基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)在地面常壓儲(chǔ)罐群中的應(yīng)用*

張子健 沈建民 王紅源 吳蒙蒙 楊 福

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

0 引言

地面常壓儲(chǔ)罐 （以下簡(jiǎn)稱儲(chǔ)罐）廣泛地應(yīng)用于石油儲(chǔ)備、煉油和化工行業(yè)，儲(chǔ)存的多為易燃、易爆、有毒以及腐蝕性介質(zhì)。一旦儲(chǔ)罐底板或壁板發(fā)生泄漏，就會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，甚至造成重大人員傷亡，因此對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行科學(xué)的管理和有針對(duì)性的檢測(cè)就顯得十分重要[1-2]。

傳統(tǒng)的定期檢驗(yàn)主要是從儲(chǔ)罐完整性的角度考慮[3]。在確定檢驗(yàn)周期時(shí)，外部檢驗(yàn)周期通常不超過(guò)5年，開(kāi)罐檢驗(yàn)從儲(chǔ)罐開(kāi)始運(yùn)行到儲(chǔ)罐首次檢驗(yàn)的周期不超過(guò)10年，之后的檢驗(yàn)周期則可根據(jù)腐蝕速率和底板最小厚度來(lái)確定[4]。傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法存在重點(diǎn)不突出、檢驗(yàn)資源分配不合理等問(wèn)題。

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn) （risk-based inspection，RBI）技術(shù)是在追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的一種優(yōu)化檢驗(yàn)策略的方法[5]。RBI技術(shù)通過(guò)識(shí)別設(shè)備的損傷機(jī)理來(lái)確定失效可能性，通過(guò)計(jì)算介質(zhì)泄漏造成的環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失來(lái)確定失效后果，通過(guò)失效可能性和失效后果來(lái)確定設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)大小來(lái)篩選設(shè)備，從而可以合理地配置檢驗(yàn)資源，為企業(yè)節(jié)約成本[6-7]。

1 儲(chǔ)罐RBI技術(shù)簡(jiǎn)介

儲(chǔ)罐RBI技術(shù)是對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行損傷機(jī)理分析和風(fēng)險(xiǎn)的定量計(jì)算，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的大小以及檢驗(yàn)的有效性來(lái)確定儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)策略。儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)（R）大小一般由失效概率（F）和失效后果（C）兩部分決定，如式（1）所示：

通用失效頻率是對(duì)大量不同服役年限儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后調(diào)查而得出的數(shù)據(jù)。損傷因子是考慮到儲(chǔ)存介質(zhì)、材料、溫度、使用年限、腐蝕速率、原始壁厚不同等情況，對(duì)通用失效頻率進(jìn)行修正得到的針對(duì)每個(gè)不同儲(chǔ)罐的、特定的失效概率，損傷因子計(jì)算的重點(diǎn)是底板、壁板的內(nèi)外部腐蝕速率。儲(chǔ)罐的失效后果通常只考慮泄漏或破裂造成的經(jīng)濟(jì)后果，不考慮燃燒、爆炸和中毒后果。

不同的失效概率等級(jí) （1～5級(jí)）和不同的失效后果等級(jí) （A～E級(jí)）可以在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣中確定一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可采取不同的檢驗(yàn)策略。

儲(chǔ)罐的RBI評(píng)估一般只對(duì)壁板和底板進(jìn)行評(píng)價(jià)，不對(duì)頂板進(jìn)行評(píng)價(jià)。壁板和底板單獨(dú)作為一個(gè)單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，取其中風(fēng)險(xiǎn)值較高的一項(xiàng)作為整個(gè)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)值。在制定檢驗(yàn)策略時(shí)，壁板和底板應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行考慮。

2 RBI技術(shù)在儲(chǔ)罐群中的應(yīng)用

2.1 儲(chǔ)罐群概況

本次評(píng)估的范圍是某化工企業(yè)裝置中包含的21臺(tái)儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的基本情況見(jiàn)表1。

