海上平台压力容器基于风险的检验方法_王健.pdf

设备管理与维修2023 2（上）表 1脱水机性能参数设计参数数值设计参数数值日处理量/m35螺杆转速/（r/min）6.5轴向力/kN4160螺旋叶片厚度/mm10电机功率/kW4螺旋轴直径/mm110属结构的设计进行优化，以提高强度，提高设备可靠性、降低成本并延长使用寿命，最终完成菜场有机垃圾螺旋脱水机螺旋体的结构优化。通过试验及模拟分析得出：（1）在 ANSYS Workbench 中对金属结构的有限元模型进行有限元分析4，可以帮助设计人员检测设计的合理性，并合理避免应力集中和局部过载情况的发生，提高设备可靠性。（2）分析螺旋体的几何结构参数对其静力学强度的影响，并在此基础上调整结构参数，对该脱水机螺旋体进行结构优化，模拟结果表明，改进后的螺旋体的静力学强度得到较大的提高5。基金项目：枣庄市科技发展计划项目（2020GX14），山东省职业教育韩玉勇名师工作室资助。参考文献1张翔宇.液压挖掘机卸车工具的设计 D.济南：山东大学，2007.2王连栋.变径变螺距榨螺的参数化建模与结构分析 D.杨凌：西北农林科技大学，2010.3宋亚英.变螺距螺旋结构参数的理论研究 J.苏州大学学报（自然科学版），1996（4）：96-100.4张安宁，钱壮壮，茆亮亮，张忠瑞，卢小雨.MG400/920WD 型采煤机导向滑靴的有限元分析 J.煤矿机械，2017（12）：50-52.5吴蔚，王军，施璐，刘强，杨科，廖猜猜.基于 FOCUS 的大型风力机叶片结构分析与铺层改进 J.水电能源科学，2011（10）：135-137.编辑吴建卿0引言随着我国陆上油田逐步进入开发衰退期，油田增量不足，目前陆上发现新油气田的概率非常小，近十年来发现的大型油气田 60%位于海洋。我国虽然石油资源丰富，但目前开发远低于世界水平，在目前天然气紧缺与能源安全战略下，加强海洋油气资源开发将成为重中之重1。近些年来我国海洋油气资源开发步伐加快，海上平台数量急剧增长，压力容器作为海上平台重要的油气储运设备设施之一，其服役环境含盐量高、湿度大，保证其安全稳定运行显得尤为重要。海上压力容器检验检测一直是特种设备安全监管的重要内容，对其检验方法可靠性要求更高。1海上压力容器损伤模式海上平台压力容器与陆上压力容器制造工艺相同，但所处海洋环境相对陆上更为恶劣，空气湿度大、含盐量高，同时海上压力容器的服役温度高、运行压力大、介质腐蚀性强，这些增加了海上平台压力容器发生故障和失效的风险2。由于海上压力容器服役环境的复杂性，损伤模式多种多样，通过对渤海某海上油气生产设施的调研发现，以下为 4 种较为常见的压力容器损伤模式。1.1均匀腐蚀均匀腐蚀也称为全面腐蚀，是最常见压力容器腐蚀损伤模式之一，压力容器在腐蚀环境中其表面或内部由于化学或电化学反应导致的均匀减薄，通常表现为在其暴露的表面或大部分面积上均匀地覆盖着腐蚀产物膜（图 1）。1.2电偶腐蚀电偶腐蚀又称接触腐蚀，是指当一种不太活泼的金属（阴极）和一种比较活泼的金属（阳极）在电解质溶液中接触时，因构成腐蚀原电池而引发电流，从而造成（主要是阳极金属）电偶腐海上平台压力容器基于风险的检验方法王健，陈涛，张少洋（中海油安全技术服务有限公司，天津300456）摘要：我国海洋石油勘探开发事业的迅速发展，海上生产设施、作业设施不断增多，海洋石油专业设备数量也不断增加。压力容器作为海上平台至关重要的设备，其检验方法的可靠性、经济性尤为重要。介绍基于风险的检验方法的优越性，并探讨其实施过程中存在的问题。关键词：基于风险的检验；海上平台；压力容器中图分类号：TE973文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.11图 1海上生产分离器外部的均匀腐蚀32设备管理与维修2023 2（上）蚀。电偶腐蚀也称双金属腐蚀或金属接触腐蚀。由于压力容器本体与管线材料不同，在管线与压力容器连接处往往会出现压力容器或管线的腐蚀。