一種海上工藝設備外腐蝕完整性管理的新方法

孫成利，叢廣佩，李偉明，路篤輝

0 引言

近些年來，完整性管理正逐步成為各大石化企業進行設備單元安全管理的重要方法，其中腐蝕做為影響石化安全的主要影響因素之一[1-4]，對于腐蝕機理方面的研究日趨完善[5-6]，其中，外部腐蝕問題近些年日益突出，而涂層則是最為常見的防護手段。無論采用何種涂層，涂層完整性管理策略都是確保外腐蝕得以有效控制的關鍵方法，通常，石化企業對于涂層與設備維修一樣采用定期維護策略，這種辦法雖然有一定的效用，但面對復雜多變的外腐蝕問題往往無法防護滿足要求。對于海上設備設施這些處于潮濕悶熱鹽霧環境的金屬結構，此類問題更為突出，一種可以優化涂層維護策略和監測涂層質量的涂層完整性管理辦法意義重大。

1 海上設備設施外腐蝕的挑戰

一般認為，在涂層施工質量可以保證的前提下，涂層在5年內可以完全控制外腐蝕，之后控制能力隨著時間逐步衰減[7]，外腐蝕問題也會隨之變得突出。在海洋環境下，由于大氣中水汽充足，氯離子含量高，外腐蝕問題則更加突出。據不完全統計，在海上平臺設施中，服役一年之后，約有6%～11%的面積不得不在一年之內進行全面外腐蝕維護，服役8年左右則這一比例增加至43%～55%。與嚴重的外腐蝕問題相對應的，在日常生產維護中，受到諸多因素的限制，外腐蝕問題以事后應急維修、涂層臨時性修補為主，涂層質量難以保證，外腐蝕問題也難以有效抑制。即使進行全面涂層維修，由于涂層質量檢驗技術以點檢抽檢為主，因此通常涂層局部分層和剝離現象仍然難以控制。

2 一種基于風險和狀態的涂層完整性管理模型

基于海上設備設施涂層管理中的問題，本文提出一種基于風險和狀態的涂層完整性管理模型，如圖1所示。模型基于完整性管理的基本要求，即在確保安全的前提下最大程度減少不必要的經濟損失，建立了一個閉環風險控制系統。涂層狀態反饋環節作為閉環系統的關鍵環節，系統采用了光激勵紅外熱波掃描技術，該技術可以快速掃描定量涂層破損、涂層分層和涂層厚度不達標3個應先涂層防護質量的關鍵問題，其中涂層破損和涂層分層往往意味著涂層失去了外腐蝕防護能力，可以用來直接決策涂層是否需要進行全面維修。而涂層厚度不達標則是意味著涂層防護能力降低，防護周期縮短，涂層維修周期也要進行相應的調整。

為了根據涂層狀態監測結果做出合理的涂層維護策略，系統中設置了涂層維修決策和涂層狀態風險分析兩個重要的環節。其中涂層維修決策環節直接利用紅外熱波識別出的涂層缺陷，估算涂層缺陷總面積，進而決定是否需要進行全面涂層維修。而涂層狀態風險分析則是從設備設施安全角度考慮，制定一個合理的涂層維修及其相關配套工作的最大參考周期，做到在確保安全的前提下，最大程度減少經濟損失。最后，為實現閉環完整性管理循環，涂層維護計劃完成后，要對涂層的質量進行紅外熱波檢測，其檢測結果用來確定新的風險現狀，并據此確定新的紅外熱波監測方案和周期。

總的來說，本方法通過多維度涂層信息檢測適時反饋涂層實際狀態，并通過這些反饋信息做出合理的維修決策和風險識別，進而優化后續的涂層檢測、維修范圍和周期，使涂層檢測信息始終跟蹤最關鍵風險單元，如此循環，達到及時且高效控制設備的外腐蝕風險的目的。

3 紅外熱波對涂層監測效果和基本策略

紅外是一種與熱效應有關的長波非可見光，在激勵一定的情況下，紅外熱波的特性與材料導熱性能的有關，其主要特征參量為特征偏離時間，不同導熱材料的特征偏離時間存在明顯差異，對于導熱性較差的材料，如涂層，其厚度也會影響特征偏離時間，二者的定量關系如式（1）所示。

