lngplant 위험도평가를위한rbi기술개발 · lngplant...

Plant Conference 2010This research was supported by a grant from the Gas Plant R&D Center funded by the Ministry of Land, Transportation and Maritime of Affairs(MLTM) of the Korean government.

LNG Plant 위험도 평가를 위한 RBI기술 개발

(Development of RBI Technology for Risk Assessment on

LNG Pla t)

2010 12 172010 12 17

LNG Plant)

2010. 12. 172010. 12. 17

최최 송송 천천

한 국한 국 가 스 안 전 공 사가 스 안 전 공 사

1제로 카본 그린홈 개발 1

가스안전연구원가스안전연구원

CContentsontentsCContentsontents

개요

사고현황

Risk의 정의

LNG Plant용 RBI기술개발 내용

결론

Introduction

i i i i i i i i i i• The possibilities of accidents owing to aging equipment have increased in

refinery, petrochemical and gas industries.

• Unanticipated accidents may cause significant social and economic losses• Unanticipated accidents may cause significant social and economic losses.

• To reduce the possibility of such incidents, maintenance activities such as

inspection, repair or replacement of aging equipment has to be carried out.p , p p g g q p

• Thus, a risk-based inspection (RBI) methodology for refinery, petrochemical

and gas plants should be established by the regulatory bodies.

Operating Error

Process Upset

20% MechanicalFailure41%

Half of knownHalf of known loss loss causes can be influenced causes can be influenced by inspectionby inspection

Half of knownHalf of known loss loss causes can be influenced causes can be influenced by inspectionby inspection

8%

Natural Hazard6%

D i EUnknown

18%

Design Error4% Sabotage/Aroson

3%

The cause classification of major industrial accidents

From M&M Protection ConsultantsFrom M&M Protection Consultants

Introduction - Accident

Gas Processing Plants

Accident Type유형 빈도

Fire 1

Explosion / Fire 220%

ypType Number

Explosion / Fire 2

Explosion 2

VCE 4

Vessel Rupture 1

40%

Total 10

10%

20%

10%

Fire Explosion / Fire Explosion VCE Vessel Rupture

2010 Plant Conference

Introduction - Accident

Gas Processing Plants

Property Lossesp y

18%

유형 $Fire $179,000,000

Explosion / Fire $318,000,000

Type

27% 34%

Explosion $208,000,000

VCE $390,000,000

Vessel Rupture $75,000,000

Total $ 1,170,000,000

15% 6%

Fire Explosion / Fire Explosion VCE Vessel Rupture


Introduction

Equipment Failure Category in Hydrocarbon-Chemical IndustryEquipment Failure Category in Hydrocarbon-Chemical Industry

Piping systems

-Abroad (1992-2001) From NBBI Annual Report

Tanks

Reactors

Ove 80% of the Eq i mentDrums

Pumps/Comp.

Over 80% of the Equipment- Caused by the Failure to Pressurized equipment

H/E

Towers

to Pressurized equipment

Heaters/Boilers

Others/Unknown

00 2020 2525 3030 35351515101055Number of Failures2010 Plant Conference

Introduction – Accident of Petrochemical Plant in Korea


Introduction – Accident of Refinery Plant in Korea

Fatigue and HTHAwith

Design ErrorDesign Error

23 11 O t 20 2003 h d i i23:11, Oct. 20, 2003, hydrogen piping of Refinery Plants in Korea



Extinguishing after Accident at Hydrogen Pipeline



Appearance after Extinguishing at Hydrogen Pipeline

Beach markBeach mark

Fatigue

Diagnosis ProcessDiagnosis Process

Fatigue

outsideDe-Carburization and Fissuring

Bulged Area

균열(내부에서 외부로 진전)균열(내부에서 외부로 진전)

insideCracking from inside to outside

HTHA

outside


Risk의 정의

LIKELIHOOD OF EVENTLoF

X CONSEQUENCECoF

=RISK

Generic FailureFrequency

GFF

Damage FactorDF

Injury ($)

Env. clean up ($)X

GFF

AgeDamage

M h i ( )Inspection

Item repair ($)

p ( )

Adjacent repairs ($)Age Mechanism(s)

& RatesEffectiveness Downtime ($)

TOTAL ($)


RBI (Risk-Based Inspection)

• The RBI methodology defines the risks of operating equipments as the

combination of two separate terms:

Risk = LOF (likelihood of failure) × COF (consequence of failure)- Risk = LOFs (likelihood of failure) × COFs (consequence of failure)

where, s means scenario number

• An effective risk based inspection activity results in reduced risk level for a

given inspection level.

