大型儲(chǔ)罐群在役過程完整性管理方法研究與應(yīng)用*

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(合肥通用機(jī)械研究院 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031)

完整性管理作為一種全新的管理模式，是在眾多油氣管道事故后應(yīng)運(yùn)而生，并伴隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[1]，在一些大型油氣公司和研究機(jī)構(gòu)實(shí)踐后，迅速推廣開的。但儲(chǔ)罐的完整性管理仍處于研究初期，系統(tǒng)的理論與指導(dǎo)文件只有英國(guó)健康與安全執(zhí)行局(HSE，Health & Safety Executive)頒布的指南PM86“熱塑性塑料容器完整性管理”(TTIM,Thermoplastic Tank Integrity Management) 及推薦做法“常壓儲(chǔ)存容器完整性”(IAST,Integrity of Atmospheric Storage Tanks)[2]。2013年，中國(guó)石油大學(xué)石磊[3]等人提出了“計(jì)劃—實(shí)施—檢查—改進(jìn)”(PDCA)為運(yùn)行模式的大型原油儲(chǔ)罐完整性管理體系(IMS)，結(jié)合該體系，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)(RBI)應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行體系深化及應(yīng)用。

1 儲(chǔ)罐的完整性管理

完整性是以安全和可靠為目標(biāo)，以設(shè)備設(shè)施物理結(jié)構(gòu)完整和功能正常為表現(xiàn)形式的一種受控的服役狀態(tài)[4]。儲(chǔ)罐的完整性管理借助于科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和先進(jìn)的完整性檢測(cè)技術(shù)，掌握儲(chǔ)罐的損傷失效機(jī)理，識(shí)別運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)和完整性等級(jí)，合理制定維修策略，以確保儲(chǔ)罐安全運(yùn)行。

在役過程儲(chǔ)罐的完整性管理思路與途徑如圖1所示[5](圖中101個(gè)基本元素屬于RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理系數(shù),RCM為以可靠性為中心的維修技術(shù)，SIL是完整性水平評(píng)估技術(shù))。由圖1可以看出，設(shè)備完整管理體系為五層金字塔結(jié)構(gòu)。

1.1 信息化管理技術(shù)

建立先進(jìn)的信息管理系統(tǒng)，搭建即時(shí)、準(zhǔn)確、完整的信息平臺(tái)是完整性管理的基礎(chǔ)。應(yīng)詳細(xì)記錄、收集、整理和分析儲(chǔ)罐信息的過程，明確真實(shí)數(shù)據(jù)、假設(shè)數(shù)據(jù)和未經(jīng)更新的數(shù)據(jù)，標(biāo)示出能夠有效反映儲(chǔ)罐危險(xiǎn)狀況的數(shù)據(jù)，并分析這些數(shù)據(jù)對(duì)完整性評(píng)估產(chǎn)生的影響。

1.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)主要運(yùn)用于分析可能導(dǎo)致靜設(shè)備以及管線失效的可能性和后果，建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣，有針對(duì)性地對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備或管道制定檢驗(yàn)策略。

1.3 以可靠性為中心的維修技術(shù)

RCM是一種制定維修決策的方法。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的故障進(jìn)行分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)故障的后果；使用標(biāo)準(zhǔn)化的邏輯決策過程來確定各故障后果所應(yīng)采取的預(yù)防性對(duì)策；在保證設(shè)備安全性和完整性的前提下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障的分析評(píng)估以及對(duì)故障進(jìn)行定量化的建模等方法，使得維修停機(jī)損失以及維修資源的消耗降到最小，從而優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)的維修策略。

1.4 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)完整性水平評(píng)估(SIL)技術(shù)

SIL是針對(duì)工廠中的車間、系統(tǒng)、設(shè)備的每一個(gè)安全系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上評(píng)估安全完整性水平，并根據(jù)該準(zhǔn)則來確定最低的設(shè)計(jì)要求和測(cè)試間隔，是評(píng)估系統(tǒng)能否保證安全的依據(jù)。

1.5 完整性操作技術(shù)

完整性操作技術(shù)(IOW,Intergrity Operating Window)是通過預(yù)先設(shè)定并建立一些操作邊界、工藝參數(shù)臨界值，使操作或工藝嚴(yán)格控制在這些界定的范圍內(nèi)，一旦操作或工藝超過這個(gè)范圍，IOW將反饋一個(gè)警報(bào)，提示操作已越界，從而起到預(yù)防設(shè)備提前劣化或突然破裂泄漏及裝置非計(jì)劃停車事故的作用，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2 完整性操作管理流程

參照國(guó)內(nèi)石化裝置風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)[6-8]，結(jié)合大型儲(chǔ)罐群的運(yùn)行與管理模式，提出一種常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的完整性管理方法并建立相應(yīng)的理論體系，如圖2所示。由圖2可以看出，設(shè)備完整性管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性管理體系。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 數(shù)據(jù)收集

通用信息：工廠的相關(guān)信息及其他裝置的數(shù)據(jù);工藝信息：過程流體/其他流體特性和它們的潛在腐蝕性數(shù)據(jù);機(jī)械信息：設(shè)計(jì)/基建和設(shè)備安裝數(shù)據(jù)。

