定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在LNG 氣化站壓力管道定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

沈建民 張子健 柴軍輝 許 波 鐘軍平 鄭 磊

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；2.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司）

LNG（Liquefied Natural Gas）是液化天然氣的簡稱，主要成分為甲烷，是一種清潔、高效的生態(tài)型優(yōu)質(zhì)能源和燃料，相比于傳統(tǒng)的氣態(tài)天然氣，LNG 具有較多優(yōu)點(diǎn)［1，2］。浙江省作為我國的清潔能源示范省，目前已經(jīng)建成兩座LNG 接收站，LNG已成為浙江天然氣供應(yīng)的重要來源，《浙江省煤炭石油天然氣發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出，到2025 年全省LNG 接收站總接收能力達(dá)3 000 萬噸以上。一般LNG 接收站裝置主要由LNG 接卸工段、LNG 存儲(chǔ)工段、BOG 處理工段、LNG 加壓氣化工段、NG 計(jì)量及外輸工段和LNG 裝車或船工段組成，其中LNG 氣化站中包含有大量的壓力管道，這部分的管道日常監(jiān)管依據(jù)是TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》和TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》，但LNG 壓力管道和石化企業(yè)的在役工藝管道存在諸多不同點(diǎn)［3，4］。對(duì)于LNG 管道，若采用目前常規(guī)的檢驗(yàn)檢測方法和手段，在實(shí)施階段會(huì)存在較大難度，筆者通過API 581—2016《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法》中的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，科學(xué)有效地識(shí)別了LNG 氣化站壓力管道的損傷機(jī)理，計(jì)算出了24 條壓力管道的定量風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)合目前國內(nèi)法律法規(guī)，給出了針對(duì)于LNG 管道的具體檢驗(yàn)細(xì)則，可使LNG 管道在不停機(jī)的狀態(tài)下，有效降低風(fēng)險(xiǎn)值，對(duì)保障LNG 氣化站安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障民生和工業(yè)生產(chǎn)具有重大的意義。

1 國內(nèi)LNG 壓力管道的檢驗(yàn)檢測現(xiàn)狀

LNG 管道在類別上屬于特種設(shè)備目錄中的壓力管道范疇，在檢驗(yàn)檢測方面主要是依據(jù)TSG D0001—2009 《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》和TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》［5］。首先，這兩條安全技術(shù)規(guī)范均指出了LNG 管道需要定期進(jìn)行年度檢查和全面檢驗(yàn)，年度檢查的周期一般為一年一次，全面檢驗(yàn)的周期根據(jù)上次檢驗(yàn)的安全狀況等級(jí)確定，一旦到達(dá)檢驗(yàn)周期，需要使用單位的LNG裝置停車停產(chǎn)，這就會(huì)對(duì)整個(gè)LNG 產(chǎn)業(yè)鏈的平穩(wěn)運(yùn)行帶來一定的影響；其次，針對(duì)年度檢查的具體需要，一般LNG 管道使用單位可以自行完成，但對(duì)于全面檢驗(yàn)的要求，例如：壁厚測定、表面缺陷檢測及埋藏缺陷檢測等，在實(shí)施時(shí)就存在較大困難，無法像傳統(tǒng)工業(yè)管道一樣，拆除隔熱層，焊縫和熱影響區(qū)打磨一定的寬度，目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在進(jìn)行LNG 管道全面檢驗(yàn)時(shí)主要以宏觀檢查為主，超聲壁厚測定、表面缺陷和埋藏缺陷檢測的實(shí)施較為困難，相關(guān)檢測比例不符合技術(shù)規(guī)范要求［6］；最后傳統(tǒng)的LNG 管道全面檢驗(yàn)沒有采用基于損傷模式識(shí)別的技術(shù)手段對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，無法科學(xué)有效地區(qū)分高中低風(fēng)險(xiǎn)，因此無法科學(xué)分配有限的檢驗(yàn)資源［7］。

基于上述LNG 管道的檢驗(yàn)現(xiàn)狀，筆者采用損傷模式識(shí)別技術(shù)，通過定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算，對(duì)某氣化站LNG 管道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在充分考慮現(xiàn)行檢驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范的前提下，給出了基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的檢驗(yàn)細(xì)則，可操作性強(qiáng)，檢驗(yàn)針對(duì)性強(qiáng)，有效性高，對(duì)保障LNG 企業(yè)安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，可為今后開展LNG管道定期檢驗(yàn)規(guī)則的制定提供一定的技術(shù)參考。

2 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 管道概況

本次LNG 氣化站所評(píng)估的壓力管道可按管道材料、設(shè)計(jì)溫度、管道介質(zhì)分為兩大類，即：-196 ℃的06Cr19Ni10 管道和-19 ℃的20# 管道，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)表

