在役常壓儲罐完整性管理技術(shù)及應(yīng)用

趙彥修 田紅巖 陳彥澤 王金龍

1中國特種設(shè)備檢測研究院2中國石油商業(yè)儲備油分公司

以可靠性為中心的完整性管理是當(dāng)前設(shè)備管理的最新模式，完整性管理技術(shù)在油氣管道行業(yè)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較為完善。雖然國內(nèi)外已推出了相關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，比如美國的API 353 《Managing Systems Integrity of Terminal and Tank Facilities Managing the Risk of Liquid Petroleum Releases》，英國的PM 86《Thermoplastic Tank Integrity Management》，中 國 的GB/T 37327《常壓儲罐完整性管理》，但常壓儲罐的完整性管理仍處于比較初期的研究階段，對于儲罐運營單位而言，研究常壓儲罐完整性管理理論，推廣應(yīng)用完整性管理技術(shù)已經(jīng)成為各儲罐運營單位必須關(guān)注的重要問題[1]。

1 完整性管理的基本概念

完整性的概念來源于美國職業(yè)安全與健康管理局（OHSA）1992 年頒布的OSHA 29CFR1910.119《Process Safety Management of Highly Hazardous Chemicals》。之后一系列的應(yīng)用于設(shè)備的風(fēng)險評估和完整性管理標(biāo)準(zhǔn)得以制定，這些理念和方法在油氣生產(chǎn)、儲運及煉化等行業(yè)得到了廣泛認(rèn)同[2]。

“完整”是指事物保持其應(yīng)有的各部分，沒有缺損。

“完整性”是指系統(tǒng)的各個部分在在結(jié)構(gòu)和功能上完整有效，風(fēng)險可控。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于完整性管理有類似定義：完整性是指設(shè)備處于安全可靠的服役狀態(tài)，其內(nèi)涵包括設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能上是完整的，處于風(fēng)險受控狀態(tài)，安全狀態(tài)滿足運行要求[3-5]。

完整性評價是指應(yīng)用適宜的檢驗、檢測技術(shù)，獲取設(shè)備本體的狀況信息，結(jié)合材料與結(jié)構(gòu)可靠性分析，對其安全狀態(tài)進(jìn)行評價，確定其適用性的過程。

完整性管理是指為使設(shè)備保持其完整性而進(jìn)行的系統(tǒng)的管理活動。具體來說就是借助于科學(xué)的風(fēng)險評估方法和先進(jìn)的完整性檢測技術(shù)，采取各種風(fēng)險消減措施，不斷地識別和消除各種風(fēng)險因素，將風(fēng)險控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，最終達(dá)到持續(xù)改進(jìn)，減少和預(yù)防事故，實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行的目的。

2 完整性管理的技術(shù)路線

在役常壓儲罐的完整性管理技術(shù)路線與油氣管道有所不同，無需進(jìn)行高后果區(qū)的識別，一般采用五步循環(huán)法，包括數(shù)據(jù)采集與整合，風(fēng)險評估，完整性檢測與評價，完整性評價響應(yīng)和效能評價（圖1）。

圖1 在役常壓儲罐完整性管理流程圖Fig.1 Integrity management flow chart of atmospheric storage tank in service

2.1 數(shù)據(jù)采集與整合

數(shù)據(jù)采集與整合是完整性管理的基礎(chǔ)，需要采集與設(shè)計、施工、運行、維護(hù)、檢驗、地質(zhì)、失效、工傷賠償、環(huán)境處罰等有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括但不限于表1規(guī)定的內(nèi)容。數(shù)據(jù)收集應(yīng)盡可能完整，必要時可進(jìn)行補(bǔ)充檢測，比如壁厚、土壤電阻率等，而對于無法獲取的數(shù)據(jù)，應(yīng)由評估機(jī)構(gòu)和業(yè)主共同研討，提出合理假設(shè)。最終，所有數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)主業(yè)審核、確認(rèn)。

表1 完整性數(shù)據(jù)采集Tab.1 DAQ of integrity

2.2 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估是應(yīng)用系統(tǒng)信息識別風(fēng)險源，進(jìn)行風(fēng)險分析和風(fēng)險評價的過程。一般將儲罐分為底板和壁板兩個評價單元，分析各評價單元的損傷模式和失效后果，進(jìn)而計算風(fēng)險。

