淺析RBI技術在海洋石油生產設備中的應用

＊劉 欣

（中海石油技術檢測有限公司 天津 300450）

鑒于海洋石油鉆采平臺的生產設備集中于海洋平臺這一生產特點，其生產布局緊湊、設備高度集中。此外，海洋設備的生產環境常是高鹽霧、高潮濕、長日照和高頻振動，由于海上生產中使用的壓力容器長期處于這一惡劣環境，極其容易造成生產過程中的設備損壞，從而導致生產原料的泄 露[1]。而基于風險分級管控的風險評估技術（RBI），能夠針對相關設備的損傷模式提供針對性的檢驗策略和使用建議，從而達到設備的本質安全需要，近年來在石化生產中應用較為廣泛，并且發展至今已經較為成熟[2]。其能在保障容器設備安全運營的同時最大程度地保障生產方的利益。

1.RBI簡介

RBI（Risk-Based Inspection）[3]即基于風險的檢驗，是一種基于平臺工藝流程、設備參數、操作環境、檢驗檢測技術等為基礎的動態評估工具，根據風險大小及壓力容器潛在的損傷機理確定出相應的檢驗管理策略，以控制失效及防止非預期的腐蝕損傷事故發生，提高壓力容器使用的安全性和可靠性。其能通過應用檢驗檢測技術、生產工藝與設備維護等信息進行不斷的糾正維護。

RBI可以對所處的平臺上壓力容器的設備風險大小進行系統化的評估和管理，根據篩選分析后設備的風險大小和設備潛在的失效模式制定科學的設備風險管理的檢驗策略，以控制失效和防止突發的腐蝕損傷事故發生，提高壓力容器運行使用中的安全性與可靠性。

2.RBI相對傳統檢驗的優勢

傳統壓力容器的檢驗方法和時間的確定，主要從容器安全運行的角度出發進行制定。但是對壓力容器的定期檢驗施工方案的制定過程中，由于檢驗策略的制定受檢驗員個人水平影響較大，即使在失效模式方面有所考慮，但是檢驗策略的制定沒有充分發揮所在團隊的群體優勢，所制定的檢驗策略難免有點偏差。RBI技術和傳統檢驗或定期檢驗相比，RBI技術在對評估目標的經濟性、安全性等多個方面進行了綜合的考慮，其檢驗策略的制定需要在針對設備的損傷機理和滿足平臺風險管控的基礎上，與平臺整體維修計劃相一致且具備可操作性。最終用于指導和優化壓力容器的檢驗。據統計數據表明，設備的失效風險并非均勻分配，約20%的設備承擔了80%的風險。采用RBI技術對評估設備進行風險分級排序，確定出中高風險設備，并根據風險驅動因素提出適配的檢驗策略[4]。

傳統檢驗和RBI檢驗對比，如圖1所示。

圖1 傳統檢驗與RBI檢驗

從圖1可以看出，RBI優于傳統的檢驗。檢驗量相同時，RBI具有較低的設備風險；處于同一設備風險時，RBI的檢驗量更小。

而RBI技術以設備損壞為基礎，以導致設備介質泄露為對象，根據收集到設備或設施的數據資料建立數據庫，進行系統完整的設備風險評估，從而達到對壓力容器的風險等級分類的目的，進而采取相應的檢驗策略。

3.分析流程

制定檢驗策略主要依靠專家并運用由挪威船級社（DNV GL）開發的一款專門針對海上設備進行RBI技術分析的軟件Synergi Plant RBI Offshore完成。該款軟件能對設備進行量化風險并篩選出高風險的單元，并制定具備可操作性的檢驗策略。其通過運用完善成熟的材料、介質、損傷機理等數據庫，可對設備的風險進行較準確的評估，用于對壓力容器進行主動的風險分級管控，圖2給出了RBI分析過程的流程。

圖2 RBI工作分析流程

4.風險評估的主要步驟

(1)建立數據庫

RBI技術建立數據庫需要進行資料收集，主要包含壓力容器的設計和完工圖紙、設施生產工藝相關資料及維修改造資料等。

文中結合投產于2014年的海洋石油某FPSO設施上運行的48臺壓力容器進行壓力容器風險評估。該項目的目的是系統地評估海洋石油某FPSO的48臺壓力容器的風險等級，根據風險大小及潛在的損傷機理制定出相應的檢驗策略、管理策略，以控制設備損傷事故發生，提高壓力容器在役期間的安全性、可靠性。

