海上压力容器腐蚀行为的风险与检验研究

图1 压力容器腐蚀风险与检验方法研究流程

Fig.1 Process of corrosion risk and inspection in pressure vessel

首先评估工作开始之前应制定严密的计划，尽可能消除过程中可能出现的障碍或问题，使各工作顺畅、有序、高效地进行。基于风险的检验需要收集多方面数据，数据采集过程应遵守一定的原则和标准，同时数据采集应确保数据的完整性。然后基于API 581理论基础上进行风险定量分析计算，得到失效概率和失效后果。结合制定的风险可接受准则，对分析对象风险等级进行判定。依据计算的各类损伤系数，制定设备相应损伤对应的损伤减缓措施。最后根据失效概率曲线，确定设备下一次检验周期和检验计划，指导现场检验资源合理分配。

通过对压力容器进行定量风险评估，筛选出对压力容器失效影响大的损伤系数。同时针对筛选出的大的损伤系数，制定未来专项的检验措施。

通过压力容器定量失效概率计算后，得到设备失效概率随时间变化曲线。结合业主给定的风险可接受线，确定未来下一次检验日期和检验有效性，最终用于指导业主制定检验周期和检验计划。

1.2 腐蚀概率分析

在海洋气候环境下压力容器常见有两类腐蚀损伤，第一类损伤为与材料腐蚀速率相关的损伤，包括内部减薄损伤、外部暴露减薄损伤和保温层下减薄损伤；第二类损伤主要与容器材质、介质属性和所处环境等相关的应力损伤，包括硫化物应力腐蚀开裂损伤、H₂S氢致开裂/硫化氢应力导向氢致腐蚀开裂损伤、氯化物应力腐蚀开裂损伤、外部暴露氯应力腐蚀开裂损伤和保温层下氯应力腐蚀开裂损伤。

关于内部减薄损伤系数，由式 (1) 计算壁厚减薄比例系数A_rt：

A_{r t} = \frac{C_{r, b m} \cdot A g e}{t_{r d i}}

(1)

式中，C_r，bm为设备基材的腐蚀速率，mm/a；t_rdi为最后一次检测壁厚，mm；Age为RBI评估日期与最后一次检验之间的时间间隔，a。

F S^{T h i n} = \frac{(Y S + T S) E \cdot 1.1}{2}

(2)

S R_{P}^{T h i n} = \frac{S \cdot E}{F S^{T h i n}} \cdot \frac{M a x (t_{m i n}, t_{c})}{t_{r d i}}

(3)

S R_{P}^{T h i n} = \frac{P \cdot D}{α \cdot F S^{T h i n} \cdot t_{r d i}}

(4)

式中，P为设计压力；D是内直径；TS为设备材料设计温度下抗拉强度；YS为设备材料设计压力下屈服强度；E焊接接头系数；S为设计温度下的许用应力；t_c设备最小的结构强度厚度；t_min按照设备设计制造标准计算的设备最小壁厚^[14,15]；FS^Thin为流变应力；当设备为圆筒体，α=2；如设备为球形，α=4；如设备为封头，α=1.13；SR_p^Thin为强度比参数，为式 (3) 和 (4) 计算中的最大值。

在内部减薄损伤系数的计算中定义的3种损伤状态如下：

损伤状态1：损伤不比预期的差，或设定预期腐蚀速率系数为1；损伤状态2：损伤比预期的稍差，或设定预期腐蚀速率系数为2；损伤状态3：损伤比预期严重得多，或设定预期腐蚀速率系数为4。3种损伤状态下检验有效性系数I₁^thin、I₂^thin、I₃^thin、3种损伤状态后验概率Po_p1^thin、Po_p2^thin、Po_p3^thin和3种损伤状态下可靠性指数β₁^thin、β₂^thin、β₃^thin计算如下：