• In an operating plant a relatively large percentage of the risk is usuallyIn an operating plant, a relatively large percentage of the risk is usually

associated with a small percentage of equipment.

•• A RBI methodology permits the shift of inspection and maintenance A RBI methodology permits the shift of inspection and maintenance

i i i i ii i i i iresources to provide a higher level of coverage on the high risk items and resources to provide a higher level of coverage on the high risk items and

an appropriate effort on lower risk equipmentan appropriate effort on lower risk equipment..

• For example, API 581 guideline

- Level 1 (Qualitative RBI)

Level 2 (Semi quantitative RBI)- Level 2 (Semi-quantitative RBI)

- Level 3 (Quantitative RBI)2010 Plant Conference

Steps of a Fully Integrated RBI system for InSteps of a Fully Integrated RBI system for In--Service Service in LNG Plantin LNG Plant

Plant Database

Risk Based Inspection

i l iInspection Planning

I ti R lt

QIP(Quality

Fitness For Ser ice

Inspection Result(Q y

ImprovementProcess)

ConsequenceConsequenceConsequenceConsequenceFitness For Service

Inspection Updating

Consequence Consequence factorfactor will carry more weight in determine total

Consequence Consequence factorfactor will carry more weight in determine totalInspection Updating

System Audit

determine total risk than will the Likelihood

t

determine total risk than will the Likelihood

tSystem Audit componentcomponent


LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용

LNG RBI• LNG-RBI– Web기반 LNG 플랜트 위험도평가 프로그램

• LNG 플랜트 시스템의 설비 및 배관망의 요소별 위험인자를 선정• 핵심계통별 안전지수를 선정• 핵심계통별 안전지수를 선정• 부품소재의 재료 물성 및 재료 열화정보 시스템을 탑재한 비파괴 평가 모듈 포함• LNG 프로세스 핵심기술인 액화공정에 대한 정량적 위험도평가 알고리즘 포함

– KGS-RBI 벤치마킹– API 581 RP 코드기반의 위험도평가(2009년 Code개정판)

• 특정 가압기기를 선정하고 이를 기반으로 파손평가를 제시– 저온 취성파괴를 고려한 RBI 평가 알고리즘 개발(진행중)

• 극저온에서 운영되는 재료의 일반적 파손확률 값과 재료물성에 따른 위험인자 및안전지수 선정 필요

• Cold box등 저온 취성파괴가 발생하는 기기들에 대한 평가 알고리즘 부재– 가상플랜트와 연계

• Damage factor와 가상플랜트의 연계– RAMS 기반의 안전성평가에 활용

• RAMS=RAM+위험도평가 기반의 Safety– 재료 및 공정의 안전관리를 위한 통합 클래스 코드 개발에 활용


LNG Plant RBI System 개발 총괄도

LNG-RBI System 설계

연구결과 요약

LNG-RBI

API RP 581 code에 근거하여 장치구성

Pressure Vessels and Piping

Atmospheric Storage Tank

Pressure Relief Devices

Heat Exchanger Tube Bundles

LNG Plant 장치이력 Database 설계

NDE 신뢰성 진단평가 관리 시스템 설계NDE 신뢰성 진단평가 관리 시스템 설계

후반기 연계 수행방안

기존의 RBI 프로그램을 이용하여 Test

Bed Train 1의 unit 중 선택하여 RBI

평가 및 Feed Back평가 및 Feed Back

LNG 플랜트 전용 RBI 프로그램에서의

각 장치별 위험성 확인

RBI 평가보고서 작성

15

<Concept and main window of LPMS>



VR based integrated design environment for LNG plantVR-based integrated design environment for LNG plant– LNG 플랜트 통합 설계환경 구축– Design management system– 지능형 RAM-RBI 평가/최적화 system

D b– Database management system

RAM LNG-RBI(Reliability Availability &Maintainability)

LNG RBI(Risk –Based Inspection)

• 향후 연계 수행방안– Test Bed Train 1 중 Unit 선택 RBI Pilot 평가– API BRD Code를 API 581RP Code로 변환 완료– Train 1 장치류 모델링 & DB화2010 Plant Conference

LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용 - LNG Plant RBI System

LNG-RBI System 설계

주요결과 요약

LNG-RBI Operation& Management

System 설계

Pressure Vessel의 Risk Based

Inspection 설계Inspection 설계

후반기 연계 수행방안

평가 대상항목 각각의 장치의 DB RBI

S/W에 Update.


