在役儲罐完整性管理關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

李玉忠

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

大型儲罐是石油行業(yè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,具有儲罐大型化、集中布置和儲存介質(zhì)易燃易爆特點,如發(fā)生油品泄漏,極易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、環(huán)境污染等嚴(yán)重事故,傳統(tǒng)的儲罐安全管理模式已不適用[1]。完整性管理是保證油氣管道設(shè)施安全運行的可靠手段,已在長輸管道領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。中國對大型油庫重大危險源安全監(jiān)管日益重視,中國特種設(shè)備檢測研究院牽頭制定GB/T 37327—2019《常壓儲罐完整性管理》[2],但儲罐完整性管理技術(shù)研究還處于初級階段,對于儲罐安全運營的支撐作用還未充分發(fā)揮[3]。為保障在役儲罐安全高效運行,指導(dǎo)油庫企業(yè)科學(xué)、高效開展儲罐完整性管理工作,提出在役常壓儲罐完整性管理程序,結(jié)合國內(nèi)儲罐生產(chǎn)運行實踐,提出提高儲罐完整性管理水平的建議。通過控制儲罐風(fēng)險等級在可接受范圍,實現(xiàn)儲罐安全管理由“事故后處理”向“事故前預(yù)防”的轉(zhuǎn)變,提高在役儲罐的本質(zhì)安全水平。

1 儲罐完整性管理概念及涵義

“完整性”指系統(tǒng)處于安全可靠服役狀態(tài),包括: 設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能上完整有效、風(fēng)險可控,安全狀態(tài)滿足運行要求。實施技術(shù)路線是應(yīng)用先進(jìn)檢測技術(shù)和風(fēng)險評估方法,掌握儲罐損傷失效機(jī)理,識別風(fēng)險因素,制定消減措施,將風(fēng)險控制在可接受范圍內(nèi),持續(xù)改進(jìn),實現(xiàn)減少和預(yù)防事故的目的。研究表明儲罐失效原因包括: 自然環(huán)境腐蝕因素、儲存介質(zhì)危險性、設(shè)計不合理、人為操作失誤和材料缺陷等[4]。儲罐完整性管理應(yīng)重點關(guān)注罐頂失穩(wěn)傾斜、罐壁板焊縫開裂泄漏、罐底板腐蝕滲漏、罐基礎(chǔ)沉降以及如加熱器、呼吸閥、中央排水管、密封系統(tǒng)等儲罐附件設(shè)施損壞失效、儀表故障等。

儲罐完整性管理遵循“計劃-實施-檢查-改進(jìn)”(Plan-Do-Chenck-Attion, PDCA)四步法動態(tài)管理模式,構(gòu)建數(shù)據(jù)收集與整合為基礎(chǔ),風(fēng)險評價、完整性檢測與評價為依據(jù),完整性評價響應(yīng)為保障,效能評價為驗證的階段過程。

2 數(shù)據(jù)收集與整合

數(shù)據(jù)收集是完整性管理的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)越完整,檢測評價結(jié)果真實有效性越高。應(yīng)系統(tǒng)、全面收集儲罐設(shè)計、施工、運行、維護(hù)和檢驗數(shù)據(jù),完整性檢測及決策響應(yīng)后,數(shù)據(jù)進(jìn)行更新補(bǔ)充,保證數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確,例如罐壁板厚度測試、罐底板檢測、土壤電阻率測試和失效事故等。

1)基本參數(shù)。包括: 儲罐直徑、高度,壁板/底板材質(zhì)、厚度,儲存介質(zhì)性質(zhì),焊縫類型,附件設(shè)施等。

2)環(huán)境條件。包括: 設(shè)計溫度,氣候條件,地質(zhì)條件,土壤類型等。

3)施工數(shù)據(jù),例如投產(chǎn)時間,水壓試驗,地基及土壤回填,防腐層/保溫層,陰極保護(hù)等。

4)運行維護(hù)數(shù)據(jù),例如油品充裝速率,操作壓力/溫度,液位波動,即浮頂支柱落底頻率,罐底積水排水狀況。

5)失效事故數(shù)據(jù),例如歷史事故位置、原因、后果和經(jīng)濟(jì)損失。

6)檢測維修數(shù)據(jù),例如罐體檢驗,腐蝕監(jiān)測,壁厚檢測、沉降監(jiān)測等。

3 風(fēng)險評價

風(fēng)險一般用事故可能造成安全、環(huán)境和商業(yè)方面的損失表征。儲罐風(fēng)險等級影響因素是泄漏油品性質(zhì)/體積、油品泄流通道、土壤條件、事故持續(xù)時間、生態(tài)條件、人口密度等。

