海上平臺壓力容器基于風險的檢驗方法

王 健，陳 濤，張少洋

（中海油安全技術服務有限公司，天津 300456）

0 引言

隨著我國陸上油田逐步進入開發衰退期，油田增量不足，目前陸上發現新油氣田的概率非常小，近十年來發現的大型油氣田60%位于海洋。我國雖然石油資源豐富，但目前開發遠低于世界水平，在目前天然氣緊缺與能源安全戰略下，加強海洋油氣資源開發將成為重中之重[1]。近些年來我國海洋油氣資源開發步伐加快，海上平臺數量急劇增長，壓力容器作為海上平臺重要的油氣儲運設備設施之一，其服役環境含鹽量高、濕度大，保證其安全穩定運行顯得尤為重要。海上壓力容器檢驗檢測一直是特種設備安全監管的重要內容，對其檢驗方法可靠性要求更高。

1 海上壓力容器損傷模式

海上平臺壓力容器與陸上壓力容器制造工藝相同，但所處海洋環境相對陸上更為惡劣，空氣濕度大、含鹽量高，同時海上壓力容器的服役溫度高、運行壓力大、介質腐蝕性強，這些增加了海上平臺壓力容器發生故障和失效的風險[2]。由于海上壓力容器服役環境的復雜性，損傷模式多種多樣，通過對渤海某海上油氣生產設施的調研發現，以下為4 種較為常見的壓力容器損傷模式。

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕也稱為全面腐蝕，是最常見壓力容器腐蝕損傷模式之一，壓力容器在腐蝕環境中其表面或內部由于化學或電化學反應導致的均勻減薄，通常表現為在其暴露的表面或大部分面積上均勻地覆蓋著腐蝕產物膜（圖1）。

圖1 海上生產分離器外部的均勻腐蝕

1.2 電偶腐蝕

電偶腐蝕又稱接觸腐蝕，是指當一種不太活潑的金屬（陰極）和一種比較活潑的金屬（陽極）在電解質溶液中接觸時，因構成腐蝕原電池而引發電流，從而造成（主要是陽極金屬）電偶腐蝕。電偶腐蝕也稱雙金屬腐蝕或金屬接觸腐蝕。由于壓力容器本體與管線材料不同，在管線與壓力容器連接處往往會出現壓力容器或管線的腐蝕。

1.3 應力腐蝕

應力腐蝕是金屬結構在內部殘存應力和外部拉伸應力的持續作用下產生的嚴重腐蝕現象。海上壓力容器往往由低合金鋼焊接而成，在焊接接頭處由于焊接應力的存在，在海洋環境中極易發生應力腐蝕（圖2）。

圖2 海上生產分離器封頭焊縫處的腐蝕

1.4 保溫層下腐蝕

保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，CUI）是指發生在包裹保溫材料的管道或設備外表面上的一種腐蝕現象。一般是由于冷凝水分或雨水進入到保溫系統而導致管道或設備外表面的局部腐蝕。當保溫系統下面存在濕氣時，由碳錳、低合金和奧氏體不銹鋼等材料制成的管道極易發生電化、點蝕、應力開裂和縫隙腐蝕。由于腐蝕表面被保溫層覆蓋，所以保溫層下腐蝕一般很難被檢測到。由于海上壓力容器多數為露天放置，長時間受到海上含鹽濕氣及雨水的侵蝕，其保溫層下腐蝕往往比陸地要嚴重很多（圖3）。

圖3 海上換熱器的保溫層下腐蝕

2 海上平臺壓力容器傳統檢驗方法

海上壓力容器的傳統檢驗方法以臨時性檢驗和計劃性檢驗為主[3-4]。臨時檢驗指在壓力容器發生事故或其他原因對容器原有技術條件造成損害以及產生影響安全的回復和修理時，使用者或所有者認為有必要進行檢驗時進行的檢驗。計劃性檢驗是指參照相關法規和標準制定的定期檢驗，目前海上壓力容器均遵循《壓力容器定期檢驗規則》《海上壓力容器檢驗指南》的規定，根據定級情況確定檢驗周期，具體包括年度檢驗、全面檢驗等，年度檢檢驗內容包括管理狀況檢查、壓力容器本體及運行狀況檢查，檢查方法以外觀檢查為主；全面檢查包括資料審查、外觀檢查、容器聲發射檢測、壁厚檢測、內腐蝕檢測、外表缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、材質檢查、安全附件檢查等內容[5-8]。

傳統檢驗時往往由于不清楚壓力容器的失效模式和失效機理，對需要重點檢驗的部位不清楚，檢驗時對壓力容器的重要程度考慮較少，檢測周期確定缺乏合理的依據，其不足主要體現在以下3 個方面。

（1）檢驗不足。根據《海上壓力容器檢驗指南》要求，年度檢驗以宏觀檢驗為主，對于微觀缺陷如裂紋很難通過宏觀檢查發現。而全面檢驗并非每年都開展，且由于檢驗重點不突出，存在漏檢風險，給海上壓力容器管理帶來風險。

（2）過度檢驗。傳統方法在對壓力容器進行檢驗時，對所有的設備都采用相同的檢驗方法進行檢測，盲目追求全面，對設備風險不加區分，造成檢測資源的浪費。

（3）缺乏分析。傳統檢測方法固定，未充分考慮到壓力容器服役年限導致的失效模式的改變[9]。

3 基于風險的檢驗方法

基于風險的檢驗技術最早由歐美發達國家提出，當時主要應用在核工業；20 世紀80 年代，挪威船級社DNV 頒布使用RBI（Risk Based Inspection，基于風險的檢驗）方法對壓力容進行定量風險評估；20 世紀90 年代，ASME 發布了相關RBI 的指導規范；2000 年美國石油工程師協會API 正式公布RBI 標準API 581。我國RBI 的研究工作起源于20 世紀90 年代末，并逐漸在國內進行推廣和應用[10-12]。

