基于RBI和碳纖維修復(fù)技術(shù)的管道完整性評價

邢　麗

(上海石化設(shè)備檢驗檢測有限公司，上海200540)

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基于RBI和碳纖維修復(fù)技術(shù)的管道完整性評價

邢麗

(上海石化設(shè)備檢驗檢測有限公司，上海200540)

摘要：簡述了國內(nèi)外管道完整性管理的現(xiàn)狀及風(fēng)險評估、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)等完整性評價關(guān)鍵技術(shù)，研究了碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在含缺陷管道修復(fù)中應(yīng)用的可行性。通過工程案例，詳細(xì)介紹了基于風(fēng)險評估和碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的修復(fù)含缺陷管道完整性評價，建議建立一套完善的符合我國國情的完整性評價及管理標(biāo)準(zhǔn)，以提升國內(nèi)在役管道的長周期運(yùn)行水平，確保本質(zhì)安全。

關(guān)鍵詞：基于風(fēng)險的檢驗修復(fù)腐蝕安全評定完整性評價

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為包括鐵路、公路、水運(yùn)及航空運(yùn)輸在內(nèi)的五大運(yùn)輸體系之一。管道作為工業(yè)生產(chǎn)和城市生活的大動脈，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，截至2014年底，我國擁有壓力管道9×105km。石油化工裝置的壓力管道大多用于輸送高溫高壓、易燃、易爆、有毒有害等介質(zhì)，由于制造缺陷、機(jī)械損傷和內(nèi)外腐蝕等因素，管道存在減薄、變形、泄漏及破裂等影響安全運(yùn)行的隱患，一旦發(fā)生爆炸可能會帶來巨大的財產(chǎn)損失和災(zāi)難性的后果。在石油化工裝置大力倡導(dǎo)長、滿、優(yōu)運(yùn)行的要求下，如何評價管道的安全狀況，保證安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，是管道完整性評價與管理需要解決的重要問題。

1管道完整性管理現(xiàn)狀

1.1管道完整性的定義

管道的完整性(Pipeline Integrity)是指管道始終處于安全可靠的服役狀態(tài)[1]。主要包括以下內(nèi)涵：①管道在物理上和功能上是完整的，處于受控狀態(tài)；②管道運(yùn)營商不斷采取行動防止管道事故的發(fā)生；③管道完整性涉及管道的設(shè)計、施工、運(yùn)行、維護(hù)、檢修和使用管理等各個過程，并貫穿管道整個生命周期。管道公司通過對運(yùn)行中的安全因素進(jìn)行風(fēng)險識別和評價，制定并采取相應(yīng)的措施，從而將管道風(fēng)險水平控制在合理可接受范圍之內(nèi)，達(dá)到減少管道事故發(fā)生、保證安全運(yùn)行的目的。管道完整性管理的精髓是風(fēng)險評估、安全評定及維護(hù)維修，影響管道完整性諸因素之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　影響管道完整性諸因素之間的關(guān)系

1.2國外現(xiàn)狀

隨著國際上對管道運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型和安全性兼顧的要求越來越強(qiáng)烈，歐美等發(fā)達(dá)國家提出了管道風(fēng)險評價和適用性評價的概念，研制開發(fā)實用的評價軟件程序，使管道的風(fēng)險評估技術(shù)向著定量化、精確化和智能化的方向發(fā)展。2001年，美國石油學(xué)會(API)和美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)提出了管道完整性管理的概念，并頒布了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。英國、加拿大和墨西哥等國家也先后于20世紀(jì)90年代加入了管道風(fēng)險管理技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用行列，至今已取得了豐碩的成果。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，許多國家已經(jīng)探索出各種有效的評價方法，并建立了與之適應(yīng)的管道完整性評價與管理體系，大多將ASME、API、美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)、德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(DIN)等國際標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)大綱來具體實施本國的管道完整性管理[1]。