為確保“雙聯(lián)”工作扎實(shí)開(kāi)展，常委會(huì)在4月份召開(kāi)了全縣“雙聯(lián)”工作推進(jìn)會(huì)，并研究制定了“雙聯(lián)”工作意見(jiàn)建議辦理流程，對(duì)人大代表在“雙聯(lián)”工作中收集到的意見(jiàn)建議實(shí)行分類辦理機(jī)制。今年以來(lái)，全縣各級(jí)人大代表充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，認(rèn)真盡責(zé)履職，積極投身新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、鄉(xiāng)村振興、環(huán)保治理、精準(zhǔn)扶貧的主戰(zhàn)場(chǎng)，全縣各人大代表民情聯(lián)絡(luò)站點(diǎn)共接待群眾600余人次，在聯(lián)系群眾、匯聚民意、服務(wù)發(fā)展等方面切實(shí)發(fā)揮了重要作用。

表1 某裝置中儲(chǔ)罐信息

2.2 損傷機(jī)理分析

參考API RP 571-2003《影響煉油工業(yè)固定設(shè)備的損傷機(jī)理》相關(guān)章節(jié)，本次評(píng)估的21臺(tái)儲(chǔ)罐存在的損傷機(jī)理主要包括大氣腐蝕 （無(wú)隔熱層）、層下腐蝕 （CUI）、土壤腐蝕、微生物腐蝕、介質(zhì)側(cè)腐蝕。

2.2.1 大氣腐蝕 （無(wú)隔熱層）

大氣腐蝕 （無(wú)隔熱層）是在未敷設(shè)保溫層的儲(chǔ)罐外壁和儲(chǔ)罐內(nèi)部無(wú)介質(zhì)接觸的內(nèi)壁所發(fā)生的鋼鐵吸氧腐蝕，屬于原電池腐蝕的一種，總反應(yīng)方程式為：

影響大氣腐蝕 （無(wú)隔熱層）的因素很多，主要包括儲(chǔ)罐安裝地的氣候環(huán)境 （濕度）、操作溫度、大氣成分以及表面涂層質(zhì)量等。

2.2.2 層下腐蝕

層下腐蝕 （CUI）是因?yàn)楸貙硬牧吓c罐體表面金屬之間存在空隙，空隙的存在就為聚水提供了較大的可能性。水的來(lái)源比較廣泛，可能是保溫層破損后雨水的聚集，冷卻水的噴淋，蒸汽伴熱管泄漏冷凝等。CUI在50～90℃時(shí)腐蝕速率最大。保溫層出現(xiàn)破損時(shí)，CUI對(duì)罐體的腐蝕危害性較大。對(duì)于碳鋼儲(chǔ)罐主要破壞形式為局部腐蝕減薄；對(duì)于奧氏體不銹鋼儲(chǔ)罐主要破壞形式為氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，氯離子主要來(lái)源于大氣或者保溫層材料本身。

2.2.3 土壤腐蝕

土壤腐蝕是由于罐底板接觸到土壤時(shí)發(fā)生的腐蝕。土壤中含有水分、氧氣和各種無(wú)機(jī)鹽，可導(dǎo)致罐底板和土壤之間形成電化學(xué)腐蝕。腐蝕形態(tài)多為局部腐蝕甚至穿孔，腐蝕的嚴(yán)重性取決于土壤的屬性和罐底板材料的屬性。土壤腐蝕速率與一些因素有密切關(guān)系，主要包括土壤電阻率、陰極保護(hù)、罐座基礎(chǔ)、排水系統(tǒng)、土壤含水量、溫度等。在儲(chǔ)罐RBI計(jì)算過(guò)程中，均對(duì)以上因素進(jìn)行了綜合考慮。

2.2.4 微生物腐蝕

微生物腐蝕是在微生物生命活動(dòng)下參與的腐蝕現(xiàn)象，引起腐蝕的主要細(xì)菌包括鐵細(xì)菌 （需氧）和硫酸鹽還原細(xì)菌 （厭氧）。微生物腐蝕不是單一菌種的腐蝕，而是多種微生物共生、互交作用的結(jié)果。微生物參與腐蝕的方式主要包括新陳代謝產(chǎn)生無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、硫化物、氨，促進(jìn)腐蝕的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，改變了金屬周圍的氧、鹽、酸的濃度，促進(jìn)了原電池腐蝕。在儲(chǔ)罐中容易發(fā)生微生物腐蝕的部位是罐底板積水處、罐底板土壤側(cè)。影響因素主要包括水分、環(huán)境、養(yǎng)分、涂層質(zhì)量等。