圖1 基于風險和狀態的涂層完整性管理模型

其中，d為涂層厚度，mm；tbreak為特征偏離時間，s；k為線性系數。

因此紅外熱波技術可以同時實現定量涂層完好區域的涂層厚度和破損區域面積的雙重作用。這些數據都與外腐蝕問題息息相關，成為決定涂層維修策略的重要定量依據。

作為圖1所示的閉環系統，信息反饋的時機十分重要，否則一旦遺漏關鍵信息，決策系統的輸出很可能做出錯誤的判斷，導致安全事故。按照完整性管理的基本原則，包括狀態變更和當前狀態都是需要重點監測的內容，根據此原則，涂層變更管理、高風險單元的日常涂層狀態跟蹤和中低風險單元的周期性涂層狀態抽查是相對合理的狀態監測策略。通過這樣一種合理的在線監測策略將可以獲取足夠多的涂層狀態信息，實現全面監測涂層狀態變化監測，為后續的涂層維修決策提供足夠的數據依據。

4 涂層的維修決策方法

只對發生破損的局部進行涂層維修；若涂層破損面積比小于20%，則只對發生破損的局部進行涂層維修。

另外，對于碳鋼材料，不但要監測涂層狀態，還要監測涂層缺陷部位的內外腐蝕壁厚。這一點對于當前不需要全面涂層維修的單元尤為重要，因為碳鋼材料存在內外腐蝕減薄問題，如不監測壁厚的變化規律，僅按照風險狀態決定涂層維修周期，很可能出現在進行維修時，由于壁厚過薄而不得不進行停車隔離操作或者進行射線壁厚掃查，這些工作都會增加不必要的經濟和人身安全風險。

如圖2所示，這種超聲測厚要按照兩種情況加以區分，對于涂層破損的情況，要同時進行內外腐蝕的測厚，即在涂層破損部位測量外腐蝕數據，在涂層破損部位周圍100 mm×100 mm范圍內測量內腐蝕數據；而對于涂層分層和厚度不合格的情況，則僅在分層或不合格點位測量內腐蝕數據。

在實際情況中，涂層的缺陷多數以分散的局部破損形態存在，但考慮到可能存在的相鄰破損區域之間的涂層附著力降低甚至分層，涂層破損面積達到一定比例的時候就應該考慮進行全面的涂層維修。

海上工藝設備管道中，由于不銹鋼設備易受到更加危險的氯化物應力腐蝕開裂的影響，而其他材料的設備過于昂貴，所以除了極個別設備，80%以上的設備管道以碳鋼為主，而碳鋼極易受到外腐蝕影響，因此日常外腐蝕完整性管理主要以碳鋼設備為目標，其涂層維修決策樹如圖2所示。若涂層破損面積比達到表面積的40%以上，則可以進行全面涂層維修；若涂層破損面積比在20%～40%之間，則僅當涂層破損區域均勻分散于設備單元表面時，才進行全面涂層維修，否則

圖2 碳鋼設備涂層維修決策樹

需要指出的是，這些測厚需在確保涂層完整性的前提下進行，因此對于超聲技術的選擇極為重要。寬頻窄帶超聲測厚技術可以在一次測量中同時測量多種接合物質的厚度，而且由于其發射的超聲脈沖含有高頻成分，因此也可以高精度地測量厚度小于1 mm的物質，比如涂層，從而更加精確地驗證和測定涂層質量欠佳部位的涂層厚度。

根據這些內外腐蝕測厚數據可以利用式（2）估算可以避免停車和射線檢驗的最大維修周期。

其中Tc為腐蝕狀態允許的最大維修周期，y；NWT為單元的名義壁厚，mm；MAWT為單元的設計最小允許壁厚，mm；ARWT為單元的風險最小允許壁厚，mm；n為安全系數；CRo為外腐蝕速率，mm/y；CRi為外腐蝕速率，mm/y。