1.3國內(nèi)現(xiàn)狀

管道完整性管理的實踐是伴隨管道誕生和運(yùn)行的必然產(chǎn)物，國內(nèi)管道公司正在努力消化、吸收國際上的先進(jìn)經(jīng)驗和做法。我國油氣管道的安全評價與完整性管理始于1998年，目前成立了管道完整性管理專門機(jī)構(gòu)，開發(fā)了缺陷評價系統(tǒng)和風(fēng)險評估系統(tǒng)，對管道腐蝕監(jiān)測與智能內(nèi)檢測做了大量的工作，在秦京、陜京等多條管線實現(xiàn)了完整性管理。對于這一先進(jìn)的管道管理模式，國內(nèi)外更多關(guān)注的是油氣管道的完整性評價與管理，實際上，石化裝置用工業(yè)管道也同樣需要完整性管理的管理模式和理念，這樣不僅可以大大降低管道事故發(fā)生的概率，有效減少非計劃停車，同時也可以做到預(yù)知性維修和事前維修，最大限度地延長管道使用壽命，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[2]。

2完整性評價關(guān)鍵技術(shù)

2.1風(fēng)險評估技術(shù)

風(fēng)險評估技術(shù)作為當(dāng)代管理學(xué)科的新領(lǐng)域，在國內(nèi)外正迅猛發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到各個工業(yè)領(lǐng)域，壓力管道領(lǐng)域也不例外，其中應(yīng)用最為廣泛的是API頒布的基于風(fēng)險的檢驗(Risk-Based Inspection，簡稱RBI)。RBI技術(shù)是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念和方法，它是在對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保本質(zhì)安全和減少運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，優(yōu)化檢驗策略的一種管理方式[3]，在石油化工裝置安穩(wěn)運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用。該技術(shù)已被納入《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等安全技術(shù)規(guī)范以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)可以在合法、合規(guī)的情況下運(yùn)用RBI技術(shù)。

風(fēng)險評估的目的在于掌握管道的風(fēng)險狀況，風(fēng)險定義為失效可能性(LOF)和失效后果(COF)的乘積。風(fēng)險評估最常用的是定量分析方法，適用于特定管線等的評估。

2.1.1失效可能性的計算

在定量分析中，LOF按下式進(jìn)行計算：

式中，GFk為通用失效概率；DFd為損傷因子(技術(shù)模塊損傷因子)；SF為次因子；FM為管理修正因子；FL為剩余壽命(或超標(biāo)缺陷)修正因子。

2.1.2失效后果的計算

失效后果定量評價的目的就是對設(shè)備管線潛在的失效后果進(jìn)行分級。失效后果按照泄放流體的物料性質(zhì)和泄放量進(jìn)行計算，并分別對每一種泄放孔失效概率進(jìn)行失效后果計算，然后按照不同失效機(jī)理造成的失效后果計算出總的失效風(fēng)險。失效后果定量計算的基本工作流程如圖2所示。

圖2失效后果定量計算的基本流程

2.1.3風(fēng)險等級的確定

API 581[4]中的風(fēng)險級別根據(jù)失效可能性和失效后果用風(fēng)險矩陣的方式表示，因為失效可能性和失效后果均分為5級，因此風(fēng)險評定矩陣為5×5的矩陣，即高風(fēng)險、中高風(fēng)險、中風(fēng)險和低風(fēng)險4個等級區(qū)。

2.2碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)