2.1.2 檢驗(yàn)記錄

安全系統(tǒng)信息：現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和緩沖裝置的數(shù)據(jù)。

2.1.3 工廠采取的有關(guān)管理措施

涉及到的資料包括：(1)工藝原則流程圖(PFD);(2)工藝描述及操作規(guī)程;(3)管道儀表流程圖(P&ID);(4)儲(chǔ)罐臺(tái)帳(設(shè)備表);(5)物流平衡表(硫平衡、標(biāo)定報(bào)告等);(6)儲(chǔ)罐原始設(shè)計(jì)資料(竣工資料);(7)儲(chǔ)罐的歷史檢驗(yàn)數(shù)據(jù)(設(shè)備變更登記前的檢驗(yàn)報(bào)告);(8)閥門臺(tái)帳及校驗(yàn)資料;(9)維修改造資料;(10)操作日記;(11)失效分析資料,及其他有關(guān)信息。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)

常壓儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)按下式計(jì)算：

R(t)=F(t)×C(t)

(1)

式中：F(t)為失效概率;C(t)為失效后果。

其風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖3所示。由圖3可以看出，各種風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的可能性及失效的后果等級(jí)。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)還應(yīng)包括：定性分析與評(píng)價(jià)、在線檢測(cè)與評(píng)價(jià)、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制定基于風(fēng)險(xiǎn)的管理策略等要素。

2.2.1 定性分析

(1)儲(chǔ)罐內(nèi)壁介質(zhì)側(cè)腐蝕分析。包括頂部、中部、底部不同部位不同腐蝕介質(zhì)導(dǎo)致的各種損傷機(jī)理。

(2)儲(chǔ)罐底板外側(cè)的腐蝕分析。包括氣候、地基、鋪墊層、電解質(zhì)情況、滲水情況、雜散電流和附加電流等。

(3)其他附屬件的腐蝕分析與功能評(píng)價(jià)。包括中央排水管、閥門、浮頂、浮盤、進(jìn)出油軟管、陰極保護(hù)系統(tǒng)、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)等。

通過定性分析，制定針對(duì)罐底板、罐壁、罐頂、沉降及相關(guān)附屬設(shè)施的在線檢測(cè)，如宏觀、測(cè)厚、沉降、水平度、聲發(fā)射和導(dǎo)波等檢測(cè)。

2.2.2 在線檢測(cè)與評(píng)價(jià)

(1)外觀、幾何尺寸檢查。主要檢查儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)、混凝土環(huán)墻、罐壁、罐壁附件、罐頂、罐頂附件、扶梯等的使用狀況、銹蝕情況。

(2)測(cè)厚。重點(diǎn)檢查罐壁根部與底部可能存在積水層、頂部或上部的氣相層等。

(3)聲發(fā)射檢測(cè)。聲發(fā)射法適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測(cè)，且只顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關(guān)，而是顯示正在擴(kuò)展的最危險(xiǎn)缺陷。應(yīng)用聲發(fā)射檢驗(yàn)方法時(shí)對(duì)缺陷不按尺寸分類，而按其危險(xiǎn)程度分類。

(4)超聲導(dǎo)波檢測(cè)。高頻導(dǎo)波技術(shù)在容器任一表面可以得到雙面的檢測(cè)結(jié)果，包括板材內(nèi)部。對(duì)在役容器的檢測(cè)，可以快速發(fā)現(xiàn)板材內(nèi)表面腐蝕坑、裂紋等缺陷。示波檢測(cè)不但具有常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的高靈敏度，而且具備導(dǎo)波技術(shù)的大面積 快速掃查的特點(diǎn)，但是在導(dǎo)波檢測(cè)中由于不能區(qū)分缺陷的深度信息，也不能區(qū)分缺陷位于工件的上表面或是下表面，因此需要通過宏觀表面檢測(cè)、超聲檢測(cè)等方法確定缺陷在壁厚方向的實(shí)際位置。

(5)沉降檢測(cè)。需要觀測(cè)罐基和罐壁的沉降，各沉降點(diǎn)的總沉降量包括均勻沉降、平面傾斜和非平面沉降。對(duì)罐底周圍進(jìn)行了沉降觀測(cè)，取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保了該罐能夠繼續(xù)安全地運(yùn)行。

(6)另外還有儲(chǔ)罐土壤的雜散電流、土壤電阻率檢測(cè)。

2.2.3 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

評(píng)價(jià)內(nèi)容包括各類風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、后果及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),見圖4。由圖4可以看出風(fēng)險(xiǎn)接受與否的界限。通過定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，企業(yè)可以制定“不可接受”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并按風(fēng)險(xiǎn)高低排序進(jìn)行分級(jí)管理。風(fēng)險(xiǎn)控制原則見表1。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣與不可接受風(fēng)險(xiǎn)線