2.2.5 介質(zhì)側(cè)腐蝕

儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)側(cè)腐蝕是由于儲(chǔ)存產(chǎn)品具有腐蝕性，例如鹽酸、硫酸、有機(jī)酸、苛性堿及堿性鹽。腐蝕機(jī)理多為腐蝕性介質(zhì)與鐵反應(yīng)，產(chǎn)生鐵鹽和氫氣。除此之外，介質(zhì)中含有的沉積水也會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐造成電化學(xué)腐蝕，沉積水中硫化物、氯化物、氧與金屬反應(yīng)，具有較強(qiáng)的腐蝕性。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

將儲(chǔ)罐基本數(shù)據(jù)與潛在的損傷機(jī)理輸入RBI Onshore 5.2軟件，計(jì)算出每臺(tái)儲(chǔ)罐壁板和底板的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

從儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果來(lái)看，中風(fēng)險(xiǎn)的4項(xiàng)分別為2#儲(chǔ)罐底板和壁板、7#儲(chǔ)罐底板和壁板，占總評(píng)估數(shù)量的10%，其余儲(chǔ)罐底板和壁板的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為低風(fēng)險(xiǎn)，占比達(dá)90%。雖然風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是低風(fēng)險(xiǎn)，但失效概率已達(dá)3級(jí)，這類儲(chǔ)罐也需重點(diǎn)關(guān)注。因?yàn)樵谑Ш蠊臄?shù)據(jù)采集過(guò)程中，存在較大的主觀性，會(huì)對(duì)失效后果計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，在本次評(píng)估過(guò)程中，重點(diǎn)考慮儲(chǔ)罐底板和壁板的失效可能性等級(jí)，每臺(tái)儲(chǔ)罐壁板和底板的具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.4 檢驗(yàn)策略的確定

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)計(jì)劃就是要根據(jù)儲(chǔ)罐評(píng)估結(jié)果對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，區(qū)分中高低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與損傷機(jī)理的儲(chǔ)罐，采取不同的檢驗(yàn)手段與檢驗(yàn)周期。目前在役儲(chǔ)罐的主要檢測(cè)手段包括宏觀檢查、超聲測(cè)厚、小車自動(dòng)爬壁、磁粉、滲透、超聲檢測(cè)和高頻超聲導(dǎo)波等，除此之外，底板漏磁檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)是兩種檢測(cè)儲(chǔ)罐最有效的方法。根據(jù)API RP 581和API RP 653規(guī)范，并結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情和法規(guī)，制定出檢驗(yàn)方案如下。

表2 儲(chǔ)罐底板和壁板風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

（1）對(duì)于底板、壁板失效可能性均為4級(jí)的儲(chǔ)罐

外部95%宏觀檢測(cè)，＞30%壁板和底板超聲波測(cè)厚，涂層或防腐層破損部位重點(diǎn)測(cè)厚；內(nèi)部底板90%漏磁掃查，漏磁盲區(qū)部位采用手動(dòng)掃描 （hand scan）掃查或相控陣檢測(cè)，當(dāng)量缺陷超過(guò)40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗(yàn)，底板100%宏觀檢測(cè)，超聲波測(cè)厚，底板聲發(fā)射檢測(cè)，液位波動(dòng)部位重點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)周期定位不超過(guò)3年。

（2）對(duì)于底板失效可能性為3級(jí)的儲(chǔ)罐

外部95%宏觀檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行超聲波測(cè)厚，外部保溫層和防腐層定期檢查；內(nèi)部底板90%漏磁掃查，當(dāng)量缺陷超過(guò)40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗(yàn)，底板100%宏觀檢測(cè)，超聲波測(cè)厚，檢測(cè)周期定位不超過(guò)6年。

（3）對(duì)于底板失效可能性為1級(jí)或2級(jí)的儲(chǔ)罐

外部大于50%宏觀檢測(cè)，必要時(shí)超聲波測(cè)厚，定期檢查底板泄漏情況；內(nèi)部底板100%宏觀檢測(cè)，90%漏磁掃查，當(dāng)量缺陷超過(guò)40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗(yàn)，檢測(cè)周期定位不超過(guò)9年。

以上檢驗(yàn)策略應(yīng)結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行。因?yàn)閮?chǔ)罐為非承壓類特種設(shè)備，其檢驗(yàn)不具有法定強(qiáng)制性，本次制定的檢驗(yàn)策略僅供實(shí)際參考。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果