(2)物流回路和腐蝕回路劃分

物流回路劃分的原則：大量的部件組成同一壓力系統，包括管道、閥門、壓力容器等，壓力系統可以通過緊急關斷閥自動關閉。物流存量組可定義為如果系統中任意元件發生失效，釋放的液體或氣體的最大量。一些物流存量組既包括液體又包括氣體，依據后果的影響分別考慮。

腐蝕回路劃分原則：設備中采用同一材質的一類部件有相同的工作環境，因此有相同的損傷機理；對于腐蝕回路相同的設備部件，可將一個部件的檢驗結果對應到同一組中的所有部件。

海洋石油某FPSO，針對分析的48臺壓力容器，其物流回路和腐蝕回路分別劃分為21條、16條。

(3)篩選分析

篩選分析的目的是將從需要分析的容器系統中分離出高風險系統，并進行詳細的風險評估。采用定性分析方法的篩選分析，再逐一識別腐蝕回路組、物流回路組、平臺/設施涉及到的各處理系統的風險項。結合設施運行記錄、檢驗策略與損傷模式，對評估對象展開失效概率、失效后果的分析，風險評估后的結果分別為高、中和低風險。

由于低風險設備其事故/損傷機理出現的概率較低或事故發生后對設備設施的影響不大，因此，低風險的設備或部件常常采取事后修復的方式，只需進行相應維護管理的措施。通過篩選將資源傾向于詳細分析系統的數量，可以將風險管理的資源更集中于對整個裝置會產生重要影響的系統。

篩選分析根據生產工藝系統與公用系統的系統功能來進行劃分篩選系統，并且篩選系統參照生產介質、設備材質、操作條件等變量再劃分成具體的篩選項（即子系統）。篩選分析采取定性的方法，考慮每一子系統的失效可能性和失效后果，其中失效可能性包括內部/外部腐蝕、疲勞及其它四種類型。確定一個系統是高失效可能性還是低失效可能性，必須對四種可能性類型中的每一種都要進行分析。風險評估中考慮了系統中各介質可能導致內外部的退化機理。篩選分析的風險矩陣根據失效概率和失效后果共分為如下四種情況：

①詳細評估：這些系統具有高失效可能性和高失效后果，需要進行詳細評估；②預防性維護：這些系統具有低失效可能性和高失效后果；③糾正性維護：這些系統具有高失效可能性和低失效后果；④最低監護：這些系統具有低失效可能性和低失效后果。

在對海洋石油某FPSO的48臺壓力容器涉及到的原油、閉排、燃氣等16個系統分析中，高風險系統有9個，占比56%，中風險系統有3個，占比19%，低風險系統有4個占比25%。

(4)風險計算

①風險計算原理。設備風險來源由評價單元的失效可能性和評價單元的失效后果兩部分組成。風險可由失效概率與失效后果的乘積得出：

式（1）中，Pf(t)為失效可能性，作為時間的函數，其數值隨著原件損傷的累積增加，反映了容器預期的失效概率大小；C(t)表示的是失效后果，由泄露孔的泄露量和泄漏速率定量計算后果面積。

失效可能性由如下公式的計算得到：

式（2）中，gff為評價單元的通用失效頻率，其數值根據石油行業失效數據的典型代表值來表示不同類型設備的通用失效頻率；Df(t)為損傷因子，損傷因子由設備的損傷機理確定（均勻或局部減薄、開裂、蠕變、材質劣化、機械損傷等），損傷機理與設備材質、操作工況、在役環境以及量化損傷的檢驗監測技術密切相關。

結合公式（1）和公式（2）可以看出，風險是隨時間變化的函數，伴隨著減薄、裂紋等損傷機理在運行時間上的積累，損傷因子值慢慢變大。如果設備單元有多個損傷機理時，各損傷機理要得到一個與時間相關的風險，并進行對比，選擇最高風險項當做該設備的風險。

RBI技術綜合評估失效概率、失效后果、失效概率和后果組合這三個主要參數，此外，RBI中定義風險為容器的失效可能性和失效后果的乘積。

結合風險評估結果制定針對性的檢驗策略，可較為科學地制定出檢測任務。

②失效可能性計算。基于風險的檢驗針對失效可能性的計算是默認設備的損壞程度要比預計要快，通過將收集到的設備檢驗檢測報告匯總，并結合以往檢驗方法對檢驗結果的各種損傷模式、損傷速率的有效性來確定置信度[5]。