制定管道維修方案是含缺陷管道完整性評價中一項重要工作。在已知缺陷存在的類型、缺陷的嚴(yán)重程度以及服役條件時，如何選擇有效的維修方法至關(guān)重要。目前，維修方法主要有堆焊、打補(bǔ)丁、打套筒、夾具、夾具注環(huán)氧、玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)等7種。理論上，每一個缺陷對應(yīng)著多種維修方法可供選擇，應(yīng)根據(jù)管道公司承擔(dān)風(fēng)險的能力、裝置運(yùn)行情況、維修預(yù)算的大小及維修生命周期等設(shè)計出最科學(xué)最適用的維修方案。碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是保證管道完整性和延長管道使用壽命的重要手段，其基本思路是利用碳纖維材料在纖維方向的高強(qiáng)度特性，依靠熱固性樹脂基體增強(qiáng)，采用濕鋪工藝在管道外包覆一個復(fù)合材料修復(fù)層，與管道形成一體，分擔(dān)管道承受的內(nèi)壓，降低含缺陷處管道的應(yīng)力水平，從而達(dá)到對管道補(bǔ)強(qiáng)的目的，以恢復(fù)管道的正常承載能力。

根據(jù)ASME PCC-2[5]規(guī)定，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)適用于外腐蝕、外部機(jī)械損傷、內(nèi)腐蝕以及制造或加工缺陷等缺陷類型。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在“三不”即不卸料、不泄壓、不動火情況下實施修復(fù)，能夠避免非計劃停車修復(fù)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。同時，碳纖維彈性模量高，與鋼的彈性模量較接近，補(bǔ)強(qiáng)層與管道具有非常好的變形協(xié)同性。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和延伸率高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性。美國天然氣研究協(xié)會(Gas Research Institute)的研究表明，纖維復(fù)合材料對壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)是20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的一種高效快捷的新型補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。因其綜合性能最優(yōu)近年來在國外管道修補(bǔ)方面有很多成功應(yīng)用的案例，我國已在長輸油氣管道和城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐械玫綇V泛應(yīng)用[6-7]。

3工程應(yīng)用

3.1應(yīng)用背景

某裝置有一根DN80 mm×5.5 mm(DN80 mm即公稱直徑80 mm,下同)的液化氣管道，材質(zhì)為20#鋼，工作壓力1.5 MPa，常溫運(yùn)行。1990年投用至今，經(jīng)全面檢驗發(fā)現(xiàn)外表面存在多處1.0～2.5 mm不等的腐蝕凹坑缺陷，根據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)管道法規(guī)、規(guī)范規(guī)定，安全狀況等級評定為4級，需要停車消缺或更換管道，或者進(jìn)行安全評估以確認(rèn)該管道在一定周期內(nèi)能否安全運(yùn)行。由于該管道受現(xiàn)場返修條件和生產(chǎn)上無法停工等原因制約，經(jīng)與檢驗機(jī)構(gòu)協(xié)商，決定進(jìn)行風(fēng)險評估、安全評定并采用適當(dāng)?shù)脑诰€修復(fù)技術(shù)。這樣既滿足了法規(guī)規(guī)范的要求，又能進(jìn)一步阻止外腐蝕的發(fā)生，有效降低含缺陷管道帶病運(yùn)行的風(fēng)險。

3.2風(fēng)險評估

對于壓力管道外部腐蝕減薄的風(fēng)險評估主要參照API 581進(jìn)行，以RBI分析軟件為載體確定風(fēng)險等級狀態(tài)，為碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的實施提供有力的技術(shù)支撐。文中主要應(yīng)用挪威船級社開發(fā)的Orbit Onshore軟件對該管道進(jìn)行風(fēng)險評估，其中定量風(fēng)險計算方法如圖3所示。利用面積后果法確定不同預(yù)估周期下的風(fēng)險等級如表1所示。結(jié)果表明：該管道如在下一運(yùn)行周期4年內(nèi)繼續(xù)使用，可能對安全生產(chǎn)構(gòu)成很大的威脅，企業(yè)承擔(dān)的生產(chǎn)安全風(fēng)險很高，建議進(jìn)行安全評定；因為外腐蝕會繼續(xù)擴(kuò)展且腐蝕速度相對保守，同時建議對該管道的腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行適當(dāng)修復(fù)以保障其在下一檢修周期內(nèi)安全運(yùn)行。