2014年12月對(duì)該化工企業(yè)某裝置中其中10臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了開(kāi)罐底板漏磁掃查，并將漏磁掃查結(jié)果與RBI評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，具體情況見(jiàn)表3。其中2#-1、2#-2儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)及使用條件完全相同，所以RBI計(jì)算中按一個(gè)儲(chǔ)罐 （2#）進(jìn)行評(píng)估，15#-1、15#-2儲(chǔ)罐情況類似，但開(kāi)罐底板漏磁檢測(cè)時(shí)應(yīng)分成2個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)。

表3 儲(chǔ)罐底板漏磁掃查結(jié)果與RBI評(píng)估結(jié)果對(duì)比表

圖2 儲(chǔ)罐底板漏磁掃查結(jié)果

儲(chǔ)罐漏磁掃查結(jié)果如圖2所示。

4 討論與分析

通過(guò)對(duì)比漏磁掃查結(jié)果與RBI評(píng)估結(jié)果中的底板損傷因子這一項(xiàng)，可以得出如下規(guī)律：

（1）2#-1和2#-2儲(chǔ)罐的漏磁掃查結(jié)果土壤側(cè)存在 80%的當(dāng)量缺陷，其底板損傷因子均達(dá)到117.4，損傷因子等級(jí)為4級(jí)，吻合性比較高。

（2）21#、16#、15#-2儲(chǔ)罐的損傷因子等級(jí)均為3級(jí)，大小分別為51.2、51.2、46.4，其當(dāng)量缺陷分別為64%、47%、36%，有一定的規(guī)律性，即損傷因子越大，其當(dāng)量缺陷越大。

（3）4#和3#儲(chǔ)罐投入使用年限較短，其損傷因子較低，當(dāng)量缺陷較低，有規(guī)律性。

（4）6#和9#儲(chǔ)罐存在較大的當(dāng)量缺陷，但其損傷因子較低，原因是使用溫度低，介質(zhì)較為復(fù)雜，介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)。

綜上所述，雖然底板損傷因子與當(dāng)量缺陷之間沒(méi)有明顯的計(jì)算關(guān)系式，但底板損傷因子的計(jì)算綜合考慮了土壤腐蝕速率、電阻率、儲(chǔ)罐基座類型、排水系統(tǒng)、陰極保護(hù)、溫度、介質(zhì)、底板類型等眾多因素，綜合考慮這些因素能科學(xué)地評(píng)估出底板材料的腐蝕情況。通過(guò)之前的分析也驗(yàn)證了RBI評(píng)估結(jié)果和實(shí)際開(kāi)罐檢驗(yàn)結(jié)果的吻合性。日后在開(kāi)罐檢驗(yàn)前，應(yīng)先通過(guò)RBI評(píng)估結(jié)果和儲(chǔ)罐實(shí)際使用工況篩選出需重點(diǎn)關(guān)注的儲(chǔ)罐，主要考慮以下兩方面情況：

（1）投用年限較長(zhǎng)的儲(chǔ)罐，使用溫度較高且底板損傷因子大于40的儲(chǔ)罐；

（2）介質(zhì)成分較為復(fù)雜，且介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)的儲(chǔ)罐。

因此對(duì)此次評(píng)估結(jié)果進(jìn)行篩選，篩選出底板損傷因子大于40的儲(chǔ)罐進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，即 5#、7#、17#、18#儲(chǔ)罐，必要時(shí)需進(jìn)行開(kāi)罐底板漏磁檢測(cè)。

5 總結(jié)

本文對(duì)21臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了損傷機(jī)理分析，運(yùn)用RBI技術(shù)進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，得到了儲(chǔ)罐群的風(fēng)險(xiǎn)分布情況。根據(jù)底板、壁板失效可能性等級(jí)確定了21臺(tái)儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)方案與檢驗(yàn)周期，并對(duì)其中10臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了開(kāi)罐底板漏磁掃查，發(fā)現(xiàn)其中8臺(tái)已有大于40%當(dāng)量缺陷的腐蝕存在。通過(guò)對(duì)漏磁掃查結(jié)果和RBI底板損傷因子的分析，得到了底板損傷因子與漏磁最大當(dāng)量缺陷之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律關(guān)系。運(yùn)用該規(guī)律關(guān)系篩選出了需重點(diǎn)關(guān)注的儲(chǔ)罐名單，將寶貴的檢驗(yàn)資源真正運(yùn)用到需要檢驗(yàn)的儲(chǔ)罐上，不僅為化工企業(yè)提高了檢測(cè)效率，而且降低了企業(yè)的成本。

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