3.1 風(fēng)險計算方法

美國標(biāo)準(zhǔn)API Publ353提出了儲罐完整性管理的風(fēng)險評價程序,儲罐風(fēng)險值R(t)是失效概率F(t)與失效后果C(t)的乘積,其中失效概率=基礎(chǔ)失效概率×損傷因子。

基礎(chǔ)失效概率是共性參數(shù),表示特定類型設(shè)備平均失效概率。損傷因子是個性參數(shù),與儲罐服役年限、損傷機(jī)理/速率和檢驗措施有效性相關(guān),通過對基礎(chǔ)失效概率進(jìn)行修正得到特定儲罐失效概率。失效后果取決于失效形式,例如管壁板泄漏、底板滲漏、儲罐破裂以及溢出防火堤造成環(huán)境污染等,考慮環(huán)境清理/賠償、設(shè)備修理、人員傷亡賠償和停產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失等。

3.2 風(fēng)險等級

完整性管理按照安全、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險可接受準(zhǔn)則,根據(jù)失效概率等級和失效后果等級,建立風(fēng)險矩陣圖,風(fēng)險分為低、中、中-高和高4個等級。低風(fēng)險屬于可忽略風(fēng)險等級,可酌情減少關(guān)注和檢查維護(hù);中風(fēng)險屬于可接受風(fēng)險等級,儲罐運行管理中應(yīng)定期維護(hù)及檢驗;中-高風(fēng)險指設(shè)備應(yīng)在嚴(yán)格審查程序和控制措施下運行,實施在線檢測和無損檢測,確定下次檢測周期,評估是否屬于不可接受風(fēng)險。高風(fēng)險屬于不可接受風(fēng)險,應(yīng)立即實施檢測并采取緩解措施,消除事故隱患。設(shè)備重新運行前,將風(fēng)險降至可接受水平。

風(fēng)險評價結(jié)論是給出風(fēng)險優(yōu)先級排序,確定儲罐設(shè)施檢驗的優(yōu)先級別,制定完整性檢測策略,包括以下方面:

1)檢測時間。檢測時間應(yīng)滿足風(fēng)險(或損傷因子)達(dá)到可接受準(zhǔn)則之前。

2)檢測類型。高風(fēng)險儲罐應(yīng)選擇開罐檢測;中、低風(fēng)險儲罐應(yīng)選擇在線檢測。

3)檢測方法。檢測方法應(yīng)根據(jù)設(shè)施損傷機(jī)理確定。

4 儲罐完整性檢測與評價

4.1 完整性檢測

儲罐完整性檢測是對風(fēng)險評價結(jié)果的檢測策略實施過程,分為在線檢測和開罐檢測。API RP 575: 2013《常壓和低壓儲罐檢驗做法》[5]指出腐蝕是儲罐及附件設(shè)施劣化主要原因,儲罐完整性檢測以壁板/底板腐蝕檢測為主[6]。檢測方法中宏觀檢查和超聲波測厚是基本檢測方法;聲發(fā)射法是在線檢測罐底板腐蝕狀態(tài)和泄漏信號的首選方法;漏磁檢測是開罐條件下檢測罐底板腐蝕程度的首選方法,可以結(jié)合超聲波C掃描和超聲導(dǎo)波進(jìn)行補(bǔ)充檢測;儲罐如存在損傷失效可能性,實施罐體變形/沉降檢測;焊縫磁粉/滲透檢測用于檢測罐壁板焊縫裂紋缺陷。大型儲罐完整性檢測應(yīng)充分考慮材質(zhì)、工藝因素影響,以及腐蝕缺陷類型,選擇適用的檢驗檢測技術(shù)。

1)宏觀檢查。檢查罐壁板、罐頂、罐基礎(chǔ)、混凝土環(huán)墻和扶梯的損傷、銹蝕、破損等質(zhì)量狀況。

2)超聲波測厚。重點檢查罐壁板、罐底板和頂板厚度。

3)聲發(fā)射檢測。聲發(fā)射法是實時動態(tài)檢測技術(shù),只顯示、記錄活性缺陷和正在擴(kuò)展的缺陷,即缺陷與尺寸無關(guān),只與危險程度相關(guān)。

