在用工業(yè)管道風險檢驗預知性維修應用分析

許其華

（中國石化上海石油化工股份有限公司 上海 200540）

在用工業(yè)管道風險檢驗預知性維修應用分析

許其華

（中國石化上海石油化工股份有限公司 上海 200540）

工業(yè)管道是煉油化工裝置的重要組成部分，在長期使用過程中受內(nèi)外環(huán)境和操作狀況等因素影響，容易發(fā)生泄漏、爆炸等事故，嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)和社會穩(wěn)定。以乙烯、丙烯罐區(qū)在用工業(yè)管道為例，引入風險管理和預知性理念，通過對在用工業(yè)管道損傷模式識別，預測管道存在的缺陷類型和位置，利用先進的檢測技術，確定缺陷的性質(zhì)和尺寸，評估管道剩余壽命，在發(fā)生事故之前，為企業(yè)提供預知性檢驗維修策略，使在用工業(yè)管道始終處于安全可靠狀態(tài)，逐步從人工判斷、經(jīng)驗推測轉(zhuǎn)向科學動態(tài)檢修，提高檢驗的針對性和有效性。

風險管理 預知性 損傷模式識別 剩余壽命

我國石油化工企業(yè)中屬于特種設備目錄壓力管道定義的工業(yè)管道超過20萬km，是壓力管道中工藝流程種類最多、生產(chǎn)制造環(huán)境狀態(tài)最為復雜、輸送介質(zhì)品種較多，運行條件較苛刻的壓力管道。相對于鍋爐與壓力容器等承壓設備，管道行業(yè)的發(fā)展相對滯后，總體的管理水平和標準化水平較低。隨著使用年限的增加，服役環(huán)境不斷劣化，酸值由0.5mgKOH/g升至2.5～4.0mgKOH/g，硫含量由0.5%升至3.5%～5.0%，導致管道事故不斷增多，占煉油化工企業(yè)承壓設備及元件泄漏的70%以上，嚴重影響裝置的正常生產(chǎn)，應用科學合理的檢測技術，發(fā)現(xiàn)工業(yè)管道潛在的缺陷或隱患，進行預知性維修改造，使管道處于安全可靠的狀態(tài)，是管道安全保障技術管理的發(fā)展方向。

檢驗機構一般按照《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》[1]的相關規(guī)定進行檢驗，受限于常規(guī)檢測技術的局限性，以及管道結(jié)構的復雜性、管道缺陷分布的離散性，往往會導致“過度檢驗”或“檢驗不足”的情況。常規(guī)檢測技術一般需要在停車狀態(tài)下實施，且需要拆除大量的防腐保溫層，造成停產(chǎn)損失和檢測輔助成本遠遠高于檢測費用，壓力管道的安全性與經(jīng)濟性無法兼顧。因此，建立基于風險的預知性檢驗維修體系，應用風險評估技術，在經(jīng)濟投資最優(yōu)化的情況下，分析管道存在的損傷類型和位置，檢測管道缺陷的尺寸和性質(zhì)，提供預知性檢驗維修策略。

1 基于風險在線檢驗體系

采用風險管理理念，管道的狀態(tài)管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉旨壏诸愶L險管理，側(cè)重于考慮管道的失效后果和失效可能性，在考慮管道重要性的同時，兼顧可能導致事故發(fā)生的各種因素。參照國家推薦標準GB/T 30579—2014[2]損傷模式識別，針對高風險的管道，利用低頻導波、漏磁等新技術，實現(xiàn)關鍵管道在線檢測監(jiān)測，針對超標缺陷進行剩余壽命預測，制定預知性維修策略。基于風險在線檢驗體系見圖1。

