基于風險的檢驗技術(RBI)在某化工廠乙烯管道風險評估中的應用

韓 濤

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300456)

1 項目背景

本管道建于1996年，全長32km，管道運輸的介質為氣態乙烯，年最大運輸能力為2.5萬t。管道管徑為6inch，材質為20﹟無縫鋼管，設計壁厚8mm，設計壓力3MPa。操作壓力首站1.75MPa，末站1.55MPa。在近期開展的管道隱患整治活動中，發現該管道的管理存在很大的問題。計劃采用基于風險的檢測技術(RBI)，對乙烯管道進行風險分析，得到管道的量化風險，并根據風險提出合理的建議措施和日常維保策略，為乙烯管道的安全平穩、長周期的運行提供技術保障。

2 乙烯管道的RBI風險計算

2.1 管道分段

為了便于分析管道風險，基于管道中設有6個閥門，將該管道系統劃分為7段，見表1。

表1 管道分段情況

2.2 失效可能性分析

管線的失效概率是指單位長度(km)、單位時間(a)內發生泄漏事故的次數，實質上就是管線泄漏事故率。RBI失效概率的計算通過設備修正因子和管理系統評價因子兩個因素來對設備平均失效概率進行修正。其計算公式如下：

Frequencyadjusted=Frequencygeneric×FE×FM

式中：Frequencygeneric—通用失效概率

FE—設備修正因子(FE=T+U+M+P+D)

FM—管理系統修正因子(FM=0.1～10.0)

1)RBI中各種設備及管道的通用失效概率有一個推薦值，經查詢，該管道的公稱直徑為6inch，1/4 inch小孔泄漏的通用失效概率為4×10-7，1 inch小孔泄漏的通用失效概率為4×10-7，斷裂的通用失效概率7×10-8，故，管道通用失效概率為8.7×10-7。

2)設備修正因子FE是根據設備運行的特定環境，為每一設備制定的設備修正系數。結合輸氣管道系統的失效特點對設備修正因子FE進行了修正，增加了輸氣管道的第三方破壞子因子D。設備修正系數由下面五個子系數組成：技術因子T，通用子因子U，機械因子M，工藝子因子P，第三方破壞子因子D。

a、技術因子T主要涉及到腐蝕減薄T1、應力腐蝕開裂(SSC、HIC/SOHIC-H2S)T2與外部腐蝕T3三種失效模式。T值為各種失效模式下損傷系數的總和：T=T1+T2+T3。

技術子因子T的計算結果見表2所示。

表2 技術子因子T的計算結果

b、通用因子U：通用子因子對工業設施中的所有設備的影響是相同的。通用子因子包括下列三個因素：工廠條件、低溫環境下的操作、地震活動。經調查計算，通用子因子U的取值結果見表3所示。

表3 通用子因子U的取值結果

c、機械子因子M：機械子因子取決于設備設計與制造的最初狀況。由以下4個要素組成：復雜度、建造規范、設備壽命周期、安全系數。

經調查計算，機械子因子M的取值結果見表4所示。

表4 機械子因子M的取值結果

d、工藝子因子P：工藝子因子包括對設備影響嚴重的工藝條件，以及設備自身的工藝條件。該因子包括兩個因素：計劃停車和非計劃停車。

經調查計算，工藝子因子P的取值結果見表5所示。

表5 工藝子因子P的取值結果

e、第三方破壞子因子D，主要是指由于非管道員工的行為而造成的所有的管道意外損害。文中考慮影響第三方風險的因素有以下6方面：管線最小埋深、活動程度、管線地面設施、公共教育、管線用地標志、巡線頻率。

表6 第三方破壞子因子D取值結果

經調研得知，該管線的巡線方式為每日巡線，該數值取0。第三方破壞子因子D取值結果見表6所示。

通過a～e的分析計算，可以得到設備修正因子F_E的結果，見表7所示。

表7 設備修正因子FE的計算結果

3)管理系統修正因子FM。

風險評估程序根據與通用工藝安全管理系統的比較而得出管理系統修正系數來對通用失效概率進行調整。因為整個廠區都遵守同樣的管理規則，所以管理系統修正系數不會改變設備項之間的基于風險值的順序排列。