损伤状态1：

\begin{array}{l} I_{1}^{t h i n} = P r_{p 1}^{t h i n} \cdot (C o_{p 1}^{t h i n})^{N_{A}^{T h i n}} \cdot (C o_{p 1}^{t h i n})^{N_{B}^{T h i n}} \cdot \\ (C o_{p 1}^{t h i n})^{N_{C}^{T h i n}} \cdot (C o_{p 1}^{t h i n})^{N_{D}^{T h i n}} \end{array}

(5)

P o_{p 1}^{t h i n} = \frac{I_{1}^{t h i n}}{I_{1}^{t h i n} + I_{2}^{t h i n} + I_{3}^{t h i n}}

(6)

\begin{array}{l} β_{1}^{t h i n} = (1 - D_{s 1} \cdot A_{r t} - S R_{p}^{T h i n}) \cdot [D_{s 1}^{2} \cdot A_{r t}^{2} \cdot C o v_{Δ t}^{2} + \\ (1 - D_{s 1} \cdot A_{r t})^{2} \cdot C O V_{s f}^{2} + (S R_{p}^{T h i n})^{2} \cdot C o v_{p}^{2}]^{-_{2}^{1}} \end{array}

(7)

损伤状态2：

\begin{array}{l} I_{2}^{t h i n} = P r_{p 2}^{t h i n} (C o_{p 2}^{t h i n})^{N_{A}^{T h i n}} (C o_{p 2}^{t h i n})^{N_{B}^{T h i n}} \\ (C o_{p 2}^{t h i n})^{N_{C}^{T h i n}} (C o_{p 2}^{t h i n})^{N_{D}^{T h i n}} \end{array}

(8)

P o_{p 2}^{t h i n} = \frac{I_{2}^{t h i n}}{I_{1}^{t h i n} + I_{2}^{t h i n} + I_{3}^{t h i n}}

(9)

\begin{array}{l} β_{2}^{t h i n} = (1 - D_{s 2} \cdot A_{r t} - S R_{p}^{T h i n}) \cdot [D_{s 2}^{2} \cdot A_{r t}^{2} \cdot C o v_{Δ t}^{2} + \\ (1 - D_{s 2} \cdot A_{r t})^{2} \cdot C O V_{s f}^{2} + (S R_{p}^{T h i n})^{2} \cdot {C o v_{p}^{2}]}^{- \frac{1}{2}} \end{array}

(10)

损伤状态3：

\begin{array}{l} I_{3}^{t h i n} = P r_{p 3}^{t h i n} (C o_{p 3}^{t h i n})^{N_{A}^{T h i n}} (C o_{p 3}^{t h i n})^{N_{B}^{T h i n}} \\ (C o_{p 3}^{t h i n})^{N_{C}^{T h i n}} (C o_{p 3}^{t h i n})^{N_{D}^{T h i n}} \end{array}

(11)

P o_{p 3}^{t h i n} = \frac{I_{3}^{t h i n}}{I_{1}^{t h i n} + I_{2}^{t h i n} + I_{3}^{t h i n}}

(12)

\begin{array}{l} β_{3}^{t h i n} = (1 - D_{s 3} \cdot A_{r t} - S R_{p}^{T h i n}) \cdot [D_{s 3}^{2} \cdot A_{r t}^{2} \cdot C o v_{Δ t}^{2} + \\ (1 - D_{s 3} \cdot A_{r t})^{2} \cdot C O V_{s f}^{2} + (S R_{p}^{T h i n})^{2} \cdot C o v_{p}^{2}]^{- \frac{1}{2}} \end{array}

(13)

式中，N_A^Thin、N_B^Thin、N_C^Thin、N_D^Thin为每一种检验有效性下的检验次数；Pr_p1^thin、Pr_p2^thin、Pr_p3^thin为3种损伤状态下的先验概率；Co_p1^thin、Co_p2^thin、Co_p3^thin为3种损伤状态下的条件概率；修正系数Cov_△t=0.2、Cov_sf=0.2、Cov_p=0.05、D_s1=1、D_s2=2、D_s3=4；A_rt为壁厚减薄比例系数；SR_p^Thin为强度比参数。

