1、在用工业管道风险检验预知性维修应用分析 许其华 中国石化上海石油化工股份有限公司 摘 要： 工业管道是炼油化工装置的重要组成部分, 在长期使用过程中受内外环境和操作状况等因素影响, 容易发生泄漏、爆炸等事故, 严重影响企业生产和社会稳定。以乙烯、丙烯罐区在用工业管道为例, 引入风险管理和预知性理念, 通过对在用工业管道损伤模式识别, 预测管道存在的缺陷类型和位置, 利用先进的检测技术, 确定缺陷的性质和尺寸, 评估管道剩余寿命, 在发生事故之前, 为企业提供预知性检验维修策略, 使在用工业管道始终处于安全可靠状态, 逐步从人工判断、经验推测转向科学动态检修, 提高检验的针对性和有效性。关键词：
2、 风险管理; 预知性; 损伤模式识别; 剩余寿命; 作者简介：许其华 (1966) , 男, 本科, 副主任师, 从事石化设备管理工作。E-mail:。收稿日期：2017-02-03Analysis on the Application of Risk Inspection and Predictive Maintenance in Industrial PipelineXu Qihua Sinopec Shanghai Petrochemical Company Limited; Abstract： Industrial piping is the important part of ref
3、inery 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
4、 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 identification for industrial piping, the defect type and location of the pipeline can be predicted. By means of advanced detection tec
5、hnology, 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 re
6、liable state. Scientific dynamic maintenance gradually takes place of the empirical judgment, improving the relevance of testing and effectiveness.Keyword： Risk management; Predictability; Damage modes identification; Remaining life; Received： 2017-02-03我国石油化工企业中属于特种设备目录压力管道定义的工业管道超过 20 万 km, 是压力管道中
7、工艺流程种类最多、生产制造环境状态最为复杂、输送介质品种较多, 运行条件较苛刻的压力管道。相对于锅炉与压力容器等承压设备, 管道行业的发展相对滞后, 总体的管理水平和标准化水平较低。随着使用年限的增加, 服役环境不断劣化, 酸值由 0.5mg KOH/g 升至 2.54.0mg KOH/g, 硫含量由 0.5%升至 3.5%5.0%, 导致管道事故不断增多, 占炼油化工企业承压设备及元件泄漏的 70%以上, 严重影响装置的正常生产, 应用科学合理的检测技术, 发现工业管道潜在的缺陷或隐患, 进行预知性维修改造, 使管道处于安全可靠的状态, 是管道安全保障技术管理的发展方向。检验机构一般按照在用
8、工业管道定期检验规程1的相关规定进行检验, 受限于常规检测技术的局限性, 以及管道结构的复杂性、管道缺陷分布的离散性, 往往会导致“过度检验”或“检验不足”的情况。常规检测技术一般需要在停车状态下实施, 且需要拆除大量的防腐保温层, 造成停产损失和检测辅助成本远远高于检测费用, 压力管道的安全性与经济性无法兼顾。因此, 建立基于风险的预知性检验维修体系, 应用风险评估技术, 在经济投资最优化的情况下, 分析管道存在的损伤类型和位置, 检测管道缺陷的尺寸和性质, 提供预知性检验维修策略。1 基于风险在线检验体系采用风险管理理念, 管道的状态管理转变为分级分类风险管理, 侧重于考虑管道的失效后果和
9、失效可能性, 在考虑管道重要性的同时, 兼顾可能导致事故发生的各种因素。参照国家推荐标准 GB/T 3057920142损伤模式识别, 针对高风险的管道, 利用低频导波、漏磁等新技术, 实现关键管道在线检测监测, 针对超标缺陷进行剩余寿命预测, 制定预知性维修策略。基于风险在线检验体系见图 1。图 1 在线风险检验预知性维修体系 下载原图2 关键技术分析2.1 风险评估技术风险评估又称危险评价, 是对系统发生事故的危险性进行定性和定量分析, 评价系统发生危险的可能性和程度, 以寻求最小的事故率、最小的损失和最优的安全投资效益3-4。风险评价最早出现在 20 世纪 30 年代的保险业, 60 年