調研發現，該工廠的管理水平屬于平均水平，FM=1。

根據通用失效概率、設備修正因子、管理系統修正因子的結果，各段管道失效可能性的計算結果如表8所示。

表8 各段管道失效可能性的計算結果

表8(續)

2.3 失效后果分析

對于乙烯管道，其代表性流體是RBI基本資源文件中模擬的物質C1-C2。對于6 inch的管道，泄漏孔尺寸有：l/4 inch、l inch和破裂。泄漏率取決于物質的物理性質、初始相以及工藝條件。對于輸氣系統，它的初始相為氣體。計算氣體泄漏率分為兩步，首先根據轉換壓力Ptrans確定流動狀態，然后使用對應流動狀態方程計算泄漏率。乙烯的轉換壓力Ptrans=0.183MPa。乙烯管道內氣體壓力大于轉變壓力時，氣體流動屬于音速流動。計算得乙烯氣體的泄漏率及泄漏類型，見表9所示。

調研發現，該管道沒有安裝專門的探測系統，探測分類屬于C：肉眼檢查、覆蓋整個需要監視的區域的照相機。隔離系統靠手動閥，屬于C類：靠手動操作閥啟動的隔離系統。通過核算，管道內的乙烯總質量為3561kg，在瞬時泄漏情況下，這些氣體能在3min內釋放到大氣內。考慮管道內剩余壓力，泄漏量為2547kg。根據計算，每段管道的加權失效后果為1413.5 m2。

綜上所述，乙烯管道的風險計算結果如表10所示。

表10 乙烯管道的風險計算結果

3 乙烯管道風險評估

3.1 風險分布

圖1 API 581規定的風險矩陣

圖1為API 581規定的風險矩陣，其中橫坐標為失效后果等級，從低到高依次為A、B、C、D、E；縱坐標為失效概率等級，從低到高依次為1、2、3、4、5。四個不同的顏色將風險劃分為四個不同等級，從低到高依次為低風險、中風險、中高風險、高風險。

根據第二節的計算結果，該管道整體居于中高風險。這是由于管道閥門為手動閥，無自動關閉功能，當發生瞬時泄漏時，短時間內，整個管道內的氣體會泄漏出來，從而導致失效后果等級高。7段管道中，3段管道的失效概率較高。這是由于這3段管道的地面活動較為頻繁，第三方破壞的可能性較大。日常巡檢中應特別注意這3段管道的地方活動情況。

3.2 剩余壽命

式中，y為剩余壽命，yr；

tr為實測壁厚，mm；

CR為計算腐蝕速率，mm/yr。

該管道的內外部腐蝕總速率為0.06 mm/y。

經計算，各段管道的剩余壽命計算結果如表11所示。

表11 各段管道的剩余壽命計算結果

從表11可以看出，該管道腐蝕較慢，還有非常長的剩余壽命。但還要注意到，這是沒有考慮防腐層破損的計算結果。當防腐層破損之后，外部腐蝕速率可以達到0.16 mm/y。防腐層的壽命與地面活動有很大關系，地面活動劇烈，防腐層受損的可能性就大一些。維修記錄顯示，6#管道曾由于管道接口位置發生破損從而造成砂眼泄漏，從而可以說明接口存在傾向，這是后期檢測的一個重點。

3.3 檢修策略

1)建議進行定期檢驗。管道的檢測以超聲波測厚為主，針對可能出現的砂眼，可以采用超聲波C掃描技術進行局部全面檢測。檢測的位置應優先考慮地面活動頻繁的管段及焊縫位置。

2)建議對養雞場附近裸露管段進行及時填埋，以滿足規范要求。

3)建議砂眼處理過程中嚴格控制收縮帶施工質量。

4 結論

通過對乙烯管道存在的各方面危險、有害因素進行系統、全面的辨識和分析，定量計算該管道的失效后果及失效可能性，得到該管道的風險等級。基于相關法律法規、技術標準，結合失效機理分析的結果，預測該管道的剩余壽命，并提出合理可行的檢維修措施。在預測剩余使用期限內，企業應正確操作，并采取評估提出的各項安全對策措施及建議，可最大程度降低泄漏事故發生的可能性，使隱患的風險在可控制范圍內。