海上平台承压设备失效可能性分析

孙昊天 赵建平

（1.南京工业大学 机械与动力工程学院 南京 211816）

（2.江苏省极端承压装备先进设计与制造重点实验室 南京 211816）

海洋中蕴藏着大量的油气资源,世界各国都在不断地发展海洋石油开采能力,海上石油平台是开发海洋油气资源的重要形式。相较于陆地环境,海上平台所处的环境较为复杂,海洋大气环境中含有大量的水蒸气、二氧化碳以及氯化盐、硫酸盐等悬浮物[1-2],原油中含有的H2S和SO2分子会对海上平台承压设备造成严重的腐蚀。且我国海上平台油气设备高度集中,一旦有设备发生失效,往往会造成严重的后果。

基于风险的检验（RBI）技术最早发源于能源工业,在20世纪70年代的中期,英国健康安全总署开始要求设备管理者对压力容器采用风险评估技术处理海上承压设备的安全事故问题。[3-6]

张秀敏[7]等人通过对RBI定量风险评估中的失效可能性,计算了腐蚀减薄、应力腐蚀开裂、外部损伤、高温氢腐蚀、脆性断裂模块的损伤次因子,得到设备总的损伤次因子来量化失效模式对同类失效频率的影响。肖飞、石、李毅、聂炳林、刘洋洋、庞鑫[1,8-12]等人基于海上平台所处的特殊地理环境,分析了海上平台承压设备所存在的主要腐蚀机理。Bai Yong[13]等人提出了一种对海底设备的基于风险的检验计划方法,描述了海底设备的失效模式。Maneesh和Skovhus Torben Lund[14-15]等人总结了微生物腐蚀的研究历史及研究现状,分析了微生物腐蚀对海上平台承压设备的影响。

以上文献表明,目前已经有很多学者对于海上平台承压设备腐蚀机理进行分析,总结了海上平台承压设备典型腐蚀机理。设备腐蚀机理的识别是失效可能性计算的基础,但未有学者基于腐蚀机理识别进行失效可能性的分析。

为了解决这个问题,本文基于VB语言,开发海上平台承压设备失效可能性计算分析软件,可以实现对设备腐蚀机理的快速识别,并可以进一步计算出被评价单元的失效可能性。本文结合某海上平台一级分离器,运用所开发的软件进行了实例计算。

1 海上平台承压设备腐蚀机理识别模块开发

海上平台承压设备失效机理识别模型分为速率模型和敏感性模型：

1）速率模型。速率模型发生在损伤导致承压设备壁厚局部或均匀减薄的情况下,损伤的程度随着时间的增大,壁厚会逐渐减薄,失效概率也随着时间而增大。速率模型的计算参数包括腐蚀速率均值和标准差。碳钢和低合金钢的大气腐蚀、CO2腐蚀等失效属于速率模型。

2）敏感性模型。敏感性模型下的腐蚀机理,在一段不确定的潜伏期过后,在受到外部事件的触发时会迅速发生损伤。在该模型下会给出一个固定的失效概率值,且不随时间变化。微生物腐蚀、不锈钢的大气腐蚀等失效属于敏感性模型。

1.1 速率模型

在海上平台承压设备典型腐蚀机理中,碳钢和低合金钢大气腐蚀、碳钢和低合金钢保温层下腐蚀、碳钢和低合金钢CO2腐蚀、碳钢和低合金钢水腐蚀（除污水外）、铜镍合金水腐蚀和泥沙冲蚀的识别过程属于速率模型。以碳钢和低合金钢大气腐蚀为例[12],识别过程如图1所示。碳钢和低合金钢设备在无保温层的情况下会发生大气腐蚀,有保温层的情况下可能会发生保温层下腐蚀。

图1 碳钢和低合金钢大气腐蚀识别过程

1.2 敏感性模型

不锈钢大气腐蚀、不锈钢保温层下腐蚀、不锈钢保温层下应力腐蚀开裂、不锈钢水腐蚀、不锈钢氯化物应力腐蚀开裂、碳钢和低合金钢水腐蚀（污水）、碳钢和低合金钢微生物腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、硫化氢环境下氢致开裂/应力导向氢致开裂的识别属于敏感性模型。以不锈钢大气腐蚀为例[12],识别过程如图2所示,不锈钢大气腐蚀机理的识别与设备的壁厚和涂层的状态有关。首先判断设备的保温层状况,若设备有保温层,则可能发生不锈钢保温层下腐蚀；若设备无保温层,则存在不锈钢大气腐蚀机理。