5 基于涂層狀態的風險分析方法

對于外腐蝕的風險分析，已有相關標準[8]，標準中涂層被分為3個狀態，以修正外腐蝕速率，由于不是直接利用涂層狀態進行風險決策，因此對于涂層維護策略優化標準中并沒有提及。為了實現以涂層維護策略優化為目標的決策，需要一種直接以涂層狀態進行風險評估的方法，使管理者直接明確涂層狀態與設備安全之間的關系，制定合理的涂層維修周期。接合海上生產設備的外腐蝕特點和影響，考慮涂層失效以及外腐蝕發生時直接威脅安全的影響因素，涂層失效風險評估的公式如式（3）、（4）所示：

其中，R為涂層失效風險；CPoF為涂層外腐蝕防護失效概率；CCF為腐蝕重要度因子或后果影響因子；ECT為外腐蝕威脅或敏感因子；CoF為腐蝕失效后果。

根據式（3）、（4），對應的風險決策矩陣如圖3所示，其中涂層狀態“3”表示涂層破損且裸露金屬但并未發生明顯腐蝕的狀態，該狀態是該矩陣的臨界狀態，以狀態“3”為分界。

線矩陣主要分為兩個部分，狀態“3”及其之前的狀態屬于第一部分，主要用于評估涂層的狀態，狀態“3”之后的狀態屬于第二部分，主要用于評估單元本體腐蝕風險。其中第二部分的主要作用在于確定不可接受風險臨界值，從而計算式（2）中的ARWT，而第一部分則用于基于風險的涂層維修周期決策。

圖3 海上平臺設備涂層狀態風險矩陣

另外，CCF則需要通過圖4所示的矩陣加以確定，其中CoF主要根據各公司的管理文件來確定，ECT則根據操作壓力最大值來確定。根據圖4最終海上平臺生產設備的外腐蝕發生后的后果影響將分為5級，這5級分別對應圖3中的后果影響因子等級。

圖4 海上平臺設備CCF矩陣

為了充分考慮海上設備設施的維修完成率，仍然存在不得不進行隔離或者射線檢驗的情況，根據一些良好作業實踐，基于風險的涂層維修周期決策如圖5所示。對于全面涂層維修，圖中的數字以年為單位表示基于風險的最大涂層維修周期；對于局部涂層修補，則表示基于風險的最大超聲測厚周期。需要說明的是，在應用圖5所示的矩陣時，不僅要考慮涂層破損狀態，而且還要考慮未破損涂層的狀態，一般的，對于涂層分層，由于涂層很可能在1年內發生涂層破損的情況，所以涂層分層作為狀態“3”加以考慮，并計入涂層破損面積用于是否進行全面涂層維修的決策；對于涂層厚度不合格問題，則作為狀態“2”加以考慮，并可以根據圖5單獨考慮其的超聲測厚周期。

并且，最終全面涂層維修或超聲測厚周期不僅要考慮圖5確定的周期，還要考慮式（2）所確定的周期，因此，最終維修或超聲測厚參考周期要根據式（5）確定：

其中Tr為基于風險的周期，y。

圖5 海上平臺設備涂層維修周期決策矩陣

6 結論

海上特殊的氣候環境，外腐蝕問題更為突出，而涂層的有效維修維護是解決此類問題的關鍵因素。本文提出了一種涂層狀態及其對應風險的涂層完整性管理方法，該方法中采用紅外熱波技術進行涂層狀態掃描，并用掃描結果定量估算涂層缺陷面積和涂層不合格面積，通過這些定量信息進行科學合理的涂層維修決策。在涂層維修周期決策方面，本文應用一種可以直接考慮涂層狀態因素的5×9階風險矩陣，同時，為了最大程度避免經濟損失和操作苦難，除了風險等級外，本文還考慮了內外腐蝕速率的影響，從而綜合確定一個最為安全且合理的涂層最大維修參考周期，用于涂層維修策略的決策過程。另外，為了涂層的完整性，在確定內外腐蝕速率過程中，本文提出應采用寬頻窄帶超聲技術進行關鍵部位的本體測厚和涂層厚度校準。

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