10、代开始系统地研究装置和设施的安全评价原理和方法5, 随着石油化工领域的风险分析技术的发展, 90 年代初期欧美 20 余家石化企业集团为了在安全的前提下降低运行成本, 美国石油学会在石化企业开展基于风险的检测 (RBI, Risk Based Inspection) 应用研究, 先后颁布了 API 5816和 API5807。我国 20世纪 70 年代开始探索风险评估, 近几年 RBI 技术在国内作为一项高新技术进行工程应用8。风险评估分为定性、半定量、定量三种类型, 其中, 定性方法简单, 主观意识和经验成分高, 并且不同评价对象之间无可比性;半定量方法比较简单, 使用评分方法确定指标取值,
11、 带有主观意识和经验成分;定量方法理论依据充分、结果准确可靠, 需要大量数据支撑, 是目前国际上普遍采用的一种方法。RBI 风险评估方法包括的要素主要为:危险辨识、失效概率评估、失效后果评估、风险计算和排序、制定检验策略和风险再评估, 风险结果可由式 (1) 构成。风险 (Risk) =失效概率 (Likelihood) 失效后果 (Consequence) (1) 失效概率由设备系数、损坏系数、检测系数、维修状况系数、工艺系数和机械设计系数六项构成, 失效后果由损坏后果和健康后果构成, 其中损坏后果系数包括化学物质系数、物质存量系数、状态系数、自燃系数、保护系数和压力系数六项, 健康后果系数
12、包括毒性量系数、扩散性系数、保护系数和人口系数四项。失效概率等级和失效后果等级评定9见表 1。表 1 失效概率等级和失效后果等级评定 下载原表 由失效可能性等级和失效后果等级绘制风险矩阵, 根据风险等级确定管道的检验范围和比例, 见图 2, 将风险区划分为四个等级, 划分为区、区和区三个不同的风险区, 其中区涵盖中风险区和中高风险区。为高风险区, 必须进行整改或采取措施加强管理, 消除事故隐患;为中高风险区, 应进行在线监测和无损检测;为中风险区, 应进行定期保养和检验;为低风险区, 需要酌情减少检查保养。图 2 风险矩阵图 下载原图2.2 损伤模式识别在风险评估的基础上进一步识别管道存在的损
13、伤位置和模式, 是指导在线检测的关键。损伤是指承压设备在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下, 造成的材料性能下降、结构不连续或承载能力下降。损伤模式主要分为:腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化和机械损伤等, 见表 2。表 2 损伤模式 下载原表 2.3 在线检测技术高温或低温工业管道的腐蚀和焊接缺陷等检测, 常规检测技术往往需要在停车状态下进行, 且存在较大的局限性。例如, 应用超声波测厚仪对管道进行壁厚检测, 数据显示的为探头覆盖面积的平均壁厚, 点状或缝隙状缺陷无法检测, 探测面积相对管道微乎其微, 很容易造成漏检, 且高温或低温状态下的管道需要拆除外覆盖层, 导致检测综合成本非常高
14、。检测新技术可提高检测效率和针对性, 大大降低辅助费用。低频导波检测技术结合漏磁检测技术可实现管段 100%内外壁厚减薄缺陷检测, 脉冲涡流可实现在线状态下不拆保温管体内外腐蚀检测, X 射线数字成像技术可实现部分管道在线带保温层状态下的焊缝无损检测。每种检测技术具有一定的适用性和局限性, 但相互补充, 见表 3, 各种新技术组合应用可实现工业管道在线检测, 降低辅助工作量。针对风险评估、损伤模式识别的高风险管道, 应用新技术可提高缺陷检出率, 有效降低“过度检验”或“检验不足”的风险。表 3 在线检测技术适用性分析 下载原表 2.4 剩余寿命预测管道本体安全状况、外部环境和管理水平影响管道的
15、使用寿命, 剩余寿命预测是在检测数据的基础上, 通过严格的理论分析, 计算已有缺陷与损伤的安全容限及扩展趋势, 预期工况下, 预测管道发生失效的周期, 用于指导管道的运行维护和改造, 延长管道使用寿命, 提升技术管理水平。不同失效类型的缺陷剩余寿命预测方法不同, 国外标准 API RP 57910给出了脆性断裂、均匀金属损失、局部金属损失、点蚀、裂纹、疲劳断裂等缺陷类型的剩余寿命预测方法。壁厚法是基于未来服役条件、实测壁厚、金属局部损失区域尺寸、预期腐蚀速率以及裂纹扩展速率估计计算需要的最小壁厚, 预测方法见式 (2) 。式中:RL剩余寿命, a;Crate预期腐蚀速率, mm/a;tmm管道
