基于RBI技術(shù)的石油化工壓力管道檢測系統(tǒng)研究

郭紹強(qiáng) 張于寶(中國石油化工股份有限公司荊門分公司，湖北 荊門 448002)

0 引言

石油化工生產(chǎn)工況非常復(fù)雜，壓力管道長期運(yùn)行于高溫、高壓、高腐蝕的條件下，可能出現(xiàn)腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化、機(jī)械損耗、疲勞等各類質(zhì)量缺陷，損傷或失效嚴(yán)重威脅到壓力管道的安全運(yùn)行，因此需要通過基于風(fēng)險的風(fēng)險檢驗(yàn)技術(shù)，對壓力管道運(yùn)行狀況做有效檢驗(yàn)與監(jiān)控。RBI技術(shù)用于特種設(shè)備的風(fēng)險評估及管理優(yōu)化，具備較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，得到石化行業(yè)壓力管道檢驗(yàn)的重點(diǎn)關(guān)注。

1 RBI技術(shù)簡介

RBI技術(shù)即基于風(fēng)險的檢驗(yàn)技術(shù)，檢驗(yàn)檢測過程依次經(jīng)歷風(fēng)險識別、失效概率評估、失效后果評價、風(fēng)險量化計算、風(fēng)險排序、風(fēng)險再評估等環(huán)節(jié)。技術(shù)實(shí)踐過程，全面采集特種設(shè)備運(yùn)行有關(guān)信息，以粗略定位到失效設(shè)備，對其制造材料、運(yùn)行環(huán)境等做分析評價，找出其失效機(jī)理并預(yù)估失效可能造成的后果，然后再依照企業(yè)生產(chǎn)實(shí)況進(jìn)行影響要素的適當(dāng)調(diào)整，由高到低做風(fēng)險排序形成風(fēng)險矩陣。在明確設(shè)備風(fēng)險等級后，可針對性設(shè)計風(fēng)險防控方案，如檢驗(yàn)方案、檢修周期等，以有效降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險發(fā)生的可能。

RBI風(fēng)險檢驗(yàn)的技術(shù)原理為：基于設(shè)備失效機(jī)理、可能性高低及影響程度，劃定風(fēng)險等級，從而科學(xué)選取檢驗(yàn)周期、范圍及方式，形成最佳維保計劃。RBI風(fēng)險檢驗(yàn)系統(tǒng)中，風(fēng)險衡量指標(biāo)主要為設(shè)備失效可能性及失效后果的嚴(yán)重性[1]。設(shè)備風(fēng)險可用公式表示為：R=P0F·C0F，其中字母R、P0F、C0F分別表示風(fēng)險、失效可能性及失效后果。其中，失效可能性被分為頻繁、經(jīng)常、可能、不可能和非常不可能5個級別，冠以數(shù)字5～1。失效后果主要有火災(zāi)、爆炸、毒性等，同樣劃分為不嚴(yán)重、不太嚴(yán)重、一般、比較嚴(yán)重和非常嚴(yán)重5個級別，采用字母A～E代替。設(shè)備失效可能性及后果可構(gòu)成風(fēng)險矩陣，在該矩陣中，左下至右上風(fēng)險等級逐漸提升，對應(yīng)低、中、中高和高4個等級。在壓力管道檢驗(yàn)檢測中，依照檢測結(jié)果在風(fēng)險矩陣中的位置即可選出最佳的風(fēng)險防控方案。例如，若設(shè)備處于高風(fēng)險模塊，需立即進(jìn)行停工檢查；若為低風(fēng)險模塊，可適當(dāng)延長檢驗(yàn)周期。

2 RBI技術(shù)在壓力管道檢驗(yàn)檢測中的應(yīng)用

2.1 主要步驟

2.1.1 模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)可靠性指的是既定時間段及條件下，安全性、耐久性等屬性的實(shí)現(xiàn)程度，可通過可靠度進(jìn)行衡量。以Pf表示結(jié)構(gòu)失效概率，有聯(lián)合分布密度函數(shù)fx(1,2,…,n)(x1,x2,…,xn)，可得到結(jié)構(gòu)失效概率表達(dá)式：

基于該式可進(jìn)行失效概率的精確求解。實(shí)際工作中，可靠度分析中常同時出現(xiàn)多個隨機(jī)變量，功能函數(shù)可能為非線性，若直接求解會帶來更大的計算難度，因此需采用近似數(shù)值方法進(jìn)行計算。設(shè)綜合作用效應(yīng)隨機(jī)變量為S，均值為μR，綜合抗力隨機(jī)變量為R，均值為μS，且兩隨機(jī)變量均為正態(tài)分布，有結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-S，均值μZ=μR-μS，方差進(jìn)而可得到概率密度函數(shù)令引入標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)變量可得到失效概率計算公式為：

以上計算模型中，β與Pf之間為一一對應(yīng)，在可靠性評估中，二者均可被用作可靠指標(biāo)。引入安全系數(shù)n=r/s，得到可靠指標(biāo)的計算公式為：