图2 不锈钢大气腐蚀识别过程

1.3 腐蚀机理识别模块开发

基于各腐蚀机理识别方法,结合VB语言,编制海上平台承压设备典型腐蚀机理识别模块、垢下腐蚀趋势分析模块。该模块功能界面按照材质以及数据信息来自动识别腐蚀机理,判断结垢趋势。腐蚀机理识别模块界面见图3,垢下腐蚀趋势分析模块界面见图4。

图3 腐蚀机理识别模块界面

图4 结垢趋势分析模块界面

2 失效可能性计算方法及计算模块开发

2.1 失效可能性计算方法

失效可能性计算以同类失效频率（gff）为基础,通过设备系数（FE）和管理系数（FM）进行修正,修正后的失效频率即为失效可能性。在API 581标准[16]中给出了不同设备和不同管径的同类失效频率（gff）,设备系数（FE）包括损伤次因子、通用次因子、机械次因子和工艺次因子,其中通用次因子、机械次因子和工艺次因子可以从API 581标准[16]里对应的数据表中查得。管理系数（FM）用于评估企业的管理水平。损伤次因子为各腐蚀机理下损伤因子的总和。

本节提出海上平台承压设备失效可能性计算中,损伤因子DF的计算方法,详细的计算过程在下文进行介绍。

管理系数FM=1表示企业管理水平与23家世界知名石化企业的管理水平相当；FM=0.1表示企业管理水平比23家世界知名石化企业低1个数量级；FM=10表示企业管理水平比23家世界知名石化企业高1个数量级[7]。

失效可能性计算见式（1）。

●2.1.1 速率模型下损伤因子计算方法

速率模型提供腐蚀速率的均值和标准差,当腐蚀速率理论值过大时,采用经验值进行计算。

以碳钢和低合金钢大气腐蚀为例,在识别出设备存在碳钢和低合金钢大气腐蚀机理后,其模型特征值见表1。若设备有涂层,则要根据式（2）计算涂层的退化速率,对无涂层下的模型特征值进行修正。

表1 无涂层碳钢和低合金钢大气腐蚀计算模型特征值

式（2）中涂层完好性百分比曲线如图5所示。

图5 涂层随投用时间的完好性曲线

速率模型下的失效用极限状态函数y(Zi)来定义,y(Zi)＞0为安全状态,y(Zi)＜0会发生失效。损伤因子DF的计算通过极限状态函数y(Zi)描述的失效模式来确定,本文采用一次二阶矩方法[7]来预测失效概率,计算表达式见式（3）～式（7）。

式中：

σs——应力标准差；

σr——强度标准差；

r——强度；

s——应力；

μy——均值；

σy——标准差；

β——可靠性系数；

Pf——失效概率。

极限状态函数的均值用式（8）来表示,标准差用式（9）来表示。

式中：

p——压力；

δ0——壁厚；

D——直径；

Δδ——壁厚损失；

σf——流变应力；

σp——压力的标准差；

σσf——流变应力的标准差；

σΔδ——壁厚损失的标准差。

计算出可靠性系数β后,对应的失效概率为Pf=φ(β),本文通过在VB中调用Excel中的NORM.S.DIST函数来计算Pf的数值[17]。

在速率模型下,考虑3种破坏状态（见表2）。失效模式下总的失效概率见式（10）。

表2 3种破坏状态

式（10） 中P(A/B1)、P(A/B2)、P(A/B3)为 3种破坏状态下的失效概率,P(B1)、P(B2)、P(B3)是每种失效状态存在的概率。每种失效状态存在的概率由检验程序有效性的置信度给出,不同检验有效性下的置信度见表3[7]。

表3 检验有效性的置信度

确定每种失效模式下总的失效概率P后,该失效模式下的损伤因子DFi由式（11）来计算。

式中：

P——总的失效概率；

gff——同类失效频率；

DFi——损伤因子。

●2.1.2 敏感性模型下损伤因子计算方法

敏感性模型会给出一个固定的失效概率值,在识别出设备存在的腐蚀机理为敏感性模型后,确定其失效概率,损伤因子按照式（11）计算。

以不锈钢大气腐蚀机理为例,在判断出存在不锈钢大气腐蚀机理后,按照式（12）或式（13）计算失效概率,按照式（2）计算涂层退化速率。

又如不锈钢保温层下腐蚀,若设备识别出存在不锈钢保温层下腐蚀,根据不锈钢的材料及操作温度,在图6中可对应获得单位壁厚失效概率[18],不锈钢保温层下腐蚀失效概率通过式（14）或式（15）计算,涂层退化速率通过式（2）计算。