2.2 損傷機(jī)理識(shí)別

損傷機(jī)理的識(shí)別是定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中較為重要的一環(huán)，不同的損傷機(jī)理會(huì)影響損傷因子的計(jì)算，進(jìn)而影響設(shè)備失效可能性計(jì)算的結(jié)果，可以總結(jié)為：如果某臺(tái)設(shè)備的損傷機(jī)理相對(duì)較多，則這臺(tái)設(shè)備相對(duì)的失效可能性就越大。損傷機(jī)理的識(shí)別應(yīng)以管道的參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)和GB/T 30579—2022 《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》、API 581—2016 和所采用的RBI 計(jì)算軟件進(jìn)行綜合判斷。經(jīng)過識(shí)別，參與RBI 計(jì)算的24 條壓力管道損傷機(jī)理識(shí)別結(jié)果見表2。

表2 損傷機(jī)理識(shí)別結(jié)果

2.3 腐蝕速率

腐蝕速率的確定也是定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中較為重要的一環(huán)，根據(jù)API 581—2016，腐蝕速率的選取原則主要是：首選需選擇設(shè)備定點(diǎn)測厚的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果受條件限制，無法進(jìn)行定點(diǎn)測厚，則需采用腐蝕專家的建議值，或者采用理論計(jì)算值，然而內(nèi)部腐蝕的理論計(jì)算值需要所評(píng)估設(shè)備包含標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12 種典型減薄腐蝕機(jī)理，滿足以上條件時(shí)才可使用，但針對(duì)于外部腐蝕的理論計(jì)算值則依據(jù)大氣腐蝕（有隔熱層）或大氣腐蝕（無隔熱層）進(jìn)行。基于以上理論，本次24 條壓力管道的腐蝕速率設(shè)定見表3。

表3 腐蝕速率設(shè)定表

2.4 管理系統(tǒng)系數(shù)

有效的管理系統(tǒng)評(píng)估對(duì)防止危險(xiǎn)物質(zhì)釋放和維持工藝設(shè)備機(jī)械完整性具有重要的作用，基于API 581—2016 標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估過程一般采用面談和問卷調(diào)查的形式進(jìn)行，主要從領(lǐng)導(dǎo)和管理、工藝安全信息、工藝危害性分析、變更管理、操作規(guī)程、安全生產(chǎn)實(shí)踐規(guī)程、人員培訓(xùn)、機(jī)械完整性、投用前的安全檢查、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查、承包商管理和管理系統(tǒng)評(píng)估13 個(gè)方面共計(jì)103 個(gè)問題進(jìn)行打分，將所得總分?jǐn)?shù)X換算成百分?jǐn)?shù)Y，計(jì)算管理系統(tǒng)系數(shù)FMS：

根據(jù)式（1）、（2）可以看出，在管理評(píng)價(jià)過程中，總分?jǐn)?shù)X越高，則FMS越低，說明企業(yè)在設(shè)備完整性管理方面水平較高，設(shè)備的失效可能性就越低。

對(duì)LNG 氣化站的實(shí)際管理水平進(jìn)行打分，總分1 000 分，結(jié)果見表4。按式（1）計(jì)算得Y=89.2，按式（2）計(jì)算管理系統(tǒng)系數(shù)FMS=0.16。

表4 管理系統(tǒng)問題分值計(jì)算表

2.5 定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

采用挪威船級(jí)社專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件Synergi Plant RBI Onshore5.7，對(duì)24 條壓力管道進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將24 條壓力管道劃分為24 個(gè)評(píng)價(jià)單元，在失效可能性計(jì)算方面，主要考慮內(nèi)部減薄（包含介質(zhì)沖刷腐蝕）、外部減薄（大氣腐蝕）、與泵設(shè)備相接管道的振動(dòng)疲勞；失效后果方面主要考慮LNG 管道介質(zhì)的特性以及泄放量、泄放速率等參數(shù)，以壓力管道泄漏后造成的傷害成本、單位時(shí)間停產(chǎn)損失、設(shè)備成本及環(huán)境清理費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來確定后果等級(jí)。評(píng)估時(shí)的相關(guān)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)定如下：壓力管道投產(chǎn)時(shí)間為2019-06-29，當(dāng)前評(píng)估時(shí)間也就是首次定期檢驗(yàn)時(shí)間為2022-06-28，3 年后的評(píng)估時(shí)間為2025-06-28，6 年后也就是第2 次定期檢驗(yàn)時(shí)間為2028-06-28，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)最長可達(dá)9 年，時(shí)間設(shè)為2031-06-28。