LNG Plant용 RBI 기술 개발 상세내용

• API RP 581 코드 분석의 필요성• API RP 581 코드 분석의 필요성– API 581 BRD 코드를 반영한 KGS-RBI프로그램을 벤치마킹– LNG-RBI 프로그램은 API 581 RP 코드를 기준함– 기존 BRD코드와 RP코드의 차이점 분석에 대한 선행 연구 수행기존 와 의 차이점 분석에 대한 선행 연구 수행

• 파손 메커니즘 차이 분석• 파손 기준 분석• 평가 절차의 차이 분석

▲ Concept of development on LNG-RBI



• API 581 RP(Recommended Practice) Code (2009년 개정판)• API 581 RP(Recommended Practice) Code (2009년 개정판)– Recommended Practice 의 약자로 현장에서 보다 실용적으로 사용되도록 개선된 코드– RBI 기반의 검사 프로그램(inspection program)을 위한 절차 제시• BRD 코드와의 대표 차이점와의 대 차이점

– 특정 가압 기기를 선정하여 이를 기반으로 파손평가 제시– 파손 메커니즘 변경– POF(Probability of Failure) 계산법 변경– 계산 시 기본으로 요구되는 데이터 종류 변경– Damage factor 계산절차 변경

PoFProbability

of Failure

Case 1Case 1

Case 2Case 2

CoFConsequence

of

Case 3Case 3

Failure

RISK calculation Inspection planningFixed devices Pof, CoF calculation

I i l i API581 RP▲ Inspection planning on API581 RP



• 변경사항• 변경사항– 특정 가압 기기를 선정하여 이를 기반으로 파손평가 제시

• BRD 코드 : Failure mechanism만을 고려하여 risk calculation 절차 제시• RP 코드 : Device & Failure mechanism을 동시에 고려하여 risk calculation 절차 제시

Pressure vessel & Piping– Pressure vessel & Piping– Tank– Pressure relief device– Heat exchanger tube bundles

특정 가압기기 기반의 파손평가법 추가 및 연동특정 가압기기 기반의 파손평가법 추가 및 연동

20

▲ Failure mechanism based on fixed components



Failure mechanism 변경 (API RP 581 Code기반)– Failure mechanism 변경 (API RP 581 Code기반)• API 581 BRD Code 에서 제시되었던 failure mechanism의 이름 변경, 카테고리 변경 및 삭제

변경된 파손 메커니즘에 따른 평가 흐름 수정

Thinning

Equipment lining

Thinning

Component lining

SCC-Caustic cracking

SCC-Amine crackingq p g

SCC

SCC Amine cracking

SCC-Surfide stress cracking

SCC-HIC/SOHIC-H2S

SCC-Carbonate cracking

SCC PTA crackingHTHA

Furnace tube(삭제됨)

HTHA

SCC-PTA cracking

SCC-CLSCC

SCC-HSC-HF

SCC-HIC/SOHIC-HF

Brittle fracture

External damage

HTHA

Brittle fractureTemper embrittlement

885 EmbrittlementSigma phase embrittlement

External corrosion-Ferritic componentExternal damage

Mechanical fatigue(piping only)

Piping mechanical fatigue

External corrosion Ferritic component

CUI-Ferritic component

External CLSCC-Austenitic component

External CUI CLSCC-Austenitic component

21

Piping mechanical fatigue

▲ Difference on Failure mechanism



POF(Probability of Failure) 계산법 변경– POF(Probability of Failure) 계산법 변경• 장비에 따라 계산절차 분리: Pressure vessels & pipes, Atmospheric storage tanks/ Pressure relief

devices(RP)• 계산변수 및 기준 변경• Equipment Modification Factor FE(BRD)• Equipment Modification Factor, FE(BRD)

