海上平臺承壓設(shè)備失效可能性分析

孫昊天 趙建平

（1.南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 南京 211816）

（2.江蘇省極端承壓裝備先進(jìn)設(shè)計與制造重點實驗室 南京 211816）

海洋中蘊藏著大量的油氣資源,世界各國都在不斷地發(fā)展海洋石油開采能力,海上石油平臺是開發(fā)海洋油氣資源的重要形式。相較于陸地環(huán)境,海上平臺所處的環(huán)境較為復(fù)雜,海洋大氣環(huán)境中含有大量的水蒸氣、二氧化碳以及氯化鹽、硫酸鹽等懸浮物[1-2],原油中含有的H2S和SO2分子會對海上平臺承壓設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕。且我國海上平臺油氣設(shè)備高度集中,一旦有設(shè)備發(fā)生失效,往往會造成嚴(yán)重的后果。

基于風(fēng)險的檢驗（RBI）技術(shù)最早發(fā)源于能源工業(yè),在20世紀(jì)70年代的中期,英國健康安全總署開始要求設(shè)備管理者對壓力容器采用風(fēng)險評估技術(shù)處理海上承壓設(shè)備的安全事故問題。[3-6]

張秀敏[7]等人通過對RBI定量風(fēng)險評估中的失效可能性,計算了腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、外部損傷、高溫氫腐蝕、脆性斷裂模塊的損傷次因子,得到設(shè)備總的損傷次因子來量化失效模式對同類失效頻率的影響。肖飛、石、李毅、聶炳林、劉洋洋、龐鑫[1,8-12]等人基于海上平臺所處的特殊地理環(huán)境,分析了海上平臺承壓設(shè)備所存在的主要腐蝕機理。Bai Yong[13]等人提出了一種對海底設(shè)備的基于風(fēng)險的檢驗計劃方法,描述了海底設(shè)備的失效模式。Maneesh和Skovhus Torben Lund[14-15]等人總結(jié)了微生物腐蝕的研究歷史及研究現(xiàn)狀,分析了微生物腐蝕對海上平臺承壓設(shè)備的影響。

以上文獻(xiàn)表明,目前已經(jīng)有很多學(xué)者對于海上平臺承壓設(shè)備腐蝕機理進(jìn)行分析,總結(jié)了海上平臺承壓設(shè)備典型腐蝕機理。設(shè)備腐蝕機理的識別是失效可能性計算的基礎(chǔ),但未有學(xué)者基于腐蝕機理識別進(jìn)行失效可能性的分析。

為了解決這個問題,本文基于VB語言,開發(fā)海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算分析軟件,可以實現(xiàn)對設(shè)備腐蝕機理的快速識別,并可以進(jìn)一步計算出被評價單元的失效可能性。本文結(jié)合某海上平臺一級分離器,運用所開發(fā)的軟件進(jìn)行了實例計算。

1 海上平臺承壓設(shè)備腐蝕機理識別模塊開發(fā)

海上平臺承壓設(shè)備失效機理識別模型分為速率模型和敏感性模型：

1）速率模型。速率模型發(fā)生在損傷導(dǎo)致承壓設(shè)備壁厚局部或均勻減薄的情況下,損傷的程度隨著時間的增大,壁厚會逐漸減薄,失效概率也隨著時間而增大。速率模型的計算參數(shù)包括腐蝕速率均值和標(biāo)準(zhǔn)差。碳鋼和低合金鋼的大氣腐蝕、CO2腐蝕等失效屬于速率模型。

2）敏感性模型。敏感性模型下的腐蝕機理,在一段不確定的潛伏期過后,在受到外部事件的觸發(fā)時會迅速發(fā)生損傷。在該模型下會給出一個固定的失效概率值,且不隨時間變化。微生物腐蝕、不銹鋼的大氣腐蝕等失效屬于敏感性模型。