2.5.1 當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

由圖1 可以看出，當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)24 個(gè)評(píng)級(jí)單元中有23 個(gè)屬于中風(fēng)險(xiǎn)，1 個(gè)屬于低風(fēng)險(xiǎn)，整體風(fēng)險(xiǎn)水平較低。

圖1 LNG 氣化站壓力管道當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)定量風(fēng)險(xiǎn)分布

2.5.2 3 年后時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

通過圖2 可以看出，3 年后24 條壓力管道整體風(fēng)險(xiǎn)水平變化不大，均為中風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生這種情況的可能原因是：該氣化站投用時(shí)間短、介質(zhì)腐蝕性速率低、公司完整性管理水平較高等。

圖2 LNG 氣化站壓力管道3 年后時(shí)間點(diǎn)定量風(fēng)險(xiǎn)分布

2.5.3 6 年后時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》的相關(guān)規(guī)定，本次24 條壓力管道均為GC2 級(jí)別，首次定期檢驗(yàn)后，GC2 級(jí)管道通常下次檢驗(yàn)周期為6 年。因此對(duì)6 年后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析。由圖3 可以看出，6 年后24 條壓力管道整體風(fēng)險(xiǎn)水平變化不大，23 條管道為中風(fēng)險(xiǎn)，1 條管道為中高風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 LNG 氣化站壓力管道6 年后時(shí)間點(diǎn)定量風(fēng)險(xiǎn)分布

2.5.4 9 年后時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

TSG D7005—2018 指出了管道的檢驗(yàn)可以采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)，也就是風(fēng)險(xiǎn)的定量計(jì)算，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)可以縮短檢驗(yàn)周期，但是最長不超過9 年，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)超過可接受水平的管道，需采用一定的措施來進(jìn)行降險(xiǎn)操作，9 年后的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，9 年后24條壓力管道整體風(fēng)險(xiǎn)水平稍有提高，21 條管道為中風(fēng)險(xiǎn)，3 條管道為中高風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 LNG 氣化站壓力管道9 年后時(shí)間點(diǎn)定量風(fēng)險(xiǎn)分布

2.5.5 小結(jié)

為了更直觀地看出管道從當(dāng)前時(shí)間到9 年后風(fēng)險(xiǎn)定量數(shù)值的變化情況，選取典型管道1#管道（304 不銹鋼，有隔熱層）和22# 管道（20#，無隔熱層）為例進(jìn)行說明（在本次評(píng)估過程中，失效后果類型選擇經(jīng)濟(jì)后果，主要考慮設(shè)備失效后導(dǎo)致的企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，因此定量計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)值就是基于經(jīng)濟(jì)后果的風(fēng)險(xiǎn)值，單位為美元/年）。1# 管道內(nèi)部減薄損傷因子為6.266 96，外部減薄損傷因子為5.579 05，振動(dòng)疲勞損傷因子為0.2，總損傷因子為12.046，屬于3 級(jí)，對(duì)應(yīng)的失效可能性為6.05086×10-5，失效后果為394 999 美元，失效后果等級(jí)為C 級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)值為23.900 80 美元/年，屬于中風(fēng)險(xiǎn)；22# 管道內(nèi)部減薄損傷因子4.336 71，外部減薄損傷因子12.95，總損傷因子17.286 7，屬于3 級(jí)，對(duì)應(yīng)的失效可能性為8.68331×10-5，失效后果為88 921 美元，失效后果等級(jí)為B 級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)值為7.721 33 美元/年，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)4 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，見表5。由表5 可知，以1#管道為代表的304 不銹鋼管道在未來9年內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)值只是小幅度范圍內(nèi)有所上升，變化不大，但以22# 管道為代表的20# 管道在未來9年內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)值大幅上升，需要重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采用針對(duì)性的檢驗(yàn)、檢測方法和措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。

表5 典型管道定量風(fēng)險(xiǎn)變化情況表

3 基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的檢驗(yàn)計(jì)劃

3.1 檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是指設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)在無任何降險(xiǎn)措施的情況下持續(xù)運(yùn)行可接受的最高水平。一旦達(dá)到或超過所設(shè)定的檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，就會(huì)觸發(fā)檢驗(yàn)檢測，在風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估計(jì)算過程中通常會(huì)設(shè)定如下目標(biāo)：

a.總風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)。為進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)劃而設(shè)定的可接受最高風(fēng)險(xiǎn)水平，一般根據(jù)設(shè)備使用單位的具體情況進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)可以用影響面積（m2/年）或經(jīng)濟(jì)數(shù)值（美元/年）大小來表示。其中基于影響面積的風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)主要考慮設(shè)備的失效可能性和設(shè)備失效后影響區(qū)域面積的大小，包括設(shè)備破壞面積和人員傷害面積；基于經(jīng)濟(jì)數(shù)值的風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)主要考慮設(shè)備的失效可能性和設(shè)備失效后導(dǎo)致的企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