– 플랜트 내 장비의 파손빈도에 가장 영향을 주는 요소들을 고려한 수정계수– API581 BRD Appendix 부분에 Technical module sub-factor 계산법 제시

• Damage factor, Df: BRD의 Technical Module Sub-Factor(TMSF)의 개념 대체

TMSF 개념을 DF로 대체하며, 이에 따른 세부 계산법 수정

F F F F

API 581 BRD Code

adjusted generic E MFrequency Frequency F F= ⋅ ⋅

( ) ( )f f M SP t g ff D t F= ⋅ ⋅

API RP 581 Code

RP prd

▲ Difference on POD calculation

RP , , ,prd

f j fod j j f jP P DR P= ⋅ ⋅



계산 시 기본으로 요구되는 데이터 종류 변경– 계산 시 기본으로 요구되는 데이터 종류 변경• 공통으로 필요한 정보(basic data)와 파손기구 별 필요한 정보(required data)로 나뉘어짐에 따라 필요

정보의 양 증가

모든 파손평가에 필요한 Basic data와 메커니즘 별 required data로 분리하여 계산연계 필요

API581 RP code

Basic data

Start date Design Code

API581 BRD code

Basic Data

Material of Construction

g

Thickness, mm[in] Equipment Type

Corrosion Allowance, mm[in] Component Type

Design pressure, MPa [psi] Component Geometry DataMaterial of Construction

Heat Treatment Condition of C1/2Mo

Hydrogen Partial Pressure (kgf/cm2)

Temperature (degrees Kelvin = °K)

g p [p ] p y

Design Temperature, °C[°F] Material Specification

Operating Pressure MPa [psi] Weld Joint Efficiency

Operating Temperature, °C[°F] Heat Tracing

Time (hours) Required data

Heat Treatment Condition of C-1/2Mo

Hydrogen Partial Pressure (kgf/cm2)

p g p g

Temperature (degrees Kelvin = °K)

Age (hours)

Inspection Effectiveness Category

Number of InspectionsNumber of Inspections

▲ Example of difference on required data



Damage factor 계산절차 변경– Damage factor 계산절차 변경• 각 파손 메카니 즘 별로 사용되는 변수, 계산 시 필요 정보의 양, 계산 기준, 계산 순서 등이 변경• Step by step의 계산으로 한 단계가 완료되지 않으면 계산이 진행되지 않음

D t li t 에서 t b t 의 데이터 처리로 변경Data pooling system에서 step by step의 데이터 처리로 변경

▲ Example of difference on calculation procedure



LNG RBI 시스템 구조• LNG-RBI 시스템 구조– 3-계층 구조

• User interface layer : GUI(graphic user interface)• Application layer : Business logic 처리Application layer : Business logic 처리• Database layer : Data 저장 및 가져오기

User Interface layer

Application layer

Request the

HTML, Javascript, AJAXXVL Player

Actions services logic(PHP)

Serve each pageto the browser

qManagement page <Web page>

LNG RBI logic(PHP)

to the browser

<3D models>

(PHP)

Database layerMaterial property &

Equipments &Inspection history

etc.



LNG RBI 프로그램 수행 순서• LNG-RBI 프로그램 수행 순서– Project 선택 정성적 RBI 수행– Project 선택 기기 선택 준정량적/정량적 RBI 수행

[정성적 RBI] [준정량적 RBI] [정량적 RBI][정성적 RBI] [준정량적 RBI] [정량적 RBI]

▲ Main window and sub-windows of LNG-RBI



• 정량적 RBI 프로그램의 구조• 정량적 RBI 프로그램의 구조– 각 Damage factor 계산 모듈 별 색상을 지정



Damage factor 계산 모듈– Damage factor 계산 모듈• 공정 및 부품요소들에 대한 주요 파손기구 분석 후 컬러링 개념 도입• 취성파괴의 경우 저온 취성을 고려할 수 있는 가중치 함수 개발 예정

[External damage] [Brittle fracture] [SCC] [Thinning]

[HTHA] [F ti ] [Li i ][HTHA] [Fatigue] [Lining]


LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용 – 정성적 위험성 평가

• 정성적 RBI 프로그램• 정성적 RBI 프로그램– Likelyhood category, damage consequence, health consequence로 구성