1.1 速率模型

在海上平臺承壓設(shè)備典型腐蝕機理中,碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕、碳鋼和低合金鋼保溫層下腐蝕、碳鋼和低合金鋼CO2腐蝕、碳鋼和低合金鋼水腐蝕（除污水外）、銅鎳合金水腐蝕和泥沙沖蝕的識別過程屬于速率模型。以碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕為例[12],識別過程如圖1所示。碳鋼和低合金鋼設(shè)備在無保溫層的情況下會發(fā)生大氣腐蝕,有保溫層的情況下可能會發(fā)生保溫層下腐蝕。

圖1 碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕識別過程

1.2 敏感性模型

不銹鋼大氣腐蝕、不銹鋼保溫層下腐蝕、不銹鋼保溫層下應(yīng)力腐蝕開裂、不銹鋼水腐蝕、不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、碳鋼和低合金鋼水腐蝕（污水）、碳鋼和低合金鋼微生物腐蝕、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、硫化氫環(huán)境下氫致開裂/應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂的識別屬于敏感性模型。以不銹鋼大氣腐蝕為例[12],識別過程如圖2所示,不銹鋼大氣腐蝕機理的識別與設(shè)備的壁厚和涂層的狀態(tài)有關(guān)。首先判斷設(shè)備的保溫層狀況,若設(shè)備有保溫層,則可能發(fā)生不銹鋼保溫層下腐蝕；若設(shè)備無保溫層,則存在不銹鋼大氣腐蝕機理。

圖2 不銹鋼大氣腐蝕識別過程

1.3 腐蝕機理識別模塊開發(fā)

基于各腐蝕機理識別方法,結(jié)合VB語言,編制海上平臺承壓設(shè)備典型腐蝕機理識別模塊、垢下腐蝕趨勢分析模塊。該模塊功能界面按照材質(zhì)以及數(shù)據(jù)信息來自動識別腐蝕機理,判斷結(jié)垢趨勢。腐蝕機理識別模塊界面見圖3,垢下腐蝕趨勢分析模塊界面見圖4。

圖3 腐蝕機理識別模塊界面

圖4 結(jié)垢趨勢分析模塊界面

2 失效可能性計算方法及計算模塊開發(fā)

2.1 失效可能性計算方法

失效可能性計算以同類失效頻率（gff）為基礎(chǔ),通過設(shè)備系數(shù)（FE）和管理系數(shù)（FM）進(jìn)行修正,修正后的失效頻率即為失效可能性。在API 581標(biāo)準(zhǔn)[16]中給出了不同設(shè)備和不同管徑的同類失效頻率（gff）,設(shè)備系數(shù)（FE）包括損傷次因子、通用次因子、機械次因子和工藝次因子,其中通用次因子、機械次因子和工藝次因子可以從API 581標(biāo)準(zhǔn)[16]里對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中查得。管理系數(shù)（FM）用于評估企業(yè)的管理水平。損傷次因子為各腐蝕機理下?lián)p傷因子的總和。

本節(jié)提出海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算中,損傷因子DF的計算方法,詳細(xì)的計算過程在下文進(jìn)行介紹。

管理系數(shù)FM=1表示企業(yè)管理水平與23家世界知名石化企業(yè)的管理水平相當(dāng)；FM=0.1表示企業(yè)管理水平比23家世界知名石化企業(yè)低1個數(shù)量級；FM=10表示企業(yè)管理水平比23家世界知名石化企業(yè)高1個數(shù)量級[7]。

失效可能性計算見式（1）。

●2.1.1 速率模型下?lián)p傷因子計算方法

速率模型提供腐蝕速率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,當(dāng)腐蝕速率理論值過大時,采用經(jīng)驗值進(jìn)行計算。

以碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕為例,在識別出設(shè)備存在碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕機理后,其模型特征值見表1。若設(shè)備有涂層,則要根據(jù)式（2）計算涂層的退化速率,對無涂層下的模型特征值進(jìn)行修正。

