天然氣壓氣站腐蝕損傷機理與風(fēng)險檢驗研究*

孫寶財 于佳平 吳恭平 包文紅

(甘肅省鍋爐壓力容器檢驗研究院)

天然氣壓氣站腐蝕損傷機理與風(fēng)險檢驗研究*

孫寶財*于佳平 吳恭平 包文紅

(甘肅省鍋爐壓力容器檢驗研究院)

分析了天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道的工藝及腐蝕情況，參考國內(nèi)外同類設(shè)備的失效分析，得出可能存在的腐蝕損傷機理有內(nèi)腐蝕減薄、外部腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、埋地腐蝕及沖蝕等。通過實例驗證得出,基于風(fēng)險的檢驗(RBI)方法能夠量化裝置風(fēng)險、明確風(fēng)險分布及風(fēng)險水平。

天然氣壓氣站 腐蝕損傷 RBI 風(fēng)險量化 風(fēng)險分布

天然氣作為一種儲藏豐富、高效、清潔的能源，在工業(yè)和民用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時，良好的流動性和壓縮性決定了管道輸送是運輸天然氣的最佳方式，特別是陸路運輸。天然氣的主要成分為甲烷，具有易燃易爆的特性，這使得輸送天然氣的過程中存在著潛在危險，而在整條輸氣管線中，壓氣站作為增壓以維持最優(yōu)流量的樞紐，其安全、可靠、高效運行是保障天然氣正常輸送的關(guān)鍵。筆者對天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道的腐蝕損傷機理進(jìn)行分析，并通過風(fēng)險評價方法排序出高風(fēng)險設(shè)備。提出科學(xué)有效的檢驗策略降低裝置風(fēng)險，保證天然氣壓氣站安全、可靠、長周期運行，可以降低運行成本并兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性[1～5]。

1 壓氣站靜設(shè)備及壓力管道腐蝕損傷機理

壓氣站作為維持輸送天然氣最優(yōu)壓力、最優(yōu)流量的重要站場，其所輸送的天然氣中含有H2S、CO2、H2O及固體雜質(zhì)等。隨著服役時間的延長，腐蝕勢必會導(dǎo)致設(shè)備和管線產(chǎn)生不同程度的損傷，尤其是有凝液出現(xiàn)時腐蝕將更為嚴(yán)重。為了更好地掌握壓氣站靜設(shè)備及壓力管道的腐蝕損傷機理，避免傳統(tǒng)檢驗方法基于時間的視情況檢驗，提高風(fēng)險檢驗可靠性。通過分析天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道的工藝和腐蝕情況，同時參考國內(nèi)外同類設(shè)備的失效分析，得出壓氣站靜設(shè)備及管道可能存在的腐蝕損傷機理[6，7]。

1.1內(nèi)腐蝕減薄

1.1.1硫化氫腐蝕

硫化氫是導(dǎo)致天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道腐蝕的主要介質(zhì)。干燥的硫化氫對金屬沒有腐蝕作用，一旦所輸送的天然氣中含有水，硫化氫極易水解電離，游離的H+與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成氫去極化腐蝕：

2H++Fe→Fe2++H2↑

同時有：

xFe2++yH2S→FexSy+2yH+

FexSy為金屬陽極產(chǎn)物的通式。當(dāng)天然氣中含水量較低時，腐蝕產(chǎn)物主要是FeS和FeS2，由于其晶體直徑較小，能夠在金屬表面形成致密的保護(hù)膜，起到一定的緩解和阻止腐蝕的作用；當(dāng)含水量較高時，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe9S8，加速了金屬腐蝕。硫化氫腐蝕表現(xiàn)為均勻腐蝕，在局部可能發(fā)生垢下腐蝕。

1.1.2二氧化碳腐蝕

干燥的二氧化碳沒有腐蝕性，但天然氣中的二氧化碳溶于水生成碳酸會引起的電化學(xué)腐蝕，反應(yīng)式如下：

CO2+H2O→H2CO3

此時游離的H+就會與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成氫去極化腐蝕：

Fe+CO2+H2O→FeCO3+H2↑

二氧化碳腐蝕表現(xiàn)為全面腐蝕和局部腐蝕，如點蝕、臺面狀坑蝕等[8]。

1.2外部腐蝕

外部腐蝕主要包括無保溫層的腐蝕和有保溫層的腐蝕(CUI)，其中CUI腐蝕危害最大。CUI腐蝕是指在敷設(shè)保溫層的破損或穿透部位有水積聚而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。對于碳鋼和低合金鋼而言，表現(xiàn)為均勻減薄或局部減薄。對于奧氏體不銹鋼而言，由于水中含有氯離子或保溫層本身就可能提供氯離子，當(dāng)水不斷蒸發(fā)而氯離子濃度增大時，在有殘余應(yīng)力的部位(如焊縫或幾何不連續(xù)處)產(chǎn)生裂紋，即表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕裂紋。無保溫層的腐蝕是指未敷設(shè)保溫層的金屬在大氣中發(fā)生的腐蝕。

