基于RBI 技術(shù)的石油化工壓力管道檢測(cè)系統(tǒng)研究

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

0 引言

石油化工生產(chǎn)工況非常復(fù)雜，壓力管道長(zhǎng)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(kāi)裂、材質(zhì)劣化、機(jī)械損耗、疲勞等各類(lèi)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(guò)基于風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)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(xiǎn)評(píng)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(jiǎn)介

RBI 技術(shù)即基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)，檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程依次經(jīng)歷風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、失效概率評(píng)估、失效后果評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)排序、風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估等環(huán)節(jié)。技術(shù)實(shí)踐過(guò)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(duì)其制造材料、運(yùn)行環(huán)境等做分析評(píng)價(jià)，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(xiǎn)排序形成風(fēng)險(xiǎn)矩陣。在明確設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，可針對(duì)性設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)發(fā)生的可能。

RBI 風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)等級(jí)，從而科學(xué)選取檢驗(yàn)周期、范圍及方式，形成最佳維保計(jì)劃。RBI 風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)系統(tǒng)中，風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)可用公式表示為：R=P0F·C0F，其中字母R、P0F、C0F分別表示風(fēng)險(xiǎn)、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(gè)級(jí)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(gè)級(jí)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(xiǎn)矩陣，在該矩陣中，左下至右上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)逐漸提升，對(duì)應(yīng)低、中、中高和高4個(gè)等級(jí)。在壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)中，依照檢測(cè)結(jié)果在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的位置即可選出最佳的風(fēng)險(xiǎn)防控方案。例如，若設(shè)備處于高風(fēng)險(xiǎn)模塊，需立即進(jìn)行停工檢查；若為低風(fēng)險(xiǎn)模塊，可適當(dāng)延長(zhǎng)檢驗(yàn)周期。

2 RBI技術(shù)在壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)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(shí)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(guò)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(shí)出現(xiàn)多個(gè)隨機(jī)變量，功能函數(shù)可能為非線(xiàn)性，若直接求解會(huì)帶來(lái)更大的計(jì)算難度，因此需采用近似數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)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)引入標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)變量可得到失效概率計(jì)算公式為：

以上計(jì)算模型中，β與Pf之間為一一對(duì)應(yīng)，在可靠性評(píng)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(jì)算公式為：

2.1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)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(xiǎn)檢測(cè)結(jié)果，引入可靠度理論進(jìn)行特種設(shè)備失效概率的計(jì)算，并對(duì)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(cè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估完成后，充分規(guī)劃管道維護(hù)資源。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jì)算及剩余使用壽命預(yù)估-RBI 定性分析-風(fēng)險(xiǎn)判斷-RBI 定量計(jì)算-風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)-審核校正。

2.1.3 概率計(jì)算

壓力管道失效概率計(jì)算過(guò)程可適當(dāng)參考同類(lèi)設(shè)備的計(jì)算結(jié)果，經(jīng)修正處理后，以管道設(shè)計(jì)使用年限及目前使用年數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行RBI 評(píng)價(jià)，同時(shí)完成管道安全系數(shù)及可靠度的計(jì)算，得到最終的失效概率。

以?xún)?chǔ)罐設(shè)備失效概率計(jì)算為例。該儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)強(qiáng)度為420MPa，壁厚10mm，初始結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力為140MPa，儲(chǔ)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。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)該儲(chǔ)罐腐蝕速率在0.1mm/a，不計(jì)維護(hù)保養(yǎng)計(jì)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(guò)專(zhuān)業(yè)RBI 評(píng)估軟件計(jì)算其失效概率為1.5×10-7。同理可計(jì)算儲(chǔ)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(jiǎn)介

某石化企業(yè)對(duì)重油催化裝置系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)，其中包括壓力管道265條，檢測(cè)長(zhǎng)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(cè)活動(dòng)開(kāi)展于2019年，待檢測(cè)設(shè)備中，最早投產(chǎn)年限為1999年，最晚為2015年，投產(chǎn)時(shí)間跨度加大，部分管道設(shè)備已使用較長(zhǎng)時(shí)間。該裝置系統(tǒng)內(nèi)的壓力管道管材多為20#號(hào)鋼及Q235A，大多數(shù)管道的壓力在3.0MPa 以?xún)?nèi)，但存在較多的高溫管道。該套重油催化裝置運(yùn)行過(guò)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(xiǎn)檢測(cè)。

2.2.2 檢測(cè)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(lèi)有關(guān)信息。①技術(shù)資料，包括管理臺(tái)賬、竣工圖紙、質(zhì)量說(shuō)明書(shū)、材料檢測(cè)報(bào)告等。②工藝資料，如操作說(shuō)明、維護(hù)手冊(cè)、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(guò)程中產(chǎn)生的腐蝕檢測(cè)報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果等。注意資料收集過(guò)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(píng)估中，壓力管道失效可能性及失效后果均被劃分為5個(gè)等級(jí)，利用RBI 分析軟件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可得到該系統(tǒng)壓力管道的風(fēng)險(xiǎn)分布矩陣，發(fā)現(xiàn)在265條目標(biāo)管道中，高風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為0，中高風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為32、中風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為120、低風(fēng)險(xiǎn)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)捰汀⒂蜐{等物質(zhì)為傳輸介質(zhì)時(shí)，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(lèi)管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)較高。