确定内部减薄 (thin) 基础损伤系数D_fb^thin如下：

\begin{array}{l} D_{f b}^{t h i n} = [(P o_{p 1}^{t h i n} ϕ (- β_{1}^{t h i n})) + P o_{p 2}^{t h i n} ϕ (- β_{2}^{t h i n}) + \\ P o_{p 3}^{t h i n} ϕ (- β_{3}^{t h i n})] \cdot (1.56 \times 10^{- 4})^{- \frac{1}{2}} \end{array}

(14)

式中， $ϕ$ 为标准正态累积分布函数。

内部减薄损伤系数D_f^thin如下：

D_{f}^{t h i n} = M a x [\frac{D_{f b}^{t h i n} \cdot F_{I P} \cdot F_{D L}}{F_{O M}}, 0.1]

(15)

式中，F_IP为注入点损伤系数修正因子；F_DL为盲管损伤系数修正因子；F_OM为在线监测修正因子。

针对外部暴露减薄损伤系数和保温层下减薄损伤系数，通过设备所处环境条件和操作温度来确定设备基材的腐蚀速率Cr_B^[2]，其他相关参数同由上述式 (1)~(13) 计算。

最终外部暴露减薄损伤系数D_f^ext见式 (16)，保温层下减薄 (CUIF) 损伤系数D_f^ext见式 (17)。

\begin{array}{l} D_{f}^{e x t} = [(P o_{p 1}^{e x t} ϕ (- β_{1}^{e x t})) + P o_{p 2}^{e x t} ϕ (- β_{2}^{e x t}) + \\ P o_{p 3}^{e x t} ϕ (- β_{3}^{e x t})] \cdot (1.56 \times 10^{- 4})^{- \frac{1}{2}} \end{array}

(16)

\begin{array}{l} D_{f}^{C U I F} = [(P o_{p 1}^{C U I F} ϕ (- β_{1}^{C U I F})) + P o_{p 2}^{C U I F} ϕ (- β_{2}^{C U I F}) + \\ P o_{p 3}^{C U I F} ϕ (- β_{3}^{C U I F})] \cdot (1.56 \times 10^{- 4})^{- \frac{1}{2}} \end{array}

(17)

根据设备内介质的H₂S含量、设备介质的操作温度、介质中Cl^-浓度、设备所处环境条件和pH值^[2]，确定严重度指数S_VI^[2]。通过最高检验有效性的检验次数和严重度指数S_VI，得到硫化物应力腐蚀开裂 (SSC) 基础损伤系数D_fB^SSC、硫化氢氢致开裂/硫化氢应力导向氢致腐蚀开裂 (HIC/SOHIC-H₂S) 基础损伤系数D_fb^HIC/SOHIC-H $_{2}$ ^S、氯化物应力腐蚀开裂 (CLSCC) 基础损伤系数D_fB^CLSCC、外部暴露氯应力腐蚀开裂 (External CLSCC) 基础损伤系数D_fB^ext-CLSCC和保温层下氯应力腐蚀开裂 (CUI CLSCC) 基础损伤系数D_fB^CUIF-CLSCC。

分别通过式 (18~22) 计算硫化物应力腐蚀开裂损伤系数D_f^SSC、H₂S氢致开裂/H₂S应力导向氢致腐蚀开裂损伤系数D_f^HIC/SOHIC-H $_{2}$ ^S、氯化物应力腐蚀开裂损伤系数D_f^CLSCC、外部暴露氯应力腐蚀开裂损伤系数D_f^ext-CLSCC和保温层下氯应力腐蚀开裂损伤系数D_f^CUIF-CLSCC。

D_{f}^{s s c} = D_{f B}^{s s c} \cdot {(M a x [A g e, 1])}^{1.1}

(18)

D_{f}^{H I C / S O H I C - H_{2} S} = \frac{D_{f b}^{H I C / S O H I C - H_{2} S} \cdot {(M a x [A g e, 1.0])}^{1.1}}{F_{O M}}

