許其華

（中國(guó)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(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)預(yù)知性維修應(yīng)用分析

許其華

（中國(guó)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(zhǎng)期使用過(guò)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(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定。以乙烯、丙烯罐區(qū)在用工業(yè)管道為例，引入風(fēng)險(xiǎn)管理和預(yù)知性理念，通過(guò)對(duì)在用工業(yè)管道損傷模式識(shí)別，預(yù)測(cè)管道存在的缺陷類型和位置，利用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，確定缺陷的性質(zhì)和尺寸，評(píng)估管道剩余壽命，在發(fā)生事故之前，為企業(yè)提供預(yù)知性檢驗(yàn)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(yàn)推測(cè)轉(zhuǎn)向科學(xué)動(dòng)態(tài)檢修，提高檢驗(yàn)的針對(duì)性和有效性。

風(fēng)險(xiǎn)管理 預(yù)知性 損傷模式識(shí)別 剩余壽命

我國(guó)石油化工企業(yè)中屬于特種設(shè)備目錄壓力管道定義的工業(yè)管道超過(guò)20萬(wàn)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(fù)雜、輸送介質(zhì)品種較多，運(yùn)行條件較苛刻的壓力管道。相對(duì)于鍋爐與壓力容器等承壓設(shè)備，管道行業(yè)的發(fā)展相對(duì)滯后，總體的管理水平和標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致管道事故不斷增多，占煉油化工企業(yè)承壓設(shè)備及元件泄漏的70%以上，嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)，應(yīng)用科學(xué)合理的檢測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)工業(yè)管道潛在的缺陷或隱患，進(jìn)行預(yù)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(shù)管理的發(fā)展方向。

檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)一般按照《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程》[1]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，受限于常規(guī)檢測(cè)技術(shù)的局限性，以及管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、管道缺陷分布的離散性，往往會(huì)導(dǎo)致“過(guò)度檢驗(yàn)”或“檢驗(yàn)不足”的情況。常規(guī)檢測(cè)技術(shù)一般需要在停車狀態(tài)下實(shí)施，且需要拆除大量的防腐保溫層，造成停產(chǎn)損失和檢測(cè)輔助成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于檢測(cè)費(fèi)用，壓力管道的安全性與經(jīng)濟(jì)性無(wú)法兼顧。因此，建立基于風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)知性檢驗(yàn)維修體系，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)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(cè)管道缺陷的尺寸和性質(zhì)，提供預(yù)知性檢驗(yàn)維修策略。

1 基于風(fēng)險(xiǎn)在線檢驗(yàn)體系

采用風(fēng)險(xiǎn)管理理念，管道的狀態(tài)管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉旨?jí)分類風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，兼顧可能導(dǎo)致事故發(fā)生的各種因素。參照國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30579—2014[2]損傷模式識(shí)別，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的管道，利用低頻導(dǎo)波、漏磁等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵管道在線檢測(cè)監(jiān)測(cè)，針對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，制定預(yù)知性維修策略。基于風(fēng)險(xiǎn)在線檢驗(yàn)體系見(jiàn)圖1。

圖1 在線風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)預(yù)知性維修體系

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估又稱危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，是對(duì)系統(tǒng)發(fā)生事故的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性和定量分析，評(píng)價(jià)系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代的保險(xiǎn)業(yè)，60年代開(kāi)始系統(tǒng)地研究裝置和設(shè)施的安全評(píng)價(jià)原理和方法[5]，隨著石油化工領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的發(fā)展，90年代初期歐美20余家石化企業(yè)集團(tuán)為了在安全的前提下降低運(yùn)行成本，美國(guó)石油學(xué)會(huì)在石化企業(yè)開(kāi)展基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)（RBI，Risk Based Inspection）應(yīng)用研究，先后頒布了API 581[6]和API 580[7]。我國(guó)20世紀(jì)70年代開(kāi)始探索風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，近幾年RBI技術(shù)在國(guó)內(nèi)作為一項(xiàng)高新技術(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用[8]。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為定性、半定量、定量三種類型，其中，定性方法簡(jiǎn)單，主觀意識(shí)和經(jīng)驗(yàn)成分高，并且不同評(píng)價(jià)對(duì)象之間無(wú)可比性；半定量方法比較簡(jiǎn)單，使用評(píng)分方法確定指標(biāo)取值，帶有主觀意識(shí)和經(jīng)驗(yàn)成分；定量方法理論依據(jù)充分、結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需要大量數(shù)據(jù)支撐，是目前國(guó)際上普遍采用的一種方法。RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法包括的要素主要為：危險(xiǎn)辨識(shí)、失效概率評(píng)估、失效后果評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和排序、制定檢驗(yàn)策略和風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果可由式（1）構(gòu)成。