圖3　RBI軟件計算過程方法示意

預(yù)估周期/a失效可能性等級失效后果等級風(fēng)險等級32D中風(fēng)險65D高風(fēng)險

3.3安全評定

根據(jù)該管道的缺陷特性，選擇國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624—2004《在用壓力容器安全評定》附錄H標(biāo)準(zhǔn)對腐蝕凹坑超標(biāo)缺陷進(jìn)行安全評定。評定過程主要包括缺陷部位管道尺寸的確定、缺陷的規(guī)則化及無量綱化處理、有無缺陷管道在純內(nèi)壓和純彎矩下塑性極限載荷的確定以及安全性評價等。

管道的腐蝕評估主要按管道的最大腐蝕速率以及若干年后所能達(dá)到的腐蝕深度、范圍對其進(jìn)行評估，確定其能否在一定周期內(nèi)安全運(yùn)行。該管道實測最小壁厚為5.4 mm，平均年腐蝕速率為0.1 mm，假定下一檢驗周期為3年，則到下一檢驗周期，管道底部的最小壁厚為2.6 mm，滿足腐蝕凹坑的深度小于壁厚的70%，且缺陷底部最小壁厚(到下一檢驗周期)應(yīng)不小于2 mm的前提條件。

經(jīng)檢驗，該管道最大的腐蝕凹坑直徑約為20 mm，缺陷的深度為2.5 mm，按標(biāo)準(zhǔn)的要求對該缺陷進(jìn)行規(guī)則化和無量化處理，并分別進(jìn)行有無缺陷管道純內(nèi)壓下的塑性極限載荷和塑性極限彎矩的計算，根據(jù)計算的結(jié)果，代入下式:

式中，P為工作壓力，MPa；M為彎矩載荷，kN·m；PLS為含缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓，MPa；MLS為含缺陷管道在純彎矩下的塑性極限彎矩，kN·m。

3.4碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)

3.4.1試驗研究

為了分析碳纖維復(fù)合材料對管道的補(bǔ)強(qiáng)效果，針對帶有一定模擬缺陷的管道碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)試件進(jìn)行了爆破試驗研究。爆破試驗選擇管子規(guī)格為DN80mm×5.5mm，材質(zhì)為20#鋼，對其兩端采用封頭進(jìn)行封堵，試驗段的有效長度為1 000mm。爆破試件共計加工5件，試件規(guī)格及模擬缺陷尺寸詳見表2。

表2　試件規(guī)格及模擬缺陷尺寸　mm

爆破試驗的介質(zhì)為常溫水，通過緩慢加壓最終使試件爆破，現(xiàn)場碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)試驗結(jié)果及爆破試驗照片分別見表3和圖4。結(jié)果顯示：該規(guī)格的完好管子爆破壓力為62 MPa，且含缺陷管子經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后的試件爆破部位均為管子無缺陷部位，表明即使在50%壁厚減薄的模擬缺陷A的苛刻情況下，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)處的承壓能力也大于無缺陷處，在一定程度上反映了碳纖維復(fù)合材料具有較高的安全因子，完全適用于含體積型缺陷管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

表3　爆破試件試驗結(jié)果

圖4　碳纖維補(bǔ)強(qiáng)爆破試驗現(xiàn)場照片

3.4.2現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)ASME PPC-2[5]標(biāo)準(zhǔn)，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)最小厚度按下式計算(只考慮內(nèi)壓作用的環(huán)向應(yīng)力情況)：

上式中各參量代表的含義及取值情況見表4，對于該液化氣管道，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)最小厚度為4.7mm，根據(jù)濕法包覆工藝，按每層復(fù)合材料1.6mm計算，確定液化氣管道包覆層數(shù)為3。

表4　碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)公式中各符號參量的含義及取值

根據(jù)缺陷性質(zhì)和管線操作工況以及安全評估對采用的碳纖維修復(fù)工藝實施完工后兩天檢查其包覆質(zhì)量。通過檢查未發(fā)現(xiàn)碳纖維包覆處有明顯變形情況，碳纖維和管道貼合平整，包覆范圍未發(fā)現(xiàn)有氣泡、鼓脹等情況，包覆兩端封口較為致密，經(jīng)現(xiàn)場評估碳纖維包覆質(zhì)量良好。