(19)

D_{f}^{C L S C C} = D_{f B}^{C L S C C} \cdot {(M a x [A g e, 1])}^{1.1}

(20)

D_{f}^{e x t - C L S C C} = D_{f B}^{e x t - C L S C C} \cdot {(M a x [A g e, 1])}^{1.1}

(21)

D_{f}^{C U I F - C L S C C} = D_{f B}^{C U I F - C L S C C} \cdot {(M a x [A g e, 1])}^{1.1}

(22)

式中，Age为RBI评估日期与最后一次检验之间的时间间隔，a；F_OM为在线监测调整因子。

由式 (23) 计算多损伤机理下的总体外部损伤系数D_f-gov^extd。

D_{f - g o v}^{e x t d} = M a x [D_{f}^{e x t}, D_{f}^{C U I F}, D_{f}^{e x t - C L S C C}, D_{f}^{C U I - C L S C C}]

(23)

由式 (24) 计算总体硫化物应力腐蚀开裂损伤系数D_f-gov^SSC。

D_{f - g o v}^{s s c} = M a x [D_{f}^{s s c}, D_{f}^{H I C / S O H I C - H_{2} S}, D_{f}^{C L S C C}]

(24)

当设备外部损伤和内部损伤为大面积损伤，则两种损伤可能发生在同一位置，由式 (25) 计算设备总体损伤系数D_f(t)。

D_{f} (t) = D_{f}^{t h i n} + D_{f - g o v}^{e x t d} + D_{f - g o v}^{s s c}

(25)

最终压力容器失效概率由式 (26) 计算。

P_{f} (t) = g f f \cdot D_{f} (t) \cdot F_{M S}

(26)

式中，P_f(t) 为设备失效概率；gff为指定类型设备通用失效概率，由相关数据库查询所得；F_MS为管理系数。

1.3 蚀后果分析

关于压力容器失效造成的直接经济后果，主要考虑以下5个部分。

由于设备本身失效需要进行检修或更换的成本FC_cmd；当设备失效后会对周围其他设备造成损伤，在检修或更换这些周围设备时造成的成本FC_affa；当设备失效损坏后，检修或更换这些设备会造成平台产量损失，这些产量损失的经济成本FC_prod；当设备失效可能导致设备周围的人员受到伤害，进而造成人员伤害成本FC_inj；设备失效可能造成介质泄露污染环境，需要投入成本用于治理受污染的环境，其环境清理成本为FC_environ。

2 结果与讨论

2.1 数据收集与筛选

中国海域FPSO上部设备生产分离器 (V-2001) 于2014年2月投用，2018年3月平台检验日对生产分离器进行了内外部检测。此次对生产分离器的检测方式为非开罐检测，且对怀疑区域的状态监测位置进行大于80%的超声波检测。

设备现场外部检测时，设备外涂层有大面积已经全部腐蚀，设备左封头腐蚀情况比右封头严重，且左封头检测壁厚小于右封头检测壁厚。考虑设备整体风险时，以设备最大的部件风险作为设备风险的原则，因此本研究主要分析生产分离器筒体和左封头的风险情况。结合设备所处海域环境条件和设备内部介质状况，推断设备内部大概率会有腐蚀，因此假设设备内部存在内涂层已全面腐蚀的区域。

基于API 581中检验有效性分类，认为2018年3月的现场检验方式有效性为B类。2019年9月开展设备风险研究工作，时间间隔Age=1.5 a。

对生产分离器的设计资料和现场检测记录数据进行分析与筛选，此次收集的生产分离器设计基础资料包括前述腐蚀风险研究所需的关键参数，如生产分离器尺寸和材料、设计压力和设计温度、焊接系数等。现场检测数据的分析与筛选包括生产分离器内介质及属性、现场操作温度和压力、保温层类型、设备所处环境条件和设备现场内外涂层腐蚀情况等，如表1~5所示。现场设备腐蚀情况见图2所示。