失效概率由設(shè)備系數(shù)、損壞系數(shù)、檢測(cè)系數(shù)、維修狀況系數(shù)、工藝系數(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)系數(shù)六項(xiàng)構(gòu)成，失效后果由損壞后果和健康后果構(gòu)成，其中損壞后果系數(shù)包括化學(xué)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(hù)系數(shù)和壓力系數(shù)六項(xiàng)，健康后果系數(shù)包括毒性量系數(shù)、擴(kuò)散性系數(shù)、保護(hù)系數(shù)和人口系數(shù)四項(xiàng)。失效概率等級(jí)和失效后果等級(jí)評(píng)定[9]見(jiàn)表1。

表1 失效概率等級(jí)和失效后果等級(jí)評(píng)定

由失效可能性等級(jí)和失效后果等級(jí)繪制風(fēng)險(xiǎn)矩陣，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定管道的檢驗(yàn)范圍和比例，見(jiàn)圖2，將風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為四個(gè)等級(jí)，劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個(gè)不同的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其中Ⅱ區(qū)涵蓋中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。Ⅰ為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，必須進(jìn)行整改或采取措施加強(qiáng)管理，消除事故隱患；Ⅱ?yàn)橹懈唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和無(wú)損檢測(cè)；Ⅲ為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)進(jìn)行定期保養(yǎng)和檢驗(yàn)；Ⅳ為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，需要酌情減少檢查保養(yǎng)。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

2.2 損傷模式識(shí)別

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)一步識(shí)別管道存在的損傷位置和模式，是指導(dǎo)在線檢測(cè)的關(guān)鍵。損傷是指承壓設(shè)備在外部機(jī)械力、介質(zhì)環(huán)境、熱作用等單獨(dú)或共同作用下，造成的材料性能下降、結(jié)構(gòu)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(kāi)裂、材質(zhì)劣化和機(jī)械損傷等，見(jiàn)表2。

表2 損傷模式

2.3 在線檢測(cè)技術(shù)

高溫或低溫工業(yè)管道的腐蝕和焊接缺陷等檢測(cè)，常規(guī)檢測(cè)技術(shù)往往需要在停車狀態(tài)下進(jìn)行，且存在較大的局限性。例如，應(yīng)用超聲波測(cè)厚儀對(duì)管道進(jìn)行壁厚檢測(cè)，數(shù)據(jù)顯示的為探頭覆蓋面積的平均壁厚，點(diǎn)狀或縫隙狀缺陷無(wú)法檢測(cè)，探測(cè)面積相對(duì)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(dǎo)致檢測(cè)綜合成本非常高。

檢測(cè)新技術(shù)可提高檢測(cè)效率和針對(duì)性，大大降低輔助費(fèi)用。低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)結(jié)合漏磁檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管段100%內(nèi)外壁厚減薄缺陷檢測(cè)，脈沖渦流可實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)下不拆保溫管體內(nèi)外腐蝕檢測(cè)，X射線數(shù)字成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)部分管道在線帶保溫層狀態(tài)下的焊縫無(wú)損檢測(cè)。每種檢測(cè)技術(shù)具有一定的適用性和局限性，但相互補(bǔ)充，見(jiàn)表3，各種新技術(shù)組合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)工業(yè)管道在線檢測(cè)，降低輔助工作量。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、損傷模式識(shí)別的高風(fēng)險(xiǎn)管道，應(yīng)用新技術(shù)可提高缺陷檢出率，有效降低“過(guò)度檢驗(yàn)”或“檢驗(yàn)不足”的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 在線檢測(cè)技術(shù)適用性分析

2.4 剩余壽命預(yù)測(cè)

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(yù)測(cè)是在檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)格的理論分析，計(jì)算已有缺陷與損傷的安全容限及擴(kuò)展趨勢(shì)，預(yù)期工況下，預(yù)測(cè)管道發(fā)生失效的周期，用于指導(dǎo)管道的運(yùn)行維護(hù)和改造，延長(zhǎng)管道使用壽命，提升技術(shù)管理水平。不同失效類型的缺陷剩余壽命預(yù)測(cè)方法不同，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)API RP 579[10]給出了脆性斷裂、均勻金屬損失、局部金屬損失、點(diǎn)蝕、裂紋、疲勞斷裂等缺陷類型的剩余壽命預(yù)測(cè)方法。壁厚法是基于未來(lái)服役條件、實(shí)測(cè)壁厚、金屬局部損失區(qū)域尺寸、預(yù)期腐蝕速率以及裂紋擴(kuò)展速率估計(jì)計(jì)算需要的最小壁厚，預(yù)測(cè)方法見(jiàn)式（2）。

式中：

RL——剩余壽命，a；

Crate——預(yù)期腐蝕速率，mm/a；

tmm——管道實(shí)測(cè)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(qiáng)度評(píng)估可得。

3 工程應(yīng)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(jì)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?dú)獾冉橘|(zhì)，于1989年4月運(yùn)行使用。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