b.失效可能性目標(biāo)。失效可能性目標(biāo)是使用單位不可接受并觸發(fā)檢驗(yàn)過程的最大失效概率（次/年）。

c.損傷因子目標(biāo)。損傷因子目標(biāo)是使用單位不可接受并觸發(fā)檢驗(yàn)過程的最大損傷因子，是對(duì)設(shè)備破壞狀態(tài)的表征。

d.剩余壽命目標(biāo)。剩余壽命目標(biāo)是設(shè)備所設(shè)定的最小厚度目標(biāo)，一旦設(shè)備壁厚腐蝕達(dá)到最小厚度，則會(huì)觸發(fā)檢驗(yàn)過程。

e.最大檢驗(yàn)周期目標(biāo)。最大檢驗(yàn)周期目標(biāo)是使用單位或者相關(guān)主管部門所設(shè)定的不可接受特定檢驗(yàn)頻率，一旦設(shè)備服役年限達(dá)到所設(shè)定的檢驗(yàn)周期，則會(huì)觸發(fā)檢驗(yàn)過程。

在LNG 管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，通常設(shè)定失效可能性或風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)目標(biāo)，一般情況下，失效可能性等級(jí)大于等于4 級(jí)，或風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的管道應(yīng)列入檢驗(yàn)計(jì)劃，實(shí)施檢驗(yàn)降險(xiǎn)。

3.2 檢驗(yàn)有效性

在確定檢驗(yàn)有效性時(shí)，主要考慮的因素有：設(shè)備或部件的類型、相關(guān)的損傷機(jī)理和識(shí)別置信度、損傷敏感性、無損檢測方法以及范圍和比例等。檢驗(yàn)有效性被分為A 級(jí)到E 級(jí)，A 級(jí)檢驗(yàn)提供了最有效的檢驗(yàn)，E 級(jí)代表無效檢驗(yàn)。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，應(yīng)采用B 級(jí)（含）以上的檢驗(yàn)方法；對(duì)于中高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，應(yīng)采用C級(jí)（含）以上的檢驗(yàn)方法；對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，應(yīng)采用D 級(jí)（含）以上的檢驗(yàn)方法。針對(duì)承壓設(shè)備常見的損傷機(jī)理，歸納總結(jié)了涉及LNG 管道內(nèi)部減薄和外部破壞的檢驗(yàn)有效性等級(jí)與相關(guān)檢驗(yàn)方法，見表6～10。

表6 承壓設(shè)備全面減薄檢驗(yàn)有效性等級(jí)

表7 承壓設(shè)備局部減薄檢驗(yàn)有效性等級(jí)

表8 承壓設(shè)備外部破壞（無隔熱層）檢驗(yàn)有效性等級(jí)

表9 承壓設(shè)備外部破壞（碳鋼有隔熱層）檢驗(yàn)有效性等級(jí)

表10 承壓設(shè)備外部破壞（不銹鋼有隔熱層）檢驗(yàn)有效性等級(jí)

3.3 檢驗(yàn)策略

LNG 氣化站壓力管道基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)時(shí)間依據(jù)章節(jié)3.1 確定，基于損傷模式的檢驗(yàn)策略見表11，檢驗(yàn)策略的編制主要考慮管道的主要損傷模式，次要損傷模式，失效部位，停機(jī)檢驗(yàn)、在線檢驗(yàn)等方面，結(jié)合章節(jié)3.2 的要求，并考慮國內(nèi)外目前針對(duì)LNG 管道的檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展水平，給出了一套針對(duì)LNG 壓力管道可操作性強(qiáng)的檢驗(yàn)策略，同時(shí)對(duì)API 518—2016 不銹鋼有隔熱層時(shí)外部破壞的檢驗(yàn)方法進(jìn)行了補(bǔ)充，完善了標(biāo)準(zhǔn)。

表11 基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的檢驗(yàn)策略

4 結(jié)束語

針對(duì)LNG 氣化站壓力管道定期檢驗(yàn)時(shí)無法停機(jī)且有效檢驗(yàn)手段較少這一問題，采用API 581—2016《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法》中的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，對(duì)某LNG 氣化站24 條壓力管道進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求與現(xiàn)有檢驗(yàn)檢測技術(shù)，最后給出了不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)LNG 管道的檢驗(yàn)策略，該策略可操作性強(qiáng)，可將有限的檢驗(yàn)資源合理化分配，為今后開展LNG 壓力管道定期檢驗(yàn)方案的制定提供一定的技術(shù)參考，同時(shí)也為國內(nèi)LNG 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的再次修訂提供一定的數(shù)據(jù)積累。