4)超聲導(dǎo)波檢測。技術(shù)原理是高頻導(dǎo)波在設(shè)備表面可得到雙面檢測結(jié)果,可探測儲罐內(nèi)表面腐蝕、裂紋缺陷,以及罐壁板/罐底邊緣板腐蝕。超聲導(dǎo)波既具有超聲檢測技術(shù)的高靈敏度,也具備導(dǎo)波技術(shù)大面積快速掃描特點。超聲導(dǎo)波缺點是不能確定缺陷具體位置、深度信息,需要借助超聲檢測確定實際位置。

5)漏磁檢測。罐底板體積型腐蝕缺陷檢測。

6)射線檢測。焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣等埋藏型缺陷檢測。

7)滲透、磁粉檢測。泄漏檢測和裂紋等表面缺陷檢測。

8)渦流檢測。罐底板上下表面缺陷檢測。

9)基礎(chǔ)沉降觀測。沿罐周進(jìn)行沉降觀測,分析均勻沉降、平面傾斜和非平面沉降。

4.2 完整性評價

儲罐完整性評價指應(yīng)用適用的檢驗、檢測技術(shù),獲得設(shè)備狀況信息,利用材料和結(jié)構(gòu)可靠性理論對其安全狀態(tài)進(jìn)行評價,確定其適用性和剩余壽命。儲罐完整性評價結(jié)論包括:

1)儲罐安全狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)的符合性。包括: 壁板/底板剩余厚度是否滿足最小壁厚及在下次檢測周期內(nèi)腐蝕余量;罐體圓度、垂直度和局部變形量在允許范圍內(nèi);儲罐基礎(chǔ)沉降是否處于穩(wěn)定階段,如滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,認(rèn)為儲罐可以繼續(xù)運行,否則應(yīng)采取維修措施。

2)儲罐剩余壽命。如壁板/底板發(fā)生明顯腐蝕,應(yīng)計算其腐蝕速率,確定評估剩余壽命。

儲罐完整性評價參照文獻(xiàn)[7]中關(guān)于儲罐底板、壁板、浮頂、附件設(shè)施、焊縫、防腐層和沉降的評定要求,其中罐底板評定要求如下:

a)邊緣板腐蝕平均減薄量不大于設(shè)計板厚度的15%。

b)中幅板減薄量不大于設(shè)計板厚度的80%。

c)點蝕最大深度不大于設(shè)計壁厚的40%。

適用性評價指對含嚴(yán)重缺陷或者超過預(yù)期壽命的設(shè)備是否能繼續(xù)使用而開展的定量評價。儲罐完整性評價應(yīng)給出適用性評價結(jié)論,儲罐通過適用性評價可以繼續(xù)運行,未通過適用性評價應(yīng)采取維修/降險措施,或者在限制條件下繼續(xù)運行。維修后仍未通過適用性評價或者無維修價值的儲罐應(yīng)報廢。

4.3 儲罐檢測周期

針對大型原油儲罐檢測周期,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)存在不一致、不統(tǒng)一的情況。文獻(xiàn)[7]規(guī)定在役儲罐檢測周期為5～7 a,新建儲罐第一次檢測周期最長不超過10 a。調(diào)研國內(nèi)油庫企業(yè)做法各異,主要根據(jù)儲罐實際情況確定檢測周期,可能導(dǎo)致儲罐含風(fēng)險隱患超期運行,或者儲罐提前檢測缺乏科學(xué)依據(jù)造成資源浪費。國外推薦采用基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)(RBI)確定儲罐內(nèi)檢測周期,API 581根據(jù)風(fēng)險評價等級排序,采取針對性風(fēng)險緩解措施,制定儲罐整體檢測策略。儲罐檢測盡可能減少不必要的無效檢測,檢測重點是罐底板、邊緣板、角焊縫和中央排水管等。應(yīng)根據(jù)儲罐實際風(fēng)險水平與企業(yè)風(fēng)險可接受準(zhǔn)則,綜合考慮風(fēng)險等級及驅(qū)動機(jī)理、儲罐運行歷史、檢測數(shù)量及有效性以及類似案例等,適當(dāng)延遲或者縮短儲罐檢測周期。研究表明,根據(jù)儲罐實際安全狀況確定檢測周期,大部分情形可以延長,現(xiàn)行檢測周期偏于保守[8]。