風(fēng)險（Risk）=失效可能性（Lof）×失效后果（Cof）

常壓儲罐風(fēng)險計算過程及其影響因素如圖2 所示。

風(fēng)險評估的目的一是進(jìn)行風(fēng)險排序，根據(jù)設(shè)備的風(fēng)險程度確定檢驗的優(yōu)先級別，二是制定檢驗策略。安全、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險可接受是唯一準(zhǔn)則，在完整性管理技術(shù)中，一般可將風(fēng)險分為低、中、中高和高4 個等級，以圖3 所示的5 階陣圖表示，風(fēng)險與檢驗的關(guān)系如圖4所示[6]。

圖2 常壓儲罐風(fēng)險計算過程示意圖Fig.2 Risk computational process of atmospheric storage tank

圖3 風(fēng)險矩陣圖Fig.3 Risk matrix

圖4 風(fēng)險坐標(biāo)圖Fig.4 Risk coordinate

一般而言，低風(fēng)險屬于完全可接受風(fēng)險，可將關(guān)注程度降到最低；中風(fēng)險屬于可接受風(fēng)險，在日常管理中應(yīng)予適當(dāng)關(guān)注；高風(fēng)險屬于不可接受風(fēng)險，必須實施檢驗并采取降險措施，將風(fēng)險降至可接受水平；而中高風(fēng)險則應(yīng)予以重點關(guān)注，當(dāng)認(rèn)為風(fēng)險不可接受時盡快實施檢驗。

風(fēng)險評估輸入的是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輸出的是完整性檢驗策略（包括檢驗時間、檢驗類型、檢驗方法及其檢驗有效性）。檢驗策略的制定原則包括：

（1）檢驗時間應(yīng)選擇在風(fēng)險(或損傷因子)達(dá)到業(yè)主可接受水平之前。某罐區(qū)23 臺按既定時間應(yīng)于2016 年實施檢驗的在役儲罐，風(fēng)險評估后，根據(jù)風(fēng)險水平檢驗延后了，圖5為給出的下次檢驗時間建議。

圖5 23臺儲罐下次檢驗時間建議Fig.5 Advice of inspection time of 23 storage tanks

（2）有高風(fēng)險、高失效可能性的儲罐，應(yīng)優(yōu)選開罐檢驗，中低風(fēng)險優(yōu)選在線檢驗；具備開罐檢驗條件的，優(yōu)選開罐檢驗，不具備開罐條件的，在風(fēng)險可控前提下，可選擇在線檢驗。

（3）檢驗方法和檢驗有效性的選擇應(yīng)考慮部件的損傷機(jī)理，在滿足降低風(fēng)險的前提下選擇有效性最為適宜的檢驗方法。對此前做過檢驗的儲罐，應(yīng)與上次檢測結(jié)果進(jìn)行對比，分析腐蝕風(fēng)險的變化，對于腐蝕活性部位采取削減應(yīng)對措施予以消除。常用檢測方法及其有效性如表2所示。

表2 常用檢測方法及其有效性Tab.2 Common detection methods and their effectiveness

2.3 完整性檢測與評價

（1）完整性檢測。完整性檢測是對風(fēng)險評估給定的檢驗策略的實施過程。檢測類型分為在線檢測和開罐檢測兩類。美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API RP 575《常壓和低壓儲罐的檢驗作法》明確指出，腐蝕是鋼質(zhì)儲罐及其配件劣化的主要原因，儲罐檢驗的主要目的之一，就是發(fā)現(xiàn)腐蝕位置，測量腐蝕程度[7]。因而腐蝕檢測是完整性檢測的重點，目視檢查和超聲波測厚是最基本的檢測方法，底板整體聲發(fā)射檢測（AE）是在線條件下首選的腐蝕檢測方法，漏磁檢測（MEL）是開罐條件下首選的腐蝕檢測方法，必要時可以采用超聲波C掃描或高頻超聲導(dǎo)波進(jìn)行補(bǔ)充檢測；當(dāng)存在相關(guān)損傷機(jī)理時，還應(yīng)實施罐體變形、沉降檢測以及焊縫磁粉或滲透檢測、真空試漏檢測等。