Click


LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용 – 준정량적 위험성 평가

Semi quantitative RBI– Semi-quantitative RBI

Click

메모장

▲ Equipment data

유체의 조성비율 입력검사한 내역을 입력/확인하는 창

유체의 조성비율 입력

입력된 결과를 요약

▲ Likelihood analysis ▲ Consequence analysis

입력된 결과를 요약마지막 검사 데이터 확인


LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용 – 정량적 위험성 평가

Quantitative RBIQuantitative RBI–– Quantitative RBIQuantitative RBI

Click

▲ Equipment dataq p▲ Likelihood analysis

▲ Consequence/Risk analysis ▲ Financial risk2010 Plant Conference

LNG Plant용 RBI 기술 개발 내용 – Data Base

Material DB• Material DB– 극저온에서의 재료물성치 계산 모듈

• Young’s modulus• Specific heatSpecific heat• Thermal conductivity• Linear expansion

– 재료• Stainless steel• Aluminum alloy• Nikel-steel

• Document DB– 운영 및 안전성평가와 관련된 문서



주요결과 요약

NDE Reliability Matrix

Probability of Detection for UT Equation of PODLNG Plant 주요 설비 Database 조사

NDE 신뢰성 진단평가 항목 조사∫Ω=s

dsssP sD )()( ζθ

Probability of Detection for UT Equation of POD

)(sθ : The rate of detection

POD Grade

1 Less than 0.6

2 0.6~0.7

3 0.7~0.75

4 0.75~0.82

5 Over 0.82Inspection

Category

Inspection Eff

ectiveness Cat

egory

NDE Inspection Example

Inspection effectiveness(API581))(sζ : probability density function

후반기 연계 수행방안Inspection Method

RT UT MT

Inspection Effectiveness

Base on API 581 Code

AHighly

Effective

Shear wave ultrasonic testing of 25-

100% of weld/cold bend; or Radiogr

aphic testing of 50-100% of weld/co

ld bends

Usually

Shear wave ultrasonic testing of 10-

24% of weld/cold bend; or Radiogra

Reliability Matrix

Test Bed Train1의 PFD와 P&ID 참조

후 LNG-RBI Inventory 설정

RT UT MT

ECT PT AE

Five Effectiveness categories

Damage type

POD

General Examination

NDE InspectionDiagnosisReliability A

Biven

ess

BUsually

Effective

24% of weld/cold bend; or Radiogra

phic testing of 25-49% of weld/cold

bends

CFairly

Effective

Shear wave ultrasonic testing of less

than 10% of weld/cold bend; or Rad

iographic testing of less than 25% of General Examination System Requirements

Procedure Requirements

Qualification Requirements

⊙

Probability of detection(POD)54321

B

C

D

EInsp

ecti

on E

ffec

ti

Low

Medium

Medium High

High

weld/cold bends

DPoorly

EffectiveVisual inspection for leaks

E Ineffective No inspection


결론

적용기술 상세

LNG RBI 모듈 구현 • ERP Server 구축RTDB RDBMS RBM 기본

핵심 Point

적용방법

• RTDB, RDBMS, RBM 기본플랫폼 구축 •LNG-RBI 플랜트 안전관리 및 위험관리의 만능이

아님을 인식

•인적 오류, 자연재해, 설계오류, 샘플검사의한계점등을 충분히 고려해야 함한계점등을 충분히 고려해야 함

•RBI는 장치의 압력이 부가되는 부분에만 적용가능(제어시스템, 전기시스템, 구조물 시스템, 기계부품 적용 안됨)

적용방법적용방법

• LNG Plant Test Bed의 RBI 평가 후위험등급에 따른 검사 관리주기 설정

LNG Plant 장치별 위험등급 산정장치수명의 비율에 따른 검사기간열화속도에 따른 내부검사 시기공정환경 유기균열과 관련된 열화기구에 대한내부검사안전성 평가를 위한 법적 지원안전성 평가를 위한 법적 지원LNG Plant 통합 위험도 평가 Code개발

2010 Plant Conference 34This research was supported by a grant from the Gas Plant R&D Center funded by the Ministry of Land, Transportation and Maritime of Affairs(MLTM) of the Korean government.

lngplant 위험도평가를위한rbi기술개발 · lngplant...

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