表1 生产分离器设计基础数据表[I]

Table 1 Design basic date sheet of production separator vessel[I]

Vessels ID	Vessel name	Inner diameter mm	Design Pressure MPa	Design temperature / ℃	Volume m³	As-Welded Max Brinnell Hardness MPa
V-2001A	Production separator vessel	3400	1.55	90	134	＜200

表2 生产分离器设计基础数据表[II]

Table 2 Design basic date sheet of production separator vessel[II]

Design thickness / mm(Cylinder /Head)	Corrosion allowance / mm	Vessel material	Sulfur Content of vessel material	E	t_min / MPa (Cylinder / Head)	TS/YS/S MPa
20/18	3	Q345R	0.004%	1.0	14.30/14.27	185/490/315

表3 生产分离器现场检测数据表[1]

Table 3 On-site inspection date sheet of production separator vessel[I]

Medium	Operating pressure / MPa	Operating temperature / ℃	Medium pH	Medium H₂S concentration / mg·L^-1	Medium Cl^-concentration / mg·L^-1
Oil, Gas, Water	1.0	38∼60	6.7∼7.2	72	768

表4 生产分离器现场检测数据表[II]

Table 4 On-site inspection date sheet of production separator vessel[II]

Insulation type

Online corrosion monitoring

Corrosion rate adjustment factor for insulation complexity

Corrosion rate adjustment factor for insulation condition

Vessel environment

Inside and outside coating condition

Mineral wool

Corrosion coupons

Average

Marine / Cooling

Tower drift area

Large area coating is no longer effective

表5 生产分离器现场检测数据表[III]

Table 5 On-site inspection date sheet of production separator vessel[III]

t_rd / mm (Cylinder / left head / right head)	F_IP/F_DL/F_OM/F_EQ/F_IF	Whether has experienced vibration failure	Level of vibration or noise around the Vessel	C_r,bm / mm·a^-1(Cylinder / Left head)	Method of the last inspection (simple description)
18.76/17.22/17.52	3/3/2/2/1	No	No	0.3/0.2	100% visual inspection, ＞75% non-destructive inspection

图2

图2 简体及封头的现场腐蚀情况图

Fig.2 Corrosion states of cylinder (a) and head (b) on site

2.2 风险分析结果

依据相关法规和标准^[14,15]，分析时间间隔Age=1.5 a (RBI Date)，生产分离器筒体和左封头失效概率计算结果分别如表6和7所示。

表6 生产分离器筒体失效概率计算结果

Table 6 Calculation results of POF for cylinder

Time			D_f^thin	D_f^SSC	D_f^HIC/SOHIC-H $_{2}$ ^S	D_f^CLSCC	D_f^ext	D_f^CUIF	D_f^ext-CLSCC	D_f^CUI-CLSCC	D_f(t)
t=0			8.65	1	0.5	50	1.92	1.92	1	5	63.65
RBI date (1.5)			11.93	1.56	0.78	78	2.58	2.63	1.56	7.8	11.93+55×t^1.1
t=2.5	A	[1,2.36]	14.45	2.74	1.37	21.92	2.56	2.57	2.74	2.74	17.02+8×t^1.1
	A	t≥2.36	14.45	2.74	1.37	21.92	2.56	2.57	2.74	2.74	14.45+9×t^1.1
	B	[1,1.26]	14.55	2.74	1.37	54.8	2.57	2.59	2.74	5.48	17.14+20×t^1.1
	B	t≥1.26	14.55	2.74	1.37	54.8	2.57	2.59	2.74	5.48	14.55+22×t^1.1
	C		14.72	2.74	1.37	137	2.57	2.62	2.74	13.7	14.72+55×t^1.1