2.1.2 風(fēng)險評估

石油化工壓力管道檢驗(yàn)中，引入RBI技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險定性分析，以找出需做進(jìn)一步分析的指標(biāo)再進(jìn)行定量分析。為得出更可靠的壓力管道風(fēng)險檢測結(jié)果，引入可靠度理論進(jìn)行特種設(shè)備失效概率的計算，并對設(shè)備后期運(yùn)行失效的概率做準(zhǔn)確預(yù)估。壓力管道檢測風(fēng)險評估完成后，充分規(guī)劃管道維護(hù)資源。風(fēng)險評估的具體流程為分析設(shè)備劃定-操作條件設(shè)置-失效原因判斷-失效概率計算及剩余使用壽命預(yù)估-RBI定性分析-風(fēng)險判斷-RBI定量計算-風(fēng)險評價-審核校正。

2.1.3 概率計算

壓力管道失效概率計算過程可適當(dāng)參考同類設(shè)備的計算結(jié)果，經(jīng)修正處理后，以管道設(shè)計使用年限及目前使用年數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行RBI評價，同時完成管道安全系數(shù)及可靠度的計算，得到最終的失效概率。

以儲罐設(shè)備失效概率計算為例。該儲罐設(shè)計強(qiáng)度為420MPa，壁厚10mm，初始結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力為140MPa，儲罐運(yùn)行中，其泄漏及失效的原因主要為內(nèi)部腐蝕，強(qiáng)度及應(yīng)力異變系數(shù)分別在0.12和0.15?，F(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)該儲罐腐蝕速率在0.1mm/a，不計維護(hù)保養(yǎng)計算其失效概率，發(fā)現(xiàn)初始狀態(tài)其安全系數(shù)為3，可靠指標(biāo)為5.13。通過專業(yè)RBI評估軟件計算其失效概率為1.5×10-7。同理可計算儲罐在不同使用年限的失效概率及可靠指標(biāo)。

2.2 案例分析

2.2.1 背景簡介

某石化企業(yè)對重油催化裝置系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險檢測，其中包括壓力管道265條，檢測長度在12km。管道內(nèi)輸送介質(zhì)主要為空氣、瓦斯、汽油、柴油等。本次檢測活動開展于2019年，待檢測設(shè)備中，最早投產(chǎn)年限為1999年，最晚為2015年，投產(chǎn)時間跨度加大，部分管道設(shè)備已使用較長時間。該裝置系統(tǒng)內(nèi)的壓力管道管材多為20#號鋼及Q235A，大多數(shù)管道的壓力在3.0MPa以內(nèi)，但存在較多的高溫管道。該套重油催化裝置運(yùn)行過程中，并未發(fā)生較大安全事故，但隨著部分管道設(shè)備使用壽命的鄰近，不排除突發(fā)安全故障的可能，因此需要做全面的安全風(fēng)險檢測。

2.2.2 檢測方案

(1)資料收集。采集該裝置系統(tǒng)內(nèi)各壓力管道及設(shè)備各類有關(guān)信息。①技術(shù)資料，包括管理臺賬、竣工圖紙、質(zhì)量說明書、材料檢測報告等。②工藝資料，如操作說明、維護(hù)手冊、PFD流程圖、物料平衡表等。③維護(hù)資料，如管道及設(shè)備檢修維護(hù)記錄、零部件更換記錄、系統(tǒng)技術(shù)改造記錄等。④腐蝕資料，如系統(tǒng)投產(chǎn)過程中產(chǎn)生的腐蝕檢測報告、現(xiàn)場技術(shù)檢測結(jié)果等。注意資料收集過程應(yīng)確保所獲取資料信息的完整性和準(zhǔn)確性。

(2)失效機(jī)理。RBI評估中，壓力管道失效可能性及失效后果均被劃分為5個等級，利用RBI分析軟件進(jìn)行風(fēng)險評估，可得到該系統(tǒng)壓力管道的風(fēng)險分布矩陣，發(fā)現(xiàn)在265條目標(biāo)管道中，高風(fēng)險管道數(shù)為0，中高風(fēng)險管道數(shù)為32、中風(fēng)險管道數(shù)為120、低風(fēng)險管道數(shù)為114。

該裝置系統(tǒng)內(nèi)，壓力管道的損傷模式主要是腐蝕和壁厚變薄，主要失效機(jī)理為大氣腐蝕、保溫層下腐蝕及不明腐蝕。當(dāng)以回?zé)捰?、油漿等物質(zhì)為傳輸介質(zhì)時，管道失效機(jī)理為高溫酸腐蝕，主要是由于以上物質(zhì)中均存有一定的活性硫化物成分，在高溫條件下，環(huán)烷酸與硫化物之間發(fā)生相互腐蝕，使得管道腐蝕進(jìn)一步加劇，進(jìn)而導(dǎo)致此類管道的風(fēng)險評級較高。