常規(guī)完整性檢測流程如圖6所示。

（2）完整性評價。完整性評價是指對儲罐安全狀態(tài)進(jìn)行評價，確定其適用性的過程，也可叫做工況適用性評價。完整性評價一般應(yīng)包括兩方面的內(nèi)容：①儲罐安全狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)的符合性評價；②儲罐的剩余壽命評價。例如，某儲罐的檢測結(jié)果表明，壁板腐蝕、罐體局部變形，此時應(yīng)與評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，當(dāng)壁板剩余厚度滿足最小壁厚和檢驗周期內(nèi)腐蝕裕量要求，罐體圓度、垂直度、局部變形量在允許范圍內(nèi)時，認(rèn)為罐體是完整的，可以繼續(xù)服役；反之則需要采取相應(yīng)的維修降險措施；當(dāng)?shù)装寤虮诎甯g明顯時，還應(yīng)計算其腐蝕速率，確定其可繼續(xù)服役的時間，評價其剩余壽命。

目前關(guān)于常壓儲罐檢驗與評價的標(biāo)準(zhǔn)較少，而且不同標(biāo)準(zhǔn)的合格判定準(zhǔn)則有明顯差異。例如，關(guān)于中幅底板的最小厚度要求，SY/T 5921《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》[8]規(guī)定平均厚度不得小于設(shè)計厚度的80%，點蝕的最大深度不大于設(shè)計厚度的40%，而SY/T 6620《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》[9]規(guī)定的最小厚度為2.54 mm。按照不同標(biāo)準(zhǔn)評價會得到完全不同的完整性結(jié)論。因而，進(jìn)行完整性評價之前必須明確評價的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)。

（3）合于使用評價。合于使用來源于英文Fitness-for-service，意為服役適用性。合于使用評價是指對含超標(biāo)缺陷或已達(dá)到壽命期的設(shè)備能否繼續(xù)使用而進(jìn)行的定量工程評價[10]。

任何設(shè)備都不會是完美無缺的，制造過程中由于工藝、技術(shù)、材料等方面的原因，可能存在原始制造缺陷，在服役過程中受載荷、介質(zhì)、環(huán)境等因素的影響，還可能出現(xiàn)新生缺陷。工程實踐證明，危害性缺陷才會導(dǎo)致設(shè)備失效，缺陷是否具備危害性與其失效機(jī)理和服役條件有關(guān)。因而，按照已知理論結(jié)合設(shè)備的服役條件進(jìn)行必要的分析評定，對缺陷加以區(qū)分，剔除危害性缺陷，保留非危害性缺陷，允許帶有非危害性缺陷的設(shè)備在原有條件或某些限制條件下繼續(xù)運行，可以減少不必要的設(shè)備維修或報廢。

圖6 完整性檢測流程圖Fig.6 Flow chart of integrity inspection

合于使用評價是完整性評價的最終結(jié)論，通過合于使用評價的儲罐可以繼續(xù)安全服役，未能通過評價的儲罐則需要采取相應(yīng)的維修/降險措施，或在某限制條件下繼續(xù)服役，對于維修后仍然不能降低風(fēng)險或無維修價值的則應(yīng)予以報廢。例如，某倉儲公司一臺50 000 m3的原油儲罐，檢驗發(fā)現(xiàn)第2圈環(huán)焊縫內(nèi)部存在大面積的未焊透缺陷，檢驗人員分析了儲罐的受力狀態(tài)及其潛在的失效模式，參照GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》[11]中環(huán)向平面缺陷的評定方法，根據(jù)其材料性能、缺陷表征進(jìn)行分析計算，判定檢驗發(fā)現(xiàn)的埋藏缺陷在正常工況下不影響儲罐的安全使用，儲罐可以正常運行。由此可見，當(dāng)罐體存在缺陷時，如果按照斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等已知理論對缺陷進(jìn)行評定，有可能改變罐體的完整性級別。合于使用評價對于節(jié)省檢維修費用，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益大有裨益。

2.4 完整性評價響應(yīng)

完整性評價響一般可包括日常管理與巡護(hù)、缺陷修復(fù)、自然與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險控制、腐蝕控制等風(fēng)險減緩/降低措施，須根據(jù)風(fēng)險狀態(tài)和完整性評價結(jié)論并結(jié)合現(xiàn)場條件選擇實施，一般可包括：

（1）對檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷予以消除或修復(fù)。例如焊接接頭裂紋應(yīng)打磨消除，無法打磨消除的應(yīng)返修補(bǔ)焊；罐底板局部剩余厚度不足或坑蝕應(yīng)做補(bǔ)焊、局部更新或補(bǔ)板處理。