現將設備常見的四類損傷速率模型進行介紹：

A.可忽略模型：可忽略模型的設備損傷曲線，其損傷速率數值沒有明顯的變化，由于其與時間無關，可忽略模型指定一個固定的失效可能性值。對于屬于可忽略模型的元件，可以不展開檢驗。

B.未知模型：元件物質或材料未知時，則判斷元件屬未知模型。先設定其失效可能性為1，再結合失效后果判斷是否有必要進行進一步的研究。若失效后果嚴重，則該元件的風險等級較高，則要展開詳細的分析。

C.速率模型：常應用于損傷導致元件壁厚局部或均勻減薄的工況，隨著時間的累積失效可能性逐漸增大。設備的厚度值將隨著時間逐漸減小，導致這種腐蝕機理的失效概率隨時間的增加而增大。

常見的符合速率模型的腐蝕機理有二氧化碳腐蝕、碳鋼的水腐蝕等。

在失效可能性評估中，除計算估計腐蝕速率時的失效可能性外，軟件還要計算2倍和4倍的預計腐蝕率時的失效可能性，腐蝕減薄的失效可能性的值采用上述三個失效可能性的加權值相加。此外，根據以往采用檢驗方法對檢出不同形式損傷和損傷速率的有效性來確定置信度。

D.敏感性模型：某種損傷機理一旦受到外界條件觸發后，損傷發生得非常迅速，符合此類情況都屬于敏感性模型。這種模型與失效相關的因素不發生變化時，則失效可能性保持常數。常見的敏感性模型包括微生物腐蝕、不銹鋼材質（含雙相不銹鋼、6Mo不銹鋼等）的大氣腐蝕、不銹鋼材質的水腐蝕等。設備失效概率值可通過每毫米壁厚的失效可能性除以設備壁厚計算得到。

(5)檢驗策略制定

壓力容器的RBI評估結果，可以作為制定整體檢驗策略的基礎來指導和優化檢驗。檢驗策略和其他降險計劃的目的是使所有設備的風險都在可接受范圍內。同時，檢驗策略的制定應綜合考慮海上壓力容器及部件的風險等級、損傷機理、檢驗歷史、腐蝕檢測數據、設備壽命、檢測技術的有效性等因素。首先，按照壓力容器的風險值確定檢驗檢測順序；其次，根據損傷機理和檢驗計劃實施檢驗任務。檢驗策略包括檢驗位置、損傷機理、檢驗范圍/方法/比例/時間等。

在對海洋石油某FPSO檢驗策略的制定中，其主要潛在的失效機理有：外部損傷（保溫層腐蝕、大氣腐蝕、外部應力腐蝕開裂）、內部腐蝕（包括涂層下腐蝕、CO2腐蝕、微生物腐蝕、水腐蝕）；當前海洋石油某FPSO的壓力容器中不存在極高風險評價單元，但是設施中中高風險的評價單元相對較多，需要針對設備的損傷機理，選擇合適的檢驗策略。

(6)執行和再評估

基于風險的檢驗是一種隨時間動態變化的工具，可用于對設備當前和未來的風險狀況進行評估。一旦設備材料改變、風險接受限度的修改和評估周期期滿，會對風險評估的結果產生顯著影響。因此，RBI應該采用最新工藝、維修改造信息和風險可接受準則等來進行持續的更新。

5.結論

風險檢驗作為采用風險評估中損傷模式的針對性定期檢驗，通過收集設備設施的工藝流程、設備參數、操作環境、檢驗檢測等信息基礎上，進行綜合風險評估。將設備風險進行分級管控，在滿足設施風險管控的基礎上制定并執行檢驗策略，具有以下優點：

（1）協助生產方進行容器資料管理；（2）可以避免盲目開罐，提供在線降險策略，提升生產效率；（3）可以更為全面系統地了解相應設施的運行狀況，并適配科學的管理策略；（4）對不同設備進行針對性的檢驗，提升風險管控能力；（5）滿足設備合規運行的基礎上，避免系統性風險；（6）群策群力，能有效規避因個人經驗不足而漏檢某些關鍵設施的部位，并制定有針對性、主動的檢驗策略；（7）優化檢驗策略，節約生產維護成本，從而達到降本增效的目的。