图6 不锈钢保温层下腐蚀单位壁厚失效概率[18]

2.2 失效可能性计算软件开发

本文基于VB语言开发出海上平台承压设备失效可能性计算分析软件,软件界面见图7。在计算得到各个失效模式下的损伤因子后,点击“失效可能性”按钮,软件将自动计算出对应评价单元的失效可能性。点击“数据重置”按钮可以清空界面内所有数据。

图7 海上平台承压设备失效可能性计算分析软件界面

3 海上平台承压设备失效可能性计算实例

本节以某海上平台原油系统中的一级分离器V-101为例进行腐蚀机理识别及失效可能性的详细计算说明。

该平台油井产物流经多路阀汇总后,与段塞流所承接的其他油田来液一同进入一级分离器V-101进行三相分离。由一级分离器分离出的水相进入污水处理系统,气相经流量计计量后进入压缩机前冷却器的入口,分离出的油相通过生产加热器加热后,进入二级分离器继续进行三相分离。生产流程如图8所示。

图8 生产流程示意图

3.1 设备参数

一级分离器的主要操作及设计参数见表4。

表4 一级分离器参数

3.2 评估单元划分

根据容器内介质和腐蚀情况的分布,将设备划分为13个评估单元,设备主体的评估单元划分情况见表5,划分示意图如图9所示。

图9 设备分段示意图

表5 设备评估单元划分表

3.3 可隔离区划分

通常将2个快速截断阀之间的设备划分为一个可隔离区域,本节将所选的一级分离器及相邻管线划分为一个可隔离区域。

3.4 腐蚀回路划分

根据腐蚀回路的划分原则,将腐蚀机理相同且彼此相连的设备划分为一个腐蚀回路。详细的腐蚀回路划分见表6。

表6 设备腐蚀回路划分详情

3.5 腐蚀机理识别

将腐蚀机理识别所需的数据输入腐蚀机理识别界面中,可以得到腐蚀机理识别结果。腐蚀回路C01腐蚀机理识别结果见图10,腐蚀回路C01结垢趋势分析结果见图11,各个腐蚀回路腐蚀机理识别情况见表7。

图10 腐蚀回路C01腐蚀机理识别结果

图11 腐蚀回路C01结垢趋势分析结果

表7 各腐蚀回路腐蚀机理识别情况

3.6 失效可能性计算

本节以腐蚀回路C01中的旋风分离器封头为例进行失效可能性示例计算。经过软件识别,腐蚀回路C01中包含保温层下腐蚀、微生物腐蚀、CO2腐蚀和水腐蚀4种腐蚀机理。设备类型选择“压力容器”,点击“同类失效频率”按钮可以得到同类失效频率gff为0.000 156。

在识别出被评价单元所在腐蚀回路的失效机理后,点击主界面上对应的失效模式按钮,输入所需数据进行失效机理下损伤因子的计算。本节以腐蚀回路C01中旋风分离器封头的损伤次因子计算为例,损伤次因子计算情况见图12,失效可能性计算情况见图13。所有评价单元的损伤因子和失效可能性计算结果见表8。

图12 损伤次因子总和计算模块示意图

图13 失效可能性计算软件主界面示意图

表8 各评价单元计算结果

表8（续）

4 结束语

海上平台承压设备工作环境恶劣,腐蚀环境复杂。本文在分析设备典型腐蚀机理识别过程的基础上,结合VB语言,开发海上平台承压设备失效可能性计算分析软件,软件中的腐蚀机理分析识别模块能够实现对于承压设备腐蚀机理的快速识别。

本文结合基于风险的检验中定量风险分析中失效可能性的计算方法,提出速率模型和敏感性模型下损伤次因子的计算方法,结合VB语言,开发软件中失效可能性计算模块,可以在识别腐蚀机理的基础上,计算被评价单元在多种腐蚀机理下的失效可能性。并结合某海上平台一级分离器,得到该承压设备各评价单元的损伤次因子和失效可能性的计算结果。