基于風險的檢驗（RBI）技術是以追求壓力容器安全性與經濟性統一為理念，在對壓力容器固有的或潛在的危險進行科學分析的基礎上，給出風險排序，找出薄弱環節，以確保特種設備本質安全和減少運行費用為目標，建立一種優化檢驗方案的方法。

3.1 RBI 檢驗策略

RBI 是一種以風險為基礎，同時將風險和管理相結合的復雜技術，其檢驗策略依據RBI 定量分析結果中風險等級和失效機理來制定的。因此，在RBI 中風險也被定義為失效概率和失效后果的乘積，其表達式為：風險=失效概率×失效后果。

它在分析風險時，綜合了國際上同類設備的失效可能性，同時又考慮具體設備的特殊性與設備管理水平，具有更好的科學性和嚴謹性。

在制定檢維修策略時，能夠根據識別出的可能失效模式選擇針對性的檢測方法，這種方法給設備在檢測過程中提供了很大的靈活性，能夠對高失效后果及高風險的設備選擇更為全面的檢測方法，同時明確檢測內容。

RBI 通過風險分析，明確了占絕80%風險的20%的設備，能夠有針對性地將有限的資源集中到20%的設備上，減少了不必要的檢驗，達到優化檢驗、減少開支的目的。

3.2 海上壓力容器RBI 實施過程（圖4）

圖4 RBI 實施步驟

（1）收集設備的基本資料，資料包括設備的初始資料、操作手冊、規格書以及工藝流程圖等。

（2）根據收集的設備資料以及過往的檢驗記錄和失效記錄，對設備的風險高低做一個定性的分析。在分析過程中，特別應注意一些重要的損傷機理，如內部腐蝕、外部腐蝕、疲勞開裂等，或其他設備失效時對人員、生產成本和周圍環境造成的傷害，依據這些內容對設備的風險進行粗略排序。

（3）利用RBI 軟件對設備進行詳細分析，得出每一個失效機理的可能性和失效后果。

（4）根據分析結果，列出各設備的詳細失效可能性等級、后果等級以及風險等級，并根據分析結果確定檢驗周期和檢驗策略。

4 RBI 在應用中存在的問題

RBI 技術有助于設備管理者了解設備腐蝕機理及設備風險分布，對提高設備風險管理水平提供了很大幫助，但由于國情、行業的差異，其在我國具體應用過程中還存在不少問題。

4.1 設備基礎數據缺失

在RBI 實施過程中，需要對壓力容器的基本設計參數、運行參數及檢維修情況等資料進行收集和分析，但由于目前很多容器建造年代較早，我國在很長一段歷史時期內設備管理水平較低，相關建造改造資料缺失，檢維修資料不全，特別時對于海上的一些老齡平臺、FPSO（浮失液化天然氣生產儲卸裝置）等[13]，在開展RBI 分析時對設備資料的收集存在較大難度，在分析過程中往往需要建立大量的假設，嚴重影響了分析的準確性和客觀性。

4.2 壓力容器本身差異對分析結果產生影響

在RBI 分析中往往假定材料、設計和制造都符合要求，但在由于各國之間金屬材料冶煉和容器制造過程的差異性，國內很多設備在制造時就帶有缺陷和不足，在進行RBI 分析時對于先天缺陷的分析不足[14-15]。例如：我國早期建造的一些平臺多為合資平臺，壓力容器多采用進口鋼材生產建造，很多壓力容器雖然服役周期較長，但在檢測時發現設備本體的腐蝕情況比我國近些年自主建造的平臺上的壓力容器的腐蝕狀況要好。

4.3 RBI 數據庫差異

目前，我國尚未針對某類設備建立完整系統的設備設施失效模式數據庫、損傷或劣化程度數據庫。在分析時往往直接應用國外數據庫或根據專家經驗進行分析，不能保證分析評估結果的客觀準確，也影響到RBI 的實際應用效果，導致損傷機理分析不夠全面。

4.4 設備管理水平的影響

不同企業由于設備管理理念及設備管理人員技術水平存的差異，導致在設備日常管理上存在優劣，導致同類設備在不同平臺上的失效可能性上產生差異，按照以往經驗進行分析，難以對設備風險進行準確區分。

4.5 RBI 分析本身的局限性

RBI 在計算失效概率時基于承壓設備的退化機理，RBI 所能分析的腐蝕機理與時間存在明顯的相關性，在分析這類腐蝕時準確性較高，但對于部分失效類型如應力腐蝕、氫脆等，由于時間相關性較差，在對存在這類腐蝕機理的壓力容器進行分析時RBI 表現出一定的局限性。同時對于海上平臺常見的異種金屬接觸產生的電偶腐蝕、縫隙腐蝕，焊縫接頭等部位產生的局部腐蝕等，無法進行準確分析。

目前多數RBI 項目的最終結果多以報告形式呈現，給出的檢驗策略不能滿足現場實際需求。在實踐中指導檢驗和進行風險管理時，仍存在一定的局限性，同時設備管理者由于自身技術能力不足、現場檢測條件無法滿足等原因，無法有效應用RBI 分析成果，特別是對于一些存在內表面腐蝕的容器，現場由于無法停產或滿足開罐檢驗條件，對RBI 分析的正確性無法進行驗證。

5 結論

RBI 經過長達30 多年的研究與應用，已經具備相對完整的技術體系，是一種科學的設備風險分析方法，將RBI 技術引入我國海上油氣平臺設備的安全評估領域，提高了我國海上設備設施的管理水平。由于各國國情不同，還需要對RBI 技術進行消化和吸收，形成符合我國國情的RBI 技術體系和應用模式。