表1 無涂層碳鋼和低合金鋼大氣腐蝕計算模型特征值

式（2）中涂層完好性百分比曲線如圖5所示。

圖5 涂層隨投用時間的完好性曲線

速率模型下的失效用極限狀態(tài)函數(shù)y(Zi)來定義,y(Zi)＞0為安全狀態(tài),y(Zi)＜0會發(fā)生失效。損傷因子DF的計算通過極限狀態(tài)函數(shù)y(Zi)描述的失效模式來確定,本文采用一次二階矩方法[7]來預(yù)測失效概率,計算表達(dá)式見式（3）～式（7）。

式中：

σs——應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差；

σr——強度標(biāo)準(zhǔn)差；

r——強度；

s——應(yīng)力；

μy——均值；

σy——標(biāo)準(zhǔn)差；

β——可靠性系數(shù)；

Pf——失效概率。

極限狀態(tài)函數(shù)的均值用式（8）來表示,標(biāo)準(zhǔn)差用式（9）來表示。

式中：

p——壓力；

δ0——壁厚；

D——直徑；

Δδ——壁厚損失；

σf——流變應(yīng)力；

σp——壓力的標(biāo)準(zhǔn)差；

σσf——流變應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差；

σΔδ——壁厚損失的標(biāo)準(zhǔn)差。

計算出可靠性系數(shù)β后,對應(yīng)的失效概率為Pf=φ(β),本文通過在VB中調(diào)用Excel中的NORM.S.DIST函數(shù)來計算Pf的數(shù)值[17]。

在速率模型下,考慮3種破壞狀態(tài)（見表2）。失效模式下總的失效概率見式（10）。

表2 3種破壞狀態(tài)

式（10） 中P(A/B1)、P(A/B2)、P(A/B3)為 3種破壞狀態(tài)下的失效概率,P(B1)、P(B2)、P(B3)是每種失效狀態(tài)存在的概率。每種失效狀態(tài)存在的概率由檢驗程序有效性的置信度給出,不同檢驗有效性下的置信度見表3[7]。

表3 檢驗有效性的置信度

確定每種失效模式下總的失效概率P后,該失效模式下的損傷因子DFi由式（11）來計算。

式中：

P——總的失效概率；

gff——同類失效頻率；

DFi——損傷因子。

●2.1.2 敏感性模型下?lián)p傷因子計算方法

敏感性模型會給出一個固定的失效概率值,在識別出設(shè)備存在的腐蝕機理為敏感性模型后,確定其失效概率,損傷因子按照式（11）計算。

以不銹鋼大氣腐蝕機理為例,在判斷出存在不銹鋼大氣腐蝕機理后,按照式（12）或式（13）計算失效概率,按照式（2）計算涂層退化速率。

又如不銹鋼保溫層下腐蝕,若設(shè)備識別出存在不銹鋼保溫層下腐蝕,根據(jù)不銹鋼的材料及操作溫度,在圖6中可對應(yīng)獲得單位壁厚失效概率[18],不銹鋼保溫層下腐蝕失效概率通過式（14）或式（15）計算,涂層退化速率通過式（2）計算。

圖6 不銹鋼保溫層下腐蝕單位壁厚失效概率[18]

2.2 失效可能性計算軟件開發(fā)

本文基于VB語言開發(fā)出海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算分析軟件,軟件界面見圖7。在計算得到各個失效模式下的損傷因子后,點擊“失效可能性”按鈕,軟件將自動計算出對應(yīng)評價單元的失效可能性。點擊“數(shù)據(jù)重置”按鈕可以清空界面內(nèi)所有數(shù)據(jù)。

圖7 海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算分析軟件界面

3 海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算實例

本節(jié)以某海上平臺原油系統(tǒng)中的一級分離器V-101為例進(jìn)行腐蝕機理識別及失效可能性的詳細(xì)計算說明。

該平臺油井產(chǎn)物流經(jīng)多路閥匯總后,與段塞流所承接的其他油田來液一同進(jìn)入一級分離器V-101進(jìn)行三相分離。由一級分離器分離出的水相進(jìn)入污水處理系統(tǒng),氣相經(jīng)流量計計量后進(jìn)入壓縮機前冷卻器的入口,分離出的油相通過生產(chǎn)加熱器加熱后,進(jìn)入二級分離器繼續(xù)進(jìn)行三相分離。生產(chǎn)流程如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)流程示意圖