16、实测平均壁厚, mm;tmin管道最小要求壁厚, mm;Rt剩余壁厚比, 由剩余强度评估可得。3 工程应用分析3.1 管道基本情况某石化装置乙烯丙烯罐区管道总计 112 条约 6.44km, 管道外径 57457mm, 管道壁厚 4.011.0mm, 工作压力 4.011.0MPa, 工作温度-37210, 管道材料为PL46 和 PT42, 输送乙烯、丙烯、氮气等介质, 于 1989 年 4 月运行使用。3.2 风险评估按照在线风险检验预知性维修体系, 乙烯丙烯罐区工业管道主要的潜在失效模式有内腐蚀 (均匀减薄、局部减薄) 、外腐蚀 (大气腐蚀、层下腐蚀) 、环境开裂、机械损伤等, 综合考虑
17、失效可能性和失效后果, 对管线风险程度做出评估, 风险矩阵见图 3。图 3 乙烯丙烯罐区工业管道风险矩阵图 下载原图由图 3 可知, 低风险管道共计 43 条, 占比 38.39%;中风险管道共计 41 条, 占比 36.61%;中高风险管道共计 28 条, 占比 25.00%;高风险管道共计 0 条, 占比0.00%。管道检验范围和抽查比例, 见表 4。不同的失效模式会导致设备发生不同的破坏形式, 根据可能出现的破坏形式选择合适的检验方法是制订检验策略的关键, 按照 API 581 检验效果的要求, 制定最终的检验策略。表 4 管道检验抽查比例 下载原表 3.3 在线检测根据风险评估结果和检
18、验策略, 采用低频导波、漏磁、脉冲涡流和 X 射线数字成像等技术进行在线检测, 检测共发现 4 级超标缺陷 32 处, 主要为内腐蚀减薄6 处, 外腐蚀减薄 17 处, 焊缝缺陷 (未焊透、未熔合) 7 处, 管体渗漏 1 处, 管道元件泄漏 1 处。其中, 低频导波检测共计 8 处, 发现 4 级超标缺陷 10 处, 见图 4, 丙烯管道 (管道编号:6P 4224 B2A) 低频导波信号 29 验证为202.5mm 局部外腐蚀, 低频导波信号 33 验证为 353.0mm 局部外腐蚀。图 4 低频导波缺陷检测 下载原图3.4 剩余寿命预测基于损伤模式计算管道剩余寿命, 对于剩余寿命不能满足
19、预期使用年限的管道予以及时维修, 为保障管道安全, 以最小壁厚计算, 部分管道剩余寿命计算结果见表 5。3.5 预知性维修以管道的剩余寿命为依据, 检验周期最长不超过管道剩余寿命的一半, 并且不得超过在用工业管道定期检验规程规定的检验周期, 对于检验周期不能满足预期使用年限的管道予以及时维修或报废。表 5 部分管道剩余寿命 下载原表 4 结论本文引用风险管理理念, 建立了基于风险的在线检验预知性维修体系, 并通过工程应用分析, 可以得到如下结论:1) 基于风险的检验可提高检验的有效性和针对性, 一定程度降低“过度检验”或“检验不足”的情况发生, 安全与经济达到平衡, 建立分级分类管理制度, 提
20、高设备管理水平。2) 新技术应用可实现部分管道的在线检测, 提高了缺陷的检出率, 减少了停车损失, 降低了辅助费用, 不同工况、不同失效模式的管道采用不同的在线检测技术。3) 以剩余寿命为指导的分级分类预知性维修, 为生产装置提供科学合理的维修周期, 确保管道安全运行的基础上实现经济利益最大化。4) 基于风险的在线检验预知性维修具有体系化、系统化特点, 管道原始资料是否齐全和检测评估人员的能力影响实施效果, 进一步完善体系, 为生产装置提供科学合理的安全保障技术。参考文献1在用工业管道定期检验规程 (国质检锅2003108 号) S. 2GB/T 305792014 承压设备损伤模式识别S.
21、3戴树和.风险分析技术 (一) 风险分析的原理和方法J.压力容器, 2002, 19 (02) :1-9. 4戴树和.风险分析技术 (二) 典型装置上的工程应用J.压力容器, 2002, 19 (03) :1-6. 5黄维和.油气管道风险管理技术的研究及应用J.油气储运, 2001, 20 (10) :1-10. 6API 581 Risk-Based Inspection Base Resource DocumentS.American Petroleum Institute, 2000. 7API 580 Risk-based InspectionS.American Petroleum Institute, 2002. 8韩建宇, 高金吉, 陈国华.石油化工生产装置长周期运行设备风险评价J.压力容器, 2006, 23 (08) :45-48. 9GB/T 26610.32014 承压设备系统基于风险的检验实施导则第 3 部分:风险的定性分析方法S. 10API 579 Recommended practice for fitness-forserviceS.Washington D C:American Petroleum Institute, 2000.