4結(jié)語

我國正處于管道發(fā)展的高峰時期，無論是新建管道還是老管道，都需要建立完整性評價與管理體系，雖然國內(nèi)未形成系統(tǒng)的管道完整性管理體系，但與管道完整性管理及評價相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有很多。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定部門與安全監(jiān)察的管理部門做了大量富有成效的工作，但還存在諸多不足，例如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性差、競爭力不強(qiáng)、技術(shù)水平不高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全法規(guī)之間存在不協(xié)調(diào)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)覆蓋面不全，滯后于新技術(shù)的發(fā)展，安全性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系處理失衡等，這些不適應(yīng)制約了管道技術(shù)的進(jìn)展，迫切需要解決。管道完整性管理標(biāo)準(zhǔn)不是一種單一的、具體的技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，而是一種管理行為標(biāo)準(zhǔn)，它是建立在眾多基礎(chǔ)的技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上的一種綜合的管道管理規(guī)范體系。在實施管道完整性管理時，根據(jù)其要求會涉及到許多相應(yīng)的技術(shù)性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，是管道設(shè)計、施工、運(yùn)行、檢驗檢測、安全評定、改造、維護(hù)維修及管理等的各個過程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的集合，其目標(biāo)是管道運(yùn)行的安全性、可靠性和管理的經(jīng)濟(jì)性。呼吁有關(guān)部門結(jié)合國內(nèi)壓力管道的實際情況，借鑒國際上管道完整性管理的先進(jìn)經(jīng)驗和做法，最終形成具有本國特色的管道完整性管理和評價體系。

管道的完整性管理最終將是管道運(yùn)行管理科學(xué)化、程序化、規(guī)范化、可視化、數(shù)字化的重要手段。通過引進(jìn)和開發(fā)先進(jìn)的檢驗檢測技術(shù)、風(fēng)險評估技術(shù)、安全評定技術(shù)及維修維護(hù)技術(shù)等對管道進(jìn)行有效的完整性評價，以實現(xiàn)事故的提前預(yù)控。石油化工管道在服役過程中會受到許多因素影響而產(chǎn)生各種缺陷，這些缺陷的存在和發(fā)展會嚴(yán)重影響管道的安全性，很多服役管道已進(jìn)入老齡化階段，在石化裝置大力提倡長滿優(yōu)運(yùn)行的目標(biāo)下，實施管道完整性管理，確保管道本質(zhì)安全是目前的一項緊迫任務(wù)。

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Piping Integrity Evaluation Based on RBI and Carbon-Fiber Reinforced Composites Technology

Xing Li

(ShanghaiPetrochemicalEquipmentInspection&TestingCo.,Ltd.,Shanghai200540)

ABSTRACT

Keywords：RBI,repair,corrosion,safety assessment,integrity evaluation

收稿日期：2015-12-02。

作者簡介：邢麗，女，1981年出生，2007年畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，碩士，高級工程師，壓力容器/管道檢驗師、API 570授權(quán)檢驗師、RBI評估師等，主要從事特種設(shè)備檢驗檢測工作及完整性管理研究。

文章編號：1674-1099(2016)01-0010-06中圖分類號：TQ055.8+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The current situation of integrity management at home and abroad,and key technologies for integrity evaluation as risk assessment,and carbon fiber reinforced composites technology were introduced.The feasibility of applying this carbon-fiber reinforced technique for in-service piping with defects was studied with experiment.The integrity evaluation of piping with defects was well detailed based on the risk assessment and carbon-fiber reinforced technique through a specific case.A set of perfect integrity evaluation and management codes which are adapted to the situation in china were appealed herein，so that the level of long-term operation for in-service piping in our country can be enhanced to ensure safety essentially.