等 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采取的對(duì)策Ⅰ低風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 酌情減少檢查保養(yǎng)Ⅱ中風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 應(yīng)進(jìn)行定期保養(yǎng)及檢驗(yàn)Ⅲ次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和無損檢測(cè)(優(yōu)化檢驗(yàn)周期)Ⅳ高風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 重點(diǎn)加強(qiáng)管理,進(jìn)行整改,徹底消除事故隱患

2.2.4 制定基于風(fēng)險(xiǎn)的管理策略

(1)基于RBI的檢驗(yàn)周期。相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或規(guī)程SY/T 6620—2014《石油儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》與AQ 3053—2015《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐安全技術(shù)規(guī)程》中都提出通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法確定儲(chǔ)罐檢驗(yàn)(首檢)周期，因此國(guó)內(nèi)已有相應(yīng)的規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐的完整性管理的部分環(huán)節(jié)作出了要求。通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)水平與企業(yè)的“不可接受風(fēng)險(xiǎn)”原則，可以適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)周期。

(2)基于RBI的檢驗(yàn)策略。根據(jù)損傷機(jī)理來確定應(yīng)檢查的缺陷類型；根據(jù)損傷發(fā)生的情況來選擇檢驗(yàn)部位；根據(jù)需檢測(cè)缺陷類型來選擇檢測(cè)方法。盡可能減少不必要的無效檢驗(yàn)，減少儲(chǔ)罐檢測(cè)的輔助工程費(fèi)用，把檢驗(yàn)重點(diǎn)放在罐底板、邊緣板、大角焊縫、中央排水管等關(guān)鍵部位。

3 應(yīng)用案例

以一臺(tái)100 000 m3的原油儲(chǔ)罐為例，壁板材質(zhì)為12MnNiVR，底板材質(zhì)為Q235B，投用時(shí)間為2005年。利用RBI軟件對(duì)壁板和底板分別進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，結(jié)果見表2。

對(duì)該儲(chǔ)罐進(jìn)行在線檢測(cè)，測(cè)厚無異常，輕微沉降，聲發(fā)射檢驗(yàn)情況見圖5，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定為Ⅲ類。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算

圖5 T103聲發(fā)射監(jiān)測(cè)圖

由圖5和表2可以看出綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與在線檢測(cè)情況。此原油儲(chǔ)罐壁板風(fēng)險(xiǎn)為2C，處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，而底板風(fēng)險(xiǎn)為3D，處于中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。底板風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效可能性都高于壁板，因此需要把下次開罐檢驗(yàn)的重點(diǎn)放在儲(chǔ)罐底板上。

檢驗(yàn)策略制定如下：盡快開罐復(fù)驗(yàn)，壁板主要進(jìn)行壁板宏觀檢查，底板需要進(jìn)行100%的宏觀檢查，并輔以90%以上的漏磁掃描；100%大角焊縫內(nèi)壁濕熒光磁粉檢查，必要時(shí)進(jìn)行超聲波探傷進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

整個(gè)儲(chǔ)罐群的風(fēng)險(xiǎn)排序情況如圖6所示。由圖6可以看出，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)在明顯上升，時(shí)間越長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)越大。

5年后,部分儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)上升到“4D”，使用單位認(rèn)為該風(fēng)險(xiǎn)“不可接受”，根據(jù)腐蝕分析，應(yīng)建立在線降險(xiǎn)措施，建立完整性操作管理方法，控制劣質(zhì)原油，減少硫、氯、水等雜質(zhì)；或調(diào)整檢驗(yàn)策略，降低風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)排序并采取各項(xiàng)降險(xiǎn)措施后，確定該儲(chǔ)罐群的檢修周期,見表3。

檢修周期/a101112131415儲(chǔ)罐數(shù)量/臺(tái)237343

4 結(jié)論及建議

(1)借鑒承壓設(shè)備完整性管理方法以及國(guó)內(nèi)提出的儲(chǔ)罐完整性管理思路，結(jié)合儲(chǔ)罐群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用，建立了一種更全面的大型儲(chǔ)罐完整性管理方法。該方法通過建立管理組織、信息化管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)、完整性操作管理等，實(shí)現(xiàn)大型儲(chǔ)罐群的完整性管理。

(2)應(yīng)盡快制定國(guó)家層面統(tǒng)一的、適合國(guó)情的儲(chǔ)罐技術(shù)規(guī)范及完整的儲(chǔ)罐管理體系，指導(dǎo)國(guó)內(nèi)石化企業(yè)儲(chǔ)罐管理。

(3)開展儲(chǔ)罐群完整性管理技術(shù)的應(yīng)用推廣。

(4)開展儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與再評(píng)估工作。通過不斷循環(huán)評(píng)估，并在今后油罐檢修中進(jìn)行驗(yàn)證來完善相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。

[1] 陳學(xué)東，崔軍，范志超,等.我國(guó)高參數(shù)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)[C].壓力容器先進(jìn)技術(shù)(第八屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集),2013:9-19.

[2] The Health & Safety Executive.Integrity of Atmospheric Storage Tanks[EB].[ 2013-02-20].http://www.hse.gov.uk/foi/internalops/hid_circs /technical_general /spctechgen35.htm.

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