國內(nèi)某石油儲備庫庫容為2.50×106m3,含儲存原油、柴油、汽油、航煤、燃料油儲罐50多座,因罐容緊張,儲罐長期連續(xù)運行,未進(jìn)行全面檢測,針對原油儲罐開展完整性管理試點,實施聲發(fā)射在線檢測和開罐檢驗,罐底板漏磁檢測只發(fā)現(xiàn)1處腐蝕深度超過設(shè)計板厚度41%的缺陷,以實測腐蝕速率進(jìn)行風(fēng)險評價,罐底板風(fēng)險等級為中風(fēng)險(3C),罐壁板風(fēng)險等級為低風(fēng)險(2B)。風(fēng)險評價中通過計算損傷因子表明,儲罐檢測周期大于10 a,最后綜合油庫實際管理水平、風(fēng)險可接受準(zhǔn)則確定檢測周期為9.6 a。

5 完整性評價響應(yīng)

基于完整性檢測和評價的響應(yīng)分為決策響應(yīng)和風(fēng)險減緩措施。決策響應(yīng)按照缺陷嚴(yán)重程度和時效性分為立即響應(yīng)、計劃響應(yīng)和監(jiān)控響應(yīng)。風(fēng)險減緩措施應(yīng)主次分明、突出重點,實現(xiàn)合理配置檢維修資源,分為以下類型:

1)日常巡檢維護(hù)。制定巡檢方案,包括路線、頻次和重點關(guān)注的儲罐設(shè)施。

2)缺陷修復(fù)。焊接接頭裂紋打磨消除,不能打磨消除應(yīng)返修補(bǔ)焊;底板腐蝕剩余厚度不足,坑蝕應(yīng)補(bǔ)焊,底板局部更換或補(bǔ)板處理。

3)設(shè)施維修。例如防腐層修復(fù)、罐底板更換。針對無法修復(fù)的缺陷,例如罐壁板嚴(yán)重減薄,可設(shè)置加強(qiáng)圈或者降低操作液位,適當(dāng)縮短檢測周期;分析腐蝕規(guī)律趨勢,腐蝕活性部位應(yīng)采用緩解措施。

4)事故預(yù)防。降低儲罐失效概率措施,例如安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)、設(shè)置罐周犧牲陽極、安裝罐底油品泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和加強(qiáng)人員資質(zhì)培訓(xùn)等。降低儲罐失效后果措施,例如加固防火堤,預(yù)防事故狀態(tài)下油品從防火堤流出造成事故擴(kuò)大風(fēng)險,制定應(yīng)急預(yù)案并定期演練等。

5)關(guān)鍵點監(jiān)測。例如儲罐液位監(jiān)測、溫度監(jiān)測和基礎(chǔ)沉降監(jiān)測等。

6)報廢更新。設(shè)備適用性評價證明失效風(fēng)險高于可接受標(biāo)準(zhǔn)且無修復(fù)價值時,應(yīng)報廢或更新設(shè)備。

6 效能評價

效能評價目的是評估設(shè)備完整性和安全性是否得到有效提升。目前儲罐完整性管理效能評價還沒有統(tǒng)一、公認(rèn)做法,也是目前研究的熱點問題。一般認(rèn)為應(yīng)考慮一定時間內(nèi)儲罐發(fā)生事故次數(shù)及用于事故處理的費用,完成缺陷維修的數(shù)量及面積,實施完整性管理后風(fēng)險等級變化等方面的指標(biāo)。長輸管道完整性效能評價方法包括:

1)管理審核法。采用內(nèi)部/外部審核,完整性管理基礎(chǔ)資料和管道實際運行狀況。

2)指標(biāo)評價法。針對特定危害因素制定專項效能評價方法。

3)投入-產(chǎn)出法。根據(jù)專項工作投入的人力、物力、資金和產(chǎn)出的效益和效果進(jìn)行評價。

4)對標(biāo)法。與同行業(yè)對標(biāo),查找差距和不足之處,持續(xù)改進(jìn)。

文獻(xiàn)[9]提出了效能測試法和綜合效能評價法。效能測試法研究管道危害因素控制及風(fēng)險消減情況;綜合效能評價法分析完整性管理工作投入-產(chǎn)出,評價管道完整性管理的效果、效率和效益。