圖1 在線風險檢驗預知性維修體系

2 關鍵技術分析

2.1 風險評估技術

風險評估又稱危險評價，是對系統(tǒng)發(fā)生事故的危險性進行定性和定量分析，評價系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性和程度，以尋求最小的事故率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益[3-4]。風險評價最早出現(xiàn)在20世紀30年代的保險業(yè)，60年代開始系統(tǒng)地研究裝置和設施的安全評價原理和方法[5]，隨著石油化工領域的風險分析技術的發(fā)展，90年代初期歐美20余家石化企業(yè)集團為了在安全的前提下降低運行成本，美國石油學會在石化企業(yè)開展基于風險的檢測（RBI，Risk Based Inspection）應用研究，先后頒布了API 581[6]和API 580[7]。我國20世紀70年代開始探索風險評估，近幾年RBI技術在國內(nèi)作為一項高新技術進行工程應用[8]。

風險評估分為定性、半定量、定量三種類型，其中，定性方法簡單，主觀意識和經(jīng)驗成分高，并且不同評價對象之間無可比性；半定量方法比較簡單，使用評分方法確定指標取值，帶有主觀意識和經(jīng)驗成分；定量方法理論依據(jù)充分、結(jié)果準確可靠，需要大量數(shù)據(jù)支撐，是目前國際上普遍采用的一種方法。RBI風險評估方法包括的要素主要為：危險辨識、失效概率評估、失效后果評估、風險計算和排序、制定檢驗策略和風險再評估，風險結(jié)果可由式（1）構成。

失效概率由設備系數(shù)、損壞系數(shù)、檢測系數(shù)、維修狀況系數(shù)、工藝系數(shù)和機械設計系數(shù)六項構成，失效后果由損壞后果和健康后果構成，其中損壞后果系數(shù)包括化學物質(zhì)系數(shù)、物質(zhì)存量系數(shù)、狀態(tài)系數(shù)、自燃系數(shù)、保護系數(shù)和壓力系數(shù)六項，健康后果系數(shù)包括毒性量系數(shù)、擴散性系數(shù)、保護系數(shù)和人口系數(shù)四項。失效概率等級和失效后果等級評定[9]見表1。

表1 失效概率等級和失效后果等級評定

由失效可能性等級和失效后果等級繪制風險矩陣，根據(jù)風險等級確定管道的檢驗范圍和比例，見圖2，將風險區(qū)劃分為四個等級，劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個不同的風險區(qū)，其中Ⅱ區(qū)涵蓋中風險區(qū)和中高風險區(qū)。Ⅰ為高風險區(qū)，必須進行整改或采取措施加強管理，消除事故隱患；Ⅱ為中高風險區(qū)，應進行在線監(jiān)測和無損檢測；Ⅲ為中風險區(qū)，應進行定期保養(yǎng)和檢驗；Ⅳ為低風險區(qū)，需要酌情減少檢查保養(yǎng)。

圖2 風險矩陣圖

2.2 損傷模式識別

在風險評估的基礎上進一步識別管道存在的損傷位置和模式，是指導在線檢測的關鍵。損傷是指承壓設備在外部機械力、介質(zhì)環(huán)境、熱作用等單獨或共同作用下，造成的材料性能下降、結(jié)構不連續(xù)或承載能力下降。損傷模式主要分為：腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化和機械損傷等，見表2。

表2 損傷模式

2.3 在線檢測技術

高溫或低溫工業(yè)管道的腐蝕和焊接缺陷等檢測，常規(guī)檢測技術往往需要在停車狀態(tài)下進行，且存在較大的局限性。例如，應用超聲波測厚儀對管道進行壁厚檢測，數(shù)據(jù)顯示的為探頭覆蓋面積的平均壁厚，點狀或縫隙狀缺陷無法檢測，探測面積相對管道微乎其微，很容易造成漏檢，且高溫或低溫狀態(tài)下的管道需要拆除外覆蓋層，導致檢測綜合成本非常高。