3.1 設(shè)備參數(shù)

一級分離器的主要操作及設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 一級分離器參數(shù)

3.2 評估單元劃分

根據(jù)容器內(nèi)介質(zhì)和腐蝕情況的分布,將設(shè)備劃分為13個評估單元,設(shè)備主體的評估單元劃分情況見表5,劃分示意圖如圖9所示。

圖9 設(shè)備分段示意圖

表5 設(shè)備評估單元劃分表

3.3 可隔離區(qū)劃分

通常將2個快速截斷閥之間的設(shè)備劃分為一個可隔離區(qū)域,本節(jié)將所選的一級分離器及相鄰管線劃分為一個可隔離區(qū)域。

3.4 腐蝕回路劃分

根據(jù)腐蝕回路的劃分原則,將腐蝕機理相同且彼此相連的設(shè)備劃分為一個腐蝕回路。詳細(xì)的腐蝕回路劃分見表6。

表6 設(shè)備腐蝕回路劃分詳情

3.5 腐蝕機理識別

將腐蝕機理識別所需的數(shù)據(jù)輸入腐蝕機理識別界面中,可以得到腐蝕機理識別結(jié)果。腐蝕回路C01腐蝕機理識別結(jié)果見圖10,腐蝕回路C01結(jié)垢趨勢分析結(jié)果見圖11,各個腐蝕回路腐蝕機理識別情況見表7。

圖10 腐蝕回路C01腐蝕機理識別結(jié)果

圖11 腐蝕回路C01結(jié)垢趨勢分析結(jié)果

表7 各腐蝕回路腐蝕機理識別情況

3.6 失效可能性計算

本節(jié)以腐蝕回路C01中的旋風(fēng)分離器封頭為例進(jìn)行失效可能性示例計算。經(jīng)過軟件識別,腐蝕回路C01中包含保溫層下腐蝕、微生物腐蝕、CO2腐蝕和水腐蝕4種腐蝕機理。設(shè)備類型選擇“壓力容器”,點擊“同類失效頻率”按鈕可以得到同類失效頻率gff為0.000 156。

在識別出被評價單元所在腐蝕回路的失效機理后,點擊主界面上對應(yīng)的失效模式按鈕,輸入所需數(shù)據(jù)進(jìn)行失效機理下?lián)p傷因子的計算。本節(jié)以腐蝕回路C01中旋風(fēng)分離器封頭的損傷次因子計算為例,損傷次因子計算情況見圖12,失效可能性計算情況見圖13。所有評價單元的損傷因子和失效可能性計算結(jié)果見表8。

圖12 損傷次因子總和計算模塊示意圖

圖13 失效可能性計算軟件主界面示意圖

表8 各評價單元計算結(jié)果

表8（續(xù)）

4 結(jié)束語

海上平臺承壓設(shè)備工作環(huán)境惡劣,腐蝕環(huán)境復(fù)雜。本文在分析設(shè)備典型腐蝕機理識別過程的基礎(chǔ)上,結(jié)合VB語言,開發(fā)海上平臺承壓設(shè)備失效可能性計算分析軟件,軟件中的腐蝕機理分析識別模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對于承壓設(shè)備腐蝕機理的快速識別。

本文結(jié)合基于風(fēng)險的檢驗中定量風(fēng)險分析中失效可能性的計算方法,提出速率模型和敏感性模型下?lián)p傷次因子的計算方法,結(jié)合VB語言,開發(fā)軟件中失效可能性計算模塊,可以在識別腐蝕機理的基礎(chǔ)上,計算被評價單元在多種腐蝕機理下的失效可能性。并結(jié)合某海上平臺一級分離器,得到該承壓設(shè)備各評價單元的損傷次因子和失效可能性的計算結(jié)果。