(3)檢測方案?？茖W(xué)設(shè)計管道檢測方案是確保檢測結(jié)果可靠基礎(chǔ)，具體檢測工作的開展需遵照如下原則：第一，依照失效機(jī)理劃定缺陷類型；第二，依照受損位置劃定檢測位置；第三，依照待檢測缺陷的類型適當(dāng)選取檢測方式；第四，方案設(shè)計同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性。該系統(tǒng)內(nèi)并未出現(xiàn)高風(fēng)險壓力管道，因此依照一般保守程度劃定檢測范圍，其中，中高風(fēng)險管道的檢測范圍≥50%；中風(fēng)險管道檢測范圍≥30%，低風(fēng)險管道檢測范圍≥10%[3]。對于傳輸介質(zhì)為回?zé)捰秃陀蜐{的兩類管道，因其運(yùn)行情況特殊，決定將檢測范圍分別提高至≥60%和≥80%。

在具體檢測方法的選擇上中風(fēng)險及中高風(fēng)險等級的管道采用中度及以上有效的檢測方法，低風(fēng)險等級管道則采用低度及以上有效的檢測方法，常見檢測方法包括超聲波壁厚測量、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線成像檢測、導(dǎo)波檢測、漏磁檢測等，系統(tǒng)內(nèi)全部管道均開展宏觀檢查。

(4)現(xiàn)場檢測。壓力管道宏觀檢查內(nèi)容有外部腐蝕、泄漏檢測、防腐層檢測、變形檢測、支吊架檢測等，觀察并記錄系統(tǒng)內(nèi)各類管線的運(yùn)行狀態(tài)，查看其外觀有無腐蝕、破損、漏油等問題，重點(diǎn)關(guān)注閥門節(jié)點(diǎn)。除宏觀檢查外，進(jìn)行管道壁厚測量，測量對象包括彎頭、支管連接節(jié)點(diǎn)、異徑管及經(jīng)過質(zhì)量處理的管道，檢測過程中未發(fā)現(xiàn)管壁厚度異常情況。

依照RBI系統(tǒng)給出的失效機(jī)理及檢測方案，結(jié)合管道實(shí)際運(yùn)行位置及條件，對富氣管、液化氣管、汽油管等做MT檢測，同樣未發(fā)現(xiàn)顯著質(zhì)量缺陷。重油催化裝置系統(tǒng)各管線內(nèi)傳輸介質(zhì)非常復(fù)雜，對射線檢測結(jié)果干擾性較強(qiáng)，因此決定僅在液化氣管和干氣管的焊縫進(jìn)行抽檢，各道焊縫從不同方位進(jìn)行射線掃描，獲取6張圖像。在被抽檢的25道焊縫中，有6道存在焊接程度不足的問題，8道焊縫存在圓形缺陷，5道焊縫存在條形缺陷。

(5) RBI再評估。將系統(tǒng)管道檢測結(jié)果及有關(guān)信息輸入到RBI系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，并以本次檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，預(yù)估2022年系統(tǒng)管道風(fēng)險發(fā)生情況，預(yù)估結(jié)果為：高風(fēng)險管道數(shù)為0、中高風(fēng)險管道數(shù)為38、中風(fēng)險管道數(shù)為127、低風(fēng)險管道數(shù)為101。對比發(fā)現(xiàn)，中高風(fēng)險及中風(fēng)險管道分別增加6條和7條，低風(fēng)險管道減少13條，仍未出現(xiàn)高風(fēng)險管道。從整體上看，該系統(tǒng)壓力管道的質(zhì)量風(fēng)險變化幅度不大，處于合理范圍。

2.2.3 效益評估

采用如上方案評估重油催化裝置系統(tǒng)壓力管道安全風(fēng)險等級，并采取對應(yīng)措施進(jìn)行處理，綜合分析風(fēng)險檢測的經(jīng)濟(jì)效益水平。

RBI評估檢驗(yàn)費(fèi)用開支主要用于風(fēng)險評估、現(xiàn)場檢驗(yàn)檢測和輔助工程，其中，評估與檢測費(fèi)用總和與其他常規(guī)檢測方案基本一致，輔助工程包括腳手架安裝、保溫設(shè)備拆裝等，可降低工作量約70%。經(jīng)綜合計算，本次檢測總費(fèi)用在298萬元，并幫助節(jié)約輔助工程費(fèi)用108.5萬元。另外，RBI檢測過程少涉及停工操作，相較于傳統(tǒng)離線檢測方案，因未停工導(dǎo)致裝置系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益增加3232萬元。從以上數(shù)據(jù)足以看出RBI技術(shù)在石化企業(yè)壓力管道檢測中的優(yōu)勢性。

3 結(jié)語

RBI技術(shù)可對石油化工壓力管道安全風(fēng)險同時做定性和定量分析，以準(zhǔn)確了解各類管道及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，評估其可靠性及風(fēng)險等級，進(jìn)而制定合理的維護(hù)方案，及時將安全風(fēng)險消除。通過壓力管道檢測項目驗(yàn)證，相較于常規(guī)檢測方案，RBI檢測在全面性、精確性及經(jīng)濟(jì)性方面均占明顯優(yōu)勢，為一項綜合性較高的管道在線監(jiān)測技術(shù)，值得大面積推廣。