(3)檢測(cè)方案。科學(xué)設(shè)計(jì)管道檢測(cè)方案是確保檢測(cè)結(jié)果可靠基礎(chǔ)，具體檢測(cè)工作的開(kāi)展需遵照如下原則：第一，依照失效機(jī)理劃定缺陷類(lèi)型；第二，依照受損位置劃定檢測(cè)位置；第三，依照待檢測(cè)缺陷的類(lèi)型適當(dāng)選取檢測(cè)方式；第四，方案設(shè)計(jì)同時(shí)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(xiǎn)壓力管道，因此依照一般保守程度劃定檢測(cè)范圍，其中，中高風(fēng)險(xiǎn)管道的檢測(cè)范圍≥50%；中風(fēng)險(xiǎn)管道檢測(cè)范圍≥30%，低風(fēng)險(xiǎn)管道檢測(cè)范圍≥10%[3]。對(duì)于傳輸介質(zhì)為回?zé)捰秃陀蜐{的兩類(lèi)管道，因其運(yùn)行情況特殊，決定將檢測(cè)范圍分別提高至≥60%和≥80%。

在具體檢測(cè)方法的選擇上中風(fēng)險(xiǎn)及中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的管道采用中度及以上有效的檢測(cè)方法，低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)管道則采用低度及以上有效的檢測(cè)方法，常見(jiàn)檢測(cè)方法包括超聲波壁厚測(cè)量、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線(xiàn)成像檢測(cè)、導(dǎo)波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)等，系統(tǒng)內(nèi)全部管道均開(kāi)展宏觀檢查。

(4)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。壓力管道宏觀檢查內(nèi)容有外部腐蝕、泄漏檢測(cè)、防腐層檢測(cè)、變形檢測(cè)、支吊架檢測(cè)等，觀察并記錄系統(tǒng)內(nèi)各類(lèi)管線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)，查看其外觀有無(wú)腐蝕、破損、漏油等問(wèn)題，重點(diǎn)關(guān)注閥門(mén)節(jié)點(diǎn)。除宏觀檢查外，進(jìn)行管道壁厚測(cè)量，測(cè)量對(duì)象包括彎頭、支管連接節(jié)點(diǎn)、異徑管及經(jīng)過(guò)質(zhì)量處理的管道，檢測(cè)過(guò)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(cè)方案，結(jié)合管道實(shí)際運(yùn)行位置及條件，對(duì)富氣管、液化氣管、汽油管等做MT 檢測(cè)，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(xiàn)內(nèi)傳輸介質(zhì)非常復(fù)雜，對(duì)射線(xiàn)檢測(cè)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(xiàn)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(wèn)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(píng)估。將系統(tǒng)管道檢測(cè)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(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，預(yù)估2022年系統(tǒng)管道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生情況，預(yù)估結(jié)果為：高風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為0、中高風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為38、中風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為127、低風(fēng)險(xiǎn)管道數(shù)為101。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中高風(fēng)險(xiǎn)及中風(fēng)險(xiǎn)管道分別增加6條和7條，低風(fēng)險(xiǎn)管道減少13條，仍未出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)管道。從整體上看，該系統(tǒng)壓力管道的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)變化幅度不大，處于合理范圍。

2.2.3 效益評(píng)估

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

RBI 評(píng)估檢驗(yàn)費(fèi)用開(kāi)支主要用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)和輔助工程，其中，評(píng)估與檢測(cè)費(fèi)用總和與其他常規(guī)檢測(cè)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(jì)算，本次檢測(cè)總費(fèi)用在298萬(wàn)元，并幫助節(jié)約輔助工程費(fèi)用108.5萬(wàn)元。另外，RBI 檢測(cè)過(guò)程少涉及停工操作，相較于傳統(tǒng)離線(xiàn)檢測(cè)方案，因未停工導(dǎo)致裝置系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益增加3232萬(wàn)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(cè)中的優(yōu)勢(shì)性。

3 結(jié)語(yǔ)

RBI 技術(shù)可對(duì)石油化工壓力管道安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)做定性和定量分析，以準(zhǔn)確了解各類(lèi)管道及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估其可靠性及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而制定合理的維護(hù)方案，及時(shí)將安全風(fēng)險(xiǎn)消除。通過(guò)壓力管道檢測(cè)項(xiàng)目驗(yàn)證，相較于常規(guī)檢測(cè)方案，RBI檢測(cè)在全面性、精確性及經(jīng)濟(jì)性方面均占明顯優(yōu)勢(shì)，為一項(xiàng)綜合性較高的管道在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，值得大面積推廣。