檢測新技術可提高檢測效率和針對性，大大降低輔助費用。低頻導波檢測技術結(jié)合漏磁檢測技術可實現(xiàn)管段100%內(nèi)外壁厚減薄缺陷檢測，脈沖渦流可實現(xiàn)在線狀態(tài)下不拆保溫管體內(nèi)外腐蝕檢測，X射線數(shù)字成像技術可實現(xiàn)部分管道在線帶保溫層狀態(tài)下的焊縫無損檢測。每種檢測技術具有一定的適用性和局限性，但相互補充，見表3，各種新技術組合應用可實現(xiàn)工業(yè)管道在線檢測，降低輔助工作量。針對風險評估、損傷模式識別的高風險管道，應用新技術可提高缺陷檢出率，有效降低“過度檢驗”或“檢驗不足”的風險。

表3 在線檢測技術適用性分析

2.4 剩余壽命預測

管道本體安全狀況、外部環(huán)境和管理水平影響管道的使用壽命，剩余壽命預測是在檢測數(shù)據(jù)的基礎上，通過嚴格的理論分析，計算已有缺陷與損傷的安全容限及擴展趨勢，預期工況下，預測管道發(fā)生失效的周期，用于指導管道的運行維護和改造，延長管道使用壽命，提升技術管理水平。不同失效類型的缺陷剩余壽命預測方法不同，國外標準API RP 579[10]給出了脆性斷裂、均勻金屬損失、局部金屬損失、點蝕、裂紋、疲勞斷裂等缺陷類型的剩余壽命預測方法。壁厚法是基于未來服役條件、實測壁厚、金屬局部損失區(qū)域尺寸、預期腐蝕速率以及裂紋擴展速率估計計算需要的最小壁厚，預測方法見式（2）。

式中：

RL——剩余壽命，a；

Crate——預期腐蝕速率，mm/a；

tmm——管道實測平均壁厚，mm；

tmin——管道最小要求壁厚，mm；

Rt——剩余壁厚比，由剩余強度評估可得。

3 工程應用分析

3.1 管道基本情況

某石化裝置乙烯丙烯罐區(qū)管道總計112條約6.44km，管道外徑57～457mm，管道壁厚4.0～11.0mm，工作壓力4.0～11.0MPa，工作溫度-37～210℃，管道材料為PL46和PT42，輸送乙烯、丙烯、氮氣等介質(zhì)，于1989年4月運行使用。

3.2 風險評估

按照在線風險檢驗預知性維修體系，乙烯丙烯罐區(qū)工業(yè)管道主要的潛在失效模式有內(nèi)腐蝕（均勻減薄、局部減?。?、外腐蝕（大氣腐蝕、層下腐蝕）、環(huán)境開裂、機械損傷等，綜合考慮失效可能性和失效后果，對管線風險程度做出評估，風險矩陣見圖3。

圖3 乙烯丙烯罐區(qū)工業(yè)管道風險矩陣圖

由圖3可知，低風險管道共計43條，占比38.39%；中風險管道共計41條，占比36.61%；中高風險管道共計28條，占比25.00%；高風險管道共計0條，占比0.00%。管道檢驗范圍和抽查比例，見表4。

不同的失效模式會導致設備發(fā)生不同的破壞形式，根據(jù)可能出現(xiàn)的破壞形式選擇合適的檢驗方法是制訂檢驗策略的關鍵，按照API 581檢驗效果的要求，制定最終的檢驗策略。

表4 管道檢驗抽查比例

3.3 在線檢測

根據(jù)風險評估結(jié)果和檢驗策略，采用低頻導波、漏磁、脈沖渦流和X射線數(shù)字成像等技術進行在線檢測，檢測共發(fā)現(xiàn)4級超標缺陷32處，主要為內(nèi)腐蝕減薄6處，外腐蝕減薄17處，焊縫缺陷（未焊透、未熔合）7處，管體滲漏1處，管道元件泄漏1處。其中，低頻導波檢測共計8處，發(fā)現(xiàn)4級超標缺陷10處，見圖4，丙烯管道（管道編號：6〃P 4224 B2A）低頻導波信號29驗證為φ20×2.5mm局部外腐蝕，低頻導波信號33驗證為φ35×3.0mm局部外腐蝕。