7 儲罐完整性管理工程應(yīng)用案例

7.1 工程案例Ⅰ

以某集輸聯(lián)合站油庫1.0×105m3原油儲罐為例[10],功能為沉降脫水、凈化處理和計量外輸,2012年投產(chǎn),罐壁板材質(zhì)為12MnNiVr,罐底板材質(zhì)為Q235B。儲罐進(jìn)行在線聲發(fā)射檢測,結(jié)合儲罐宏觀檢查、罐壁/罐頂超聲測厚、罐底板漏磁檢測等,發(fā)現(xiàn)超聲測厚無異常,聲發(fā)射檢測如圖1所示。經(jīng)風(fēng)險評價,罐壁板為中風(fēng)險(2C),罐底板為中-高風(fēng)險(3D),罐底板失效風(fēng)險等級更高,確定儲罐下次檢測重點是罐底板。制定檢測策略是開罐檢測復(fù)驗,罐壁板宏觀檢查,罐底板宏觀檢查加90%漏磁檢測,角焊縫內(nèi)側(cè)100%濕熒光磁粉檢查加超聲波探傷復(fù)驗。

經(jīng)完整性評價,隨儲罐服役時間延長,該類型儲罐風(fēng)險上升,5 a后部分儲罐風(fēng)險上升至高風(fēng)險(4D)。制定了油庫中該類1.0×105m3原油儲罐檢修周期為5～10 a;提出儲罐運行管理建議,控制劣質(zhì)原油中腐蝕雜質(zhì)含量(硫、氯離子和水)。

7.2 工程案例Ⅱ

某石化公司的6座儲罐分別儲存原油、催化原料、重整汽油、柴油、溶劑油和石腦油,針對該6座儲罐及附件設(shè)施實施完整性管理[11],風(fēng)險評價等級見表1所列。

表1 儲罐風(fēng)險評價和完整性評價

按照英國健康安全管理委員會在風(fēng)險管理領(lǐng)域的最低合理可行準(zhǔn)則(ALARP),將儲罐完整性等級評定為完好、待檢和待修3個等級。完好指按照日常管理可持續(xù)使用;待檢指服役時間已達(dá)檢測周期;待修指已確認(rèn)缺陷機(jī)理、故障類型和損壞情況需要進(jìn)行故障排除和缺陷修復(fù)。6座儲罐中評價結(jié)論為完好的,可按照現(xiàn)在操作維護(hù)要求繼續(xù)運行3 a;評價結(jié)論為待檢的,分別在3～7 a內(nèi)進(jìn)行下次檢測。

該案例對于儲存不同介質(zhì)儲罐的完整性管理的實施和檢測重點具有指導(dǎo)意義,并簡略劃分儲罐風(fēng)險等級,即原油儲罐風(fēng)險等級最高,輕質(zhì)油儲罐風(fēng)險最低,普通汽油、柴油儲罐風(fēng)險居中,可指導(dǎo)石化企業(yè)開展多策略層級完整性管理程序。

8 結(jié)論和建議

儲罐完整性管理是一項系統(tǒng)性工程,也是油庫安全高效管理必然趨勢,其要素涉及企業(yè)發(fā)展目標(biāo)、組織機(jī)構(gòu)、崗位職責(zé)、信息化管理等方面。同時,儲罐完整性管理貫穿設(shè)計、施工、運行、維護(hù)和報廢的全生命周期。為建立科學(xué)、有效、精細(xì)化的儲罐完整性管理體系,建議如下:

1)在役儲罐日常巡檢、操作、維護(hù)和維修中應(yīng)用風(fēng)險評價技術(shù),包括基于風(fēng)險的檢驗(RBI)、危險與可操作分析(HAZOP)、以可靠性為中心的維修(RCM)、安全完整性等級分析(SIL)。

2)新建儲罐應(yīng)全面、系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)收集、腐蝕分析、風(fēng)險評價、檢驗檢測和事故事件記錄,確定儲罐失效關(guān)鍵問題和薄弱環(huán)節(jié),完善儲罐信息管理數(shù)據(jù)庫,制定優(yōu)化檢測策略,提高儲罐安全管理技術(shù)水平,并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和安全性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

應(yīng)研究編制儲罐完整性評價標(biāo)準(zhǔn)、儲罐完整性管理效能評價標(biāo)準(zhǔn),積極推進(jìn)儲罐完整性管理技術(shù)應(yīng)用。