1.3应力腐蚀应力腐蚀是金属结构在内部残存应力和外部拉伸应力的持续作用下产生的严重腐蚀现象。海上压力容器往往由低合金钢焊接而成，在焊接接头处由于焊接应力的存在，在海洋环境中极易发生应力腐蚀（图 2）。1.4保温层下腐蚀保 温 层 下 腐 蚀（CorrosionUnder Insulation，CUI）是指发生在包裹保温材料的管道或设备外表面上的一种腐蚀现象。一般是由于冷凝水分或雨水进入到保温系统而导致管道或设备外表面的局部腐蚀。当保温系统下面存在湿气时，由碳锰、低合金和奥氏体不锈钢等材料制成的管道极易发生电化、点蚀、应力开裂和缝隙腐蚀。由于腐蚀表面被保温层覆盖，所以保温层下腐蚀一般很难被检测到。由于海上压力容器多数为露天放置，长时间受到海上含盐湿气及雨水的侵蚀，其保温层下腐蚀往往比陆地要严重很多（图 3）。2海上平台压力容器传统检验方法海上压力容器的传统检验方法以临时性检验和计划性检验为主3-4。临时检验指在压力容器发生事故或其他原因对容器原有技术条件造成损害以及产生影响安全的回复和修理时，使用者或所有者认为有必要进行检验时进行的检验。计划性检验是指参照相关法规和标准制定的定期检验，目前海上压力容器均遵循 压力容器定期检验规则 海上压力容器检验指南 的规定，根据定级情况确定检验周期，具体包括年度检验、全面检验等，年度检检验内容包括管理状况检查、压力容器本体及运行状况检查，检查方法以外观检查为主；全面检查包括资料审查、外观检查、容器声发射检测、壁厚检测、内腐蚀检测、外表缺陷检测、埋藏缺陷检测、材质检查、安全附件检查等内容5-8。传统检验时往往由于不清楚压力容器的失效模式和失效机理，对需要重点检验的部位不清楚，检验时对压力容器的重要程度考虑较少，检测周期确定缺乏合理的依据，其不足主要体现在以下 3 个方面。（1）检验不足。根据 海上压力容器检验指南 要求，年度检验以宏观检验为主，对于微观缺陷如裂纹很难通过宏观检查发现。而全面检验并非每年都开展，且由于检验重点不突出，存在漏检风险，给海上压力容器管理带来风险。（2）过度检验。传统方法在对压力容器进行检验时，对所有的设备都采用相同的检验方法进行检测，盲目追求全面，对设备风险不加区分，造成检测资源的浪费。（3）缺乏分析。传统检测方法固定，未充分考虑到压力容器服役年限导致的失效模式的改变9。3基于风险的检验方法基于风险的检验技术最早由欧美发达国家提出，当时主要应用在核工业；20 世纪 80 年代，挪威船级社 DNV 颁布使用RBI（Risk Based Inspection，基于风险的检验）方法对压力容进行定量风险评估；20 世纪 90 年代，ASME 发布了相关 RBI 的指导规范；2000 年美国石油工程师协会 API 正式公布 RBI 标准API 581。我国 RBI 的研究工作起源于 20 世纪 90 年代末，并逐渐在国内进行推广和应用10-12。基于风险的检验（RBI）技术是以追求压力容器安全性与经济性统一为理念，在对压力容器固有的或潜在的危险进行科学分析的基础上，给出风险排序，找出薄弱环节，以确保特种设备本质安全和减少运行费用为目标，建立一种优化检验方案的方法。3.1RBI 检验策略RBI 是一种以风险为基础，同时将风险和管理相结合的复杂技术，其检验策略依据 RBI 定量分析结果中风险等级和失效机理来制定的。因此，在 RBI 中风险也被定义为失效概率和失效后果的乘积，其表达式为：风险=失效概率失效后果。它在分析风险时，综合了国际上同类设备的失效可能性，同时又考虑具体设备的特殊性与设备管理水平，具有更好的科学性和严谨性。在制定检维修策略时，能够根据识别出的可能失效模式选择针对性的检测方法，这种方法给设备在检测过程中提供了很大的灵活性，能够对高失效后果及高风险的设备选择更为全面的检测方法，同时明确检测内容。RBI 通过风险分析，明确了占绝 80%风险的 20%的设备，能够有针对性地将有限的资源集中到 20%的设备上，减少了不必要的检验，达到优化检验、减少开支的目的。