施检验；如果在预计的下次停机检修时间点之前，设备的风险已达到或超过风险可接受水平，应在本次停机检修时间点实施检验；若同一设备的不同部件检验时间不同，则应根据最近检验时间点确定设备整体的检验时间。

首次检验时，应按较高保守程度确定检验范围。确定检验范围时，应确保其能够覆盖所有腐蚀回路。静设备容器、管道的检验范围如表2所示。

表2 静设备容器和管道的检验范围

2.1.5 变更报废

变更是指对设备设施本身及附属设施的改变，主要分为临时变更、永久变更和紧急变更。设备报废评估应以设备可靠性、安全风险、环保要求和运行效能为重点开展，并将评估报告结论作为设备报废的依据。接收站主要通过申请、评价、审批、实施、验收评价等环节把控，对设备设施变更过程进行管理和控制，减少或避免因变更产生的风险。

2.1.6 效能评价

基于分析评价和措施执行的成本、效果等表征指标，评估当前管理周期的措施策略的实施效果，查找问题并形成针对下一管理周期的改进建议【4】。接收站以风险管控为主线进行细化分解，从数量、性质及结构逻辑关系上体现差异性和个性化，全面地对检维修质量、设备可靠性、维修成本和效率进行评价。

1) 研究确定设备设施关键绩效指标(公司层级、专业层级、运行单元及装置层级)

从安全性、可靠性、经济性3个维度分别设定设备设施管理绩效指标。安全性方面考虑设备故障导致的泄漏、火灾、爆炸场景，非计划停工，安全联锁功能故障率等因素；可靠性方面考虑设备无故障运行时长、维修频次等因素；经济性指标包括能源利用效率、设备能效、检维修时间和费用等因素。

筛选设备设施管理指标，从公司层级、专业层级、运行单元及装置3个层级分别精简，建立指标的分级控制策略。公司层级主要关注装置可靠性指数、维修成本指数、千台套设备备件消耗、关键设备故障率、管理活动执行率、执行能力指数等建立于下级指标基础上的总体统计分析。专业层级上划分为动、静、电、仪的设备专业，分别制定管理指标，如动设备故障率、静设备缺陷与泄漏率、电气动作与能耗、仪表安全完整性等级符合度等。运行单元和装置层级则关注设备本体状况、部件寿命、无故障运行时间、维修成本等。

2) 制定效能指标评判标准(设定评判体系、设定目标值)

基于划定的公司层级、专业层级、运行单元及装置等不同层级，根据确定的相应绩效指标的测算情况和各运行单元的实际情况，设定评判体系，确定指标的评判依据、评判范围、评判机制等。结合模糊层次分析法与专家打分法确定各项指标的权重，构建分析计算数理模型。采用试点样本数据对设备设施完整性管理效能进行计算评价，并持续修正指标权重与评分标准，形成效能分析评价方法，以达到衡量或评判设备设施管理工作质量的目的。

基于风险的检验维修程序(RIMAP，即Risk Based Inspection and Maintenance Procedures)中，对于不同设备类型有相应适应的方法流程【4】(如静设备基于风险的检验、动设备以可靠性为中心的维护、安全仪表系统安全完整性等级评价等)。借鉴基于风险的检验(RBI)【6-7】技术方法，建立静设备的风险评估模型和流程，用于静设备的风险评价，并根据风险评价的结果，选取有效的检验方法、检验位置及范围，开展接收站静设备的检测与评价。以风险可接受为目标原则，根据设备潜在损伤模式、失效机理及流场分析结果制定检验策略【8-9】，确定各设备单元的检验时间、检验类型、检验方法和检验有效性，形成检验策略并制定计划实施检验工作。静设备基于风险的检验工作的完整性管理流程如图2所示。

图2 静设备完整性管理流程

3 静设备风险分析

3.1 风险计算

设备单元的风险来自于两个方面，一方面是评价单元的失效可能性，另一方面是评价单元的失效后果。风险计算公式如式(1)所示。

R(t)=Pf(t)×C(t)

(1)

式中，R(t)——风险；

Pf(t)——失效可能性；

C(t)——失效后果。

可以看出：风险是随着时间累积的函数；随着减薄、裂纹或其他损伤机理在运行时间上的积累，损伤因子逐渐增大。当设备单元存在多个损伤机理时，各损伤机理对应的风险将叠加，得到一个与时间相关的总风险。

3.2 失效可能性分析

结合GB/T 26610—2011(以下简称GB/T 26610)《承压设备系统基于风险的检验实施导则》的相关要求，承压/非承压容器、管道的预期失效概率由同类设备平均失效概率、设备修正系数、管理系统评价系数的乘积决定。同类设备平均失效概率值与设备类型、泄漏频率有关；设备修正系数参考GB/T 26610.4《承压设备系统基于风险的检验实施导则第4部分失效可能性定量分析方法》的要求确定；同一企业不同设备的管理系统评价系数相同。

安全阀的失效模式主要有安全阀失效泄漏、安全阀开启失效和安全阀回座失效3类。安全阀风险运用安全阀模块进行计算。目前，RBI风险分析计算只能考虑安全阀失效泄漏、安全阀开启失效两种失效机理。

接收站主要工艺设备存在的损伤机理如表3所示。

表3 接收站主要工艺设备的损伤机理

3.3 失效后果分析

失效后果的定量计算则根据失效场景建立数学模型，分析失效后发生的灾害类型和影响范围，估算其造成的损失情况【10-11】。计算模型应考虑天然气介质的物理化学特性、泄漏速率、点燃概率、灾害种类等因素。失效后果分析流程如图3所示。

图3 失效后果分析流程

本接收站内设备设施因主要工作介质成分纯净，相对存在较少腐蚀影响因素，但因液化天然气介质的易燃易爆危险性及生产生活重要性，一旦发生失效泄漏，后果相对来说比较严重。典型的失效后果场景包括泄漏后的介质损失、介质扩散导致的人员窒息危险以及点火源存在时的火灾与爆炸次生灾害；主要后果分为人员健康伤害、经济损失、社会影响3个方面。

3.4 风险评估

基于风险的检验技术的关键是风险评估，即掌握设备风险分布。RBI技术将风险定义为失效概率与失效后果的乘积，通常用5×5风险矩阵来表示风险等级【12】,如图4所示。为直观显示全部评价设备的风险水平，将相同风险级别(即高风险、中高风险、中等风险和低风险)的设备单元分布在以失效后果为横轴、以失效可能性等级为纵轴的风险矩阵中。图中红色部位为高风险，绿色部位为中高风险，黄色部位为中风险，白色部位为低风险。