按照在線風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)預(yù)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、局部減薄）、外腐蝕（大氣腐蝕、層下腐蝕）、環(huán)境開(kāi)裂、機(jī)械損傷等，綜合考慮失效可能性和失效后果，對(duì)管線風(fēng)險(xiǎn)程度做出評(píng)估，風(fēng)險(xiǎn)矩陣見(jiàn)圖3。

圖3 乙烯丙烯罐區(qū)工業(yè)管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

由圖3可知，低風(fēng)險(xiǎn)管道共計(jì)43條，占比38.39%；中風(fēng)險(xiǎn)管道共計(jì)41條，占比36.61%；中高風(fēng)險(xiǎn)管道共計(jì)28條，占比25.00%；高風(fēng)險(xiǎn)管道共計(jì)0條，占比0.00%。管道檢驗(yàn)范圍和抽查比例，見(jiàn)表4。

不同的失效模式會(huì)導(dǎo)致設(shè)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(yàn)方法是制訂檢驗(yàn)策略的關(guān)鍵，按照API 581檢驗(yàn)效果的要求，制定最終的檢驗(yàn)策略。

表4 管道檢驗(yàn)抽查比例

3.3 在線檢測(cè)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果和檢驗(yàn)策略，采用低頻導(dǎo)波、漏磁、脈沖渦流和X射線數(shù)字成像等技術(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)4級(jí)超標(biāo)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(dǎo)波檢測(cè)共計(jì)8處，發(fā)現(xiàn)4級(jí)超標(biāo)缺陷10處，見(jiàn)圖4，丙烯管道（管道編號(hào)：6〃P 4224 B2A）低頻導(dǎo)波信號(hào)29驗(yàn)證為φ20×2.5mm局部外腐蝕，低頻導(dǎo)波信號(hào)33驗(yàn)證為φ35×3.0mm局部外腐蝕。

圖4 低頻導(dǎo)波缺陷檢測(cè)

3.4 剩余壽命預(yù)測(cè)

基于損傷模式計(jì)算管道剩余壽命，對(duì)于剩余壽命不能滿足預(yù)期使用年限的管道予以及時(shí)維修，為保障管道安全，以最小壁厚計(jì)算，部分管道剩余壽命計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.5 預(yù)知性維修

以管道的剩余壽命為依據(jù)，檢驗(yàn)周期最長(zhǎng)不超過(guò)管道剩余壽命的一半，并且不得超過(guò)《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的檢驗(yàn)周期，對(duì)于檢驗(yàn)周期不能滿足預(yù)期使用年限的管道予以及時(shí)維修或報(bào)廢。

表5 部分管道剩余壽命

4 結(jié)論

本文引用風(fēng)險(xiǎn)管理理念，建立了基于風(fēng)險(xiǎn)的在線檢驗(yàn)預(yù)知性維修體系，并通過(guò)工程應(yīng)用分析，可以得到如下結(jié)論：

1）基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)可提高檢驗(yàn)的有效性和針對(duì)性，一定程度降低“過(guò)度檢驗(yàn)”或“檢驗(yàn)不足”的情況發(fā)生，安全與經(jīng)濟(jì)達(dá)到平衡，建立分級(jí)分類管理制度，提高設(shè)備管理水平。

2）新技術(shù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)部分管道的在線檢測(cè)，提高了缺陷的檢出率，減少了停車損失，降低了輔助費(fèi)用，不同工況、不同失效模式的管道采用不同的在線檢測(cè)技術(shù)。

3）以剩余壽命為指導(dǎo)的分級(jí)分類預(yù)知性維修，為生產(chǎn)裝置提供科學(xué)合理的維修周期，確保管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。

4）基于風(fēng)險(xiǎn)的在線檢驗(yàn)預(yù)知性維修具有體系化、系統(tǒng)化特點(diǎn)，管道原始資料是否齊全和檢測(cè)評(píng)估人員的能力影響實(shí)施效果，進(jìn)一步完善體系，為生產(chǎn)裝置提供科學(xué)合理的安全保障技術(shù)。

[1] 在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程（國(guó)質(zhì)檢鍋［2003］108號(hào)）[S].

[2] GB/T 30579—2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S].

[3] 戴樹(shù)和.風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)（一）——風(fēng)險(xiǎn)分析的原理和方法[J].壓力容器，2002，19(02)：1-9.

[4] 戴樹(shù)和.風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)（二）——典型裝置上的工程應(yīng)用[J].壓力容器，2002，19(03)：1-6.

[5] 黃維和.油氣管道風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，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(guó)華.石油化工生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].壓力容器，2006，23（08）：45-48.

[9] GB/T 26610.3—2014 承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第3部分：風(fēng)險(xiǎn)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(shè)備管理工作。

許其華，E-mail： xqh40006@163.com。

2017-02-03）