圖4 低頻導波缺陷檢測

3.4 剩余壽命預測

基于損傷模式計算管道剩余壽命，對于剩余壽命不能滿足預期使用年限的管道予以及時維修，為保障管道安全，以最小壁厚計算，部分管道剩余壽命計算結(jié)果見表5。

3.5 預知性維修

以管道的剩余壽命為依據(jù)，檢驗周期最長不超過管道剩余壽命的一半，并且不得超過《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》規(guī)定的檢驗周期，對于檢驗周期不能滿足預期使用年限的管道予以及時維修或報廢。

表5 部分管道剩余壽命

4 結(jié)論

本文引用風險管理理念，建立了基于風險的在線檢驗預知性維修體系，并通過工程應用分析，可以得到如下結(jié)論：

1）基于風險的檢驗可提高檢驗的有效性和針對性，一定程度降低“過度檢驗”或“檢驗不足”的情況發(fā)生，安全與經(jīng)濟達到平衡，建立分級分類管理制度，提高設備管理水平。

2）新技術應用可實現(xiàn)部分管道的在線檢測，提高了缺陷的檢出率，減少了停車損失，降低了輔助費用，不同工況、不同失效模式的管道采用不同的在線檢測技術。

3）以剩余壽命為指導的分級分類預知性維修，為生產(chǎn)裝置提供科學合理的維修周期，確保管道安全運行的基礎上實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化。

4）基于風險的在線檢驗預知性維修具有體系化、系統(tǒng)化特點，管道原始資料是否齊全和檢測評估人員的能力影響實施效果，進一步完善體系，為生產(chǎn)裝置提供科學合理的安全保障技術。

[1] 在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程（國質(zhì)檢鍋［2003］108號）[S].

[2] GB/T 30579—2014 承壓設備損傷模式識別[S].

[3] 戴樹和.風險分析技術（一）——風險分析的原理和方法[J].壓力容器，2002，19(02)：1-9.

[4] 戴樹和.風險分析技術（二）——典型裝置上的工程應用[J].壓力容器，2002，19(03)：1-6.

[5] 黃維和.油氣管道風險管理技術的研究及應用[J].油氣儲運，2001，20（10）：1-10.

[6] API 581 Risk-Based Inspection Base Resource Document[S]. American Petroleum Institute， 2000.

[7] API 580 Risk-based Inspection[S].American Petroleum Institute， 2002.

[8] 韓建宇，高金吉，陳國華.石油化工生產(chǎn)裝置長周期運行設備風險評價[J].壓力容器，2006，23（08）：45-48.

[9] GB/T 26610.3—2014 承壓設備系統(tǒng)基于風險的檢驗實施導則 第3部分：風險的定性分析方法[S].

[10] API 579 Recommended practice for fitness-forservice[S]. Washington D C： American Petroleum Institute，2000.

Analysis on the Application of Risk Inspection and Predictive Maintenance in Industrial Pipeline

Xu Qihua
(Sinopec Shanghai Petrochemical Company Limited Shanghai 200540)

Industrial piping is the important part of re fi nery and petrochemical plant. In the process of longterm use, industrial piping is affected by factors such as internal and external environment and operating conditions,which is prone to leakage, explosion and other accidents with seriously affection on production and social stability.Taking the industrial pipeline in ethylene propylene tank as an example, the concept of risk management and forecasting is introduced in this paper. Based on the damage modes identi fi cation for industrial piping, the defect type and location of the pipeline can be predicted. By means of advanced detection technology, the character and size of the defect can be determined and the remaining life of the pipeline can be evaluated. In the event of an accident, the predictive inspection and maintenance strategies can be provided to the enterprises, so that in the industrial pipeline is always in a safe and reliable state. Scienti fi c dynamic maintenance gradually takes place of the empirical judgment,improving the relevance of testing and effectiveness.

Risk management Predictability Damage modes identi fi cation Remaining life

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0077-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.021

許其華（1966～)，男，本科，副主任師，從事石化設備管理工作。

許其華，E-mail： xqh40006@163.com。

2017-02-03）