（2）對不能修復(fù)缺的陷應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況合理處置。例如罐體大面積嚴(yán)重減薄的，可增設(shè)加強(qiáng)圈或降低操作液位使用；對于通過合于使用評價的，可以根據(jù)評價結(jié)果，允許儲罐在限制條件下繼續(xù)運行或適當(dāng)縮短在用檢驗周期。

（3）降低失效可能性。例如對于一般的腐蝕減薄，可以通過修復(fù)涂層、增設(shè)犧牲陽極塊等方式控制罐體腐蝕速率、增設(shè)加強(qiáng)圈增強(qiáng)罐體穩(wěn)定性。

（4）降低失效后果。通過修復(fù)或加固防火堤，防止儲液流出從而減少儲液影響面積，降低失效后果；制定應(yīng)急預(yù)案、定期進(jìn)行演練也是降低失效后果的有效方法。

（5）退役（更新）。當(dāng)設(shè)備損傷導(dǎo)致的失效風(fēng)險無法控制在可接受水平并且無修復(fù)價值時，應(yīng)讓設(shè)備退出運行予以更新。

（6）加強(qiáng)日常管理。如修正巡檢（日檢、月檢）方案，明確巡檢的內(nèi)容、頻次和重點關(guān)注位置。做好預(yù)防措施，以減少雷擊、滑坡、山洪、地基沉陷等自然與地質(zhì)災(zāi)害的侵害。

2.5 效能評價

效能評價是完整性管理程序中不可或缺的一步，關(guān)于效能，不同行業(yè)和組織有不同理解[12]，關(guān)于效能評價，不同標(biāo)準(zhǔn)也有不同要求。但總體而言，效能評價的目的是評估完整性管理的目標(biāo)是否完成，設(shè)備的完整性和安全性是否得到有效提高[3-5，13-15]。儲罐完整性管理效能評價至少應(yīng)考慮性能、操作與維護(hù)和事件3個方面的指標(biāo)。

目前尚未見到常壓儲罐完整性管理效能評價的標(biāo)準(zhǔn)和成熟方法的報導(dǎo)。油氣管道完整性管理常用的效能評價方法[16-19]有：①管理審核法，采用內(nèi)部或外部審核，對完整性管理過程記錄性資料和管道實際生產(chǎn)運行情況現(xiàn)場審核相結(jié)合；②指標(biāo)評價法，針對具體危害因素的專項效能和完整性管理的整體效能進(jìn)行評價；③投入產(chǎn)出法，根據(jù)投入的人力、物力、財力和產(chǎn)出的數(shù)量、質(zhì)量和效果進(jìn)行評價；④對標(biāo)法，與同行業(yè)的先進(jìn)單位對標(biāo)，查找差距與不足，并制定改進(jìn)措施，不斷完善改進(jìn)。中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1180.8《管道完整性管理規(guī)范第8 部分：效能評價》[20]則規(guī)定通過效能測試法（考察管道各類危害因素控制及風(fēng)險消減情況）和綜合效能評價法（分析完整性管理各項工作的“投入-產(chǎn)出”，綜合衡量管道完整性管理的效果、效率及效益）進(jìn)行評價。這些都為建立常壓儲罐效能評價方法提供了借鑒。

3 結(jié)論

常壓儲罐的完整性管理涉及設(shè)計、建造、運行直至報廢的全生命周期，本文所述僅是常壓儲罐完整性管理的一部分。建立全生命周期完整性管理體系，推廣罐區(qū)基于風(fēng)險的檢驗（RBI）、危險與可操作性分析（HAZOP）、以可靠性為中心的維修（RCM）、安全完整性等級分析（SIL）等技術(shù)，綜合運用風(fēng)險評估、檢驗策略優(yōu)化、完整性檢測、完整性評價和合于使用評價等技術(shù)和方法，才能全面提升常壓儲罐系統(tǒng)的整體安全水平，保證儲罐的本質(zhì)安全。

為了做好儲罐的完整性管理，有必要盡快開展如下工作：采集和完善儲罐的相關(guān)信息，包括設(shè)計資料、建造資料、運行記錄、檢驗與維修記錄、事故與事件記錄等，充實和完善數(shù)據(jù)庫，為全面開展儲罐的完整性管理奠定基礎(chǔ)；開展相關(guān)技術(shù)研究，借鑒國際先進(jìn)技術(shù)，修改、完善現(xiàn)有檢驗和檢測標(biāo)準(zhǔn)，提升我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平；建立健全適合我國國情的常壓儲罐完整性管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，以推進(jìn)常壓儲罐的完整性管理技術(shù)應(yīng)用。