3.2海上压力容器 RBI 实施过程（图 4）（1）收集设备的基本资料，资料包括设备的初始资料、操作手册、规格书以及工艺流程图等。（2）根据收集的设备资料以及过往的检验记录和失效记录，对设备的风险高低做一个定性的分析。在分析过程中，特别应注意一些重要的损伤机理，如内部腐蚀、外部腐蚀、疲劳开裂等，或其他设备失效时对人员、生产成本和周围环境造成的伤害，依据这些内容对设备的风险进行粗略排序。（3）利用 RBI 软件对设备进行详细分析，得出每一个失效机理的可能性和失效后果。图 3海上换热器的保温层下腐蚀图 2海上生产分离器封头焊缝处的腐蚀33设备管理与维修2023 2（上）（4）根据分析结果，列出各设备的详细失效可能性等级、后果等级以及风险等级，并根据分析结果确定检验周期和检验策略。4RBI 在应用中存在的问题RBI 技术有助于设备管理者了解设备腐蚀机理及设备风险分布，对提高设备风险管理水平提供了很大帮助，但由于国情、行业的差异，其在我国具体应用过程中还存在不少问题。4.1设备基础数据缺失在 RBI 实施过程中，需要对压力容器的基本设计参数、运行参数及检维修情况等资料进行收集和分析，但由于目前很多容器建造年代较早，我国在很长一段历史时期内设备管理水平较低，相关建造改造资料缺失，检维修资料不全，特别时对于海上的一些老龄平台、FPSO（浮失液化天然气生产储卸装置）等13，在开展 RBI 分析时对设备资料的收集存在较大难度，在分析过程中往往需要建立大量的假设，严重影响了分析的准确性和客观性。4.2压力容器本身差异对分析结果产生影响在 RBI 分析中往往假定材料、设计和制造都符合要求，但在由于各国之间金属材料冶炼和容器制造过程的差异性，国内很多设备在制造时就带有缺陷和不足，在进行 RBI 分析时对于先天缺陷的分析不足14-15。例如：我国早期建造的一些平台多为合资平台，压力容器多采用进口钢材生产建造，很多压力容器虽然服役周期较长，但在检测时发现设备本体的腐蚀情况比我国近些年自主建造的平台上的压力容器的腐蚀状况要好。4.3RBI 数据库差异目前，我国尚未针对某类设备建立完整系统的设备设施失效模式数据库、损伤或劣化程度数据库。在分析时往往直接应用国外数据库或根据专家经验进行分析，不能保证分析评估结果的客观准确，也影响到 RBI 的实际应用效果，导致损伤机理分析不够全面。4.4设备管理水平的影响不同企业由于设备管理理念及设备管理人员技术水平存的差异，导致在设备日常管理上存在优劣，导致同类设备在不同平台上的失效可能性上产生差异，按照以往经验进行分析，难以对设备风险进行准确区分。4.5RBI 分析本身的局限性RBI 在计算失效概率时基于承压设备的退化机理，RBI 所能分析的腐蚀机理与时间存在明显的相关性，在分析这类腐蚀时准确性较高，但对于部分失效类型如应力腐蚀、氢脆等，由于时间相关性较差，在对存在这类腐蚀机理的压力容器进行分析时 RBI 表现出一定的局限性。同时对于海上平台常见的异种金属接触产生的电偶腐蚀、缝隙腐蚀，焊缝接头等部位产生的局部腐蚀等，无法进行准确分析。目前多数 RBI 项目的最终结果多以报告形式呈现，给出的检验策略不能满足现场实际需求。在实践中指导检验和进行风险管理时，仍存在一定的局限性，同时设备管理者由于自身技术能力不足、现场检测条件无法满足等原因，无法有效应用 RBI 分析成果，特别是对于一些存在内表面腐蚀的容器，现场由于无法停产或满足开罐检验条件，对 RBI 分析的正确性无法进行验证。5结论RBI 经过长达 30 多年的研究与应用，已经具备相对完整的技术体系，是一种科学的设备风险分析方法，将RBI 技术引入我国海上油气平台设备的安全评估领域，提高了我国海上设备设施的管理水平。由于各国国情不同，还需要对 RBI 技术进行消化和吸收，形成符合我国国情的 RBI 技术体系和应用模式。参考文献1史丹，刘佳骏.我国海洋能源开发现状与政策建议 J.中国能源，2013，35（9）：6-11.2庄力健，陈