表7 生产分离器左封头失效概率计算结果

Table 7 Calculation results of POF for left head

Time			D_f^thin	D_f^SSC	D_f^HIC/SOHIC-H $_{2}$ ^S	D_f^CLSCC	D_f^ext	D_f^CUIF	D_f^ext-CLSCC	D_f^CUI-CLSCC	D_f(t)
t=0			17.31	1	0.5	50	3.85	3.85	1	5	72.31
RBI date (1.5)			20.3	1.56	0.78	78	3.92	4.58	1.56	7.8	20.3+55×t^1.1
$t = 2.36$	A	[1,4.43]	20.2	2.57	1.29	20.56	4.5	5.14	2.57	2.57	25.34+8×t^1.1
	A	t≥4.43	20.2	2.57	1.29	20.56	4.5	5.14	2.57	2.57	20.2+9×t^1.1
	B	[1,2.38]	20.4	2.57	1.29	51.4	4.51	5.18	2.57	5.14	25.58+20×t^1.1
	B	t≥2.38	20.4	2.57	1.29	51.4	4.51	5.18	2.57	5.14	20.4+22×t^1.1
	C		20.62	2.57	1.29	128.5	4.53	5.24	2.57	12.85	20.62+55×t^1.1

关于生产分离器失效造成的经济后果，根据现场提供的相关数据和数值计算结果，维修或更换生产分离器成本、生产分离器失效影响其他设备的成本、停产造成的产量损失成本、造成的人员伤害成本和环境清理成本分别为30万美元、0、146万美元、0、1万美元。其中生产分离器与外部设备隔离，基本不会影响区域中其他设备和人员；生产分离器存在围堰，其失效不会造成海域污染，只需考虑生产分离器失效造成的围堰区域清理成本。生产分离器失效造成的总的经济后果为177万美元。

由风险可接受准则来判断风险等级，经济风险可接受准则推荐如表8所示^[16]。

表8 经济损失风险可接受准则

Table 8 Acceptable criteria for risk of economic loss

POF/a	10^-1~1				Significant
	10^-3~10^-1	Low	Medium	△	High
	10^-4~10^-3				High
	10^-6~10^-4
	＜10^-6
Economic losses $ / a		＜2×10⁴	2×10⁴~2×10⁵	2×10⁵~2×10⁶	2×10⁶~2×10⁷	＞2×10⁷

2.3 制定检验

左封头和筒体的失效概率随时间t的曲线分别为图3和4所示，业主制定的失效概率可接受值为5×10^-3。

图3

图3 左封头失效概率曲线

Fig.3 Curves of left head POF

图4

图4 筒体失效概率曲线

Fig.4 Curves of cylinder POF

当下一次检验日不确定并要求推导下一次检验日的情况：根据左封头失效概率曲线，建议在距最近一次检验时间间隔t₁=2.3时 (2020年8月左右) 对生产分离器进行检验，且根据此次检验有效性的类别，未来检验时间应在失效概率第二次到达5×10^-3的时间之前。

当下一次检验日期确定的情况：若概率第一次到达5×10^-3的时间t₁在确定的下一次检验日期之前，建议应在t₁时间前提前对设备执行检验，并确保执行检验后，未来失效概率第二次到达5×10^-3的时间t₂要大于确定的下一次检验日期。

3 结论

(1) 在海洋工程上部静设备领域，API 581的定量风险研究方法简便且易于工程应用，且能实现对风险的准确定量评估；由本研究所列的风险可接受矩阵，判定FPSO生产分离器目前风险等级为重大风险。

(2) 通过对FPSO生产分离器的研究，内部减薄损伤、氯化物应力腐蚀开裂损伤和保温层下氯应力腐蚀开裂损伤是设备损伤失效的主要原因。

(3) 生产分离器左封头风险作为设备风险，根据失效概率曲线制定检验周期，同时依据计算的损伤系数，对设备失效影响最大的损伤制定专项检验计划。

(4) 按照本研究介绍的方法对FPSO上所有静设备压力容器和管道进行风险研究，得到FPSO所有设备的风险等级排序，进而用于指导现场检验资源的合理配置。这将作为下一步的重点研究工作。

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