1.3應(yīng)力腐蝕開裂

硫化氫水溶液電化學(xué)反應(yīng)中所釋放的氫原子在陰極析出，并擴散進(jìn)入鋼中，在鋼中的不連續(xù)處(如晶界、位錯、夾雜物等)富集結(jié)合生成氫分子，造成氫分壓升高并引起局部受壓，當(dāng)發(fā)生變形而形成鼓泡時即為氫鼓泡(HB)；氫鼓泡在材料內(nèi)部不同深度形成時，相鄰的鼓泡會連接在一起，形成臺階狀裂紋即為氫致開裂(HIC)；如果在焊接殘余應(yīng)力或其他應(yīng)力的作用下，氫致開裂沿厚度方向不斷連通并形成最終暴露于表面的開裂即為應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)。

在金屬表面硫化物腐蝕過程中，由于氫原子吸附導(dǎo)致的另一種氫應(yīng)力開裂即為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSC)。主要與H2S的濃度、H2O、溫度、pH值、材料結(jié)構(gòu)、焊后熱處理條件及硬度等因素有關(guān)。開裂部位通常是高強鋼的焊接融合區(qū)或低合金鋼的熱影響區(qū)。

1.4埋地腐蝕

壓氣站埋地管道的腐蝕機理極其復(fù)雜，原因在于土壤本身是一個不均勻的多相體系，包括土壤顆粒、土壤溶液、土壤氣體、無機物及有機物等，尤其還存在著種類繁多的土壤微生物。這就使得金屬腐蝕呈現(xiàn)有微觀電池腐蝕、宏觀電池腐蝕、土壤本身對金屬的腐蝕、土壤中微生物的新陳代謝對金屬的腐蝕以及雜散電流的腐蝕等多種腐蝕機理。管道在土壤中的腐蝕大多屬于電化學(xué)腐蝕，腐蝕過程同樣包含陰陽極兩個反應(yīng)。

陽極過程：

Fe-2e→Fe2+

陰極過程：

在酸性很強的土壤中，發(fā)生氫去極化反應(yīng)：

2H++2e→H2↑

當(dāng)管道處于缺氧性土壤時，在硫酸鹽還原菌的作用下，可能發(fā)生硫酸根離子去極化反應(yīng)：

大多數(shù)情況下，土壤腐蝕的陰極過程主要還是氧去極化反應(yīng)[9]。

1.5沖蝕腐蝕

在輸送天然氣的設(shè)備和管道中，存在著由于金屬表面與輸送介質(zhì)之間高速相對運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為沖刷和腐蝕共同作用的結(jié)果。沖刷與腐蝕之間并不非為簡單的疊加，而實質(zhì)為復(fù)雜的交互作用。具體交互影響表現(xiàn)為：沖刷的力學(xué)作用能夠迫使金屬表面鈍化膜減薄、破裂或腐蝕產(chǎn)物脫落，使金屬表面始終與腐蝕介質(zhì)保持接觸而加劇腐蝕；沖刷能夠加速傳質(zhì)過程，促進(jìn)去極化劑到達(dá)金屬表面，加劇去極化腐蝕；沖刷能夠造成金屬表面沖蝕坑的出現(xiàn)，使腐蝕隨金屬比表面積得增大而加劇。反之，腐蝕在金屬表面產(chǎn)生疏松的腐蝕產(chǎn)物，使金屬表面對沖刷力學(xué)作用更敏感；腐蝕凹凸化了金屬表面，特別在局部腐蝕部位，形成微紊流而促進(jìn)沖刷過程；腐蝕弱化了金屬的晶界，使金屬硬化相突出基體表面而更易折斷甚至脫離，進(jìn)而促進(jìn)沖刷[10]。

2 基于風(fēng)險的檢驗(RBI)技術(shù)

傳統(tǒng)的定期檢驗方法是以針對設(shè)備的內(nèi)表面和焊接接頭為主的檢驗，具體的檢驗方法、檢驗部位和檢驗比例，由設(shè)備歷史狀況和上一檢驗周期中的情況決定。此過程中缺少科學(xué)全面的分析數(shù)據(jù)、不能準(zhǔn)確掌握可能存在的復(fù)雜損傷機理、存在檢驗盲目性，屬于典型的基于經(jīng)驗、基于時間的檢驗。而RBI技術(shù)是以量化的、可接受的風(fēng)險為基礎(chǔ)，預(yù)先根據(jù)實際使用情況分析承壓設(shè)備的損傷機理和失效模式，將潛在危險因素融入檢驗方案，通過優(yōu)化的檢測方法、檢測部位、檢測比例、檢測頻度、檢測時機，建立系統(tǒng)的、目標(biāo)明確的檢驗策略，并通過風(fēng)險排序確定高風(fēng)險承壓設(shè)備。相對而言，RBI技術(shù)具有針對性和靈活性，能夠使有效的檢驗資源得到最優(yōu)的回報，也使得高風(fēng)險承壓設(shè)備得到足夠的重視[11～13]。

2.1RBI原理

RBI技術(shù)是用量化的方法來評價裝置的風(fēng)險(Risk)，通過風(fēng)險排序得出設(shè)備的風(fēng)險等級，從而有針對性的區(qū)別對待。風(fēng)險由兩部分組成，即失效可能性(LOF)和失效后果(COF)，表達(dá)式為：

風(fēng)險=失效可能性×失效后果

2.1.1失效可能性

失效可能性分析是以特定設(shè)備類型的同類失效頻率為基礎(chǔ)，通過設(shè)備修正系數(shù)和管理系統(tǒng)評估系數(shù)進(jìn)行修正，即由同類失效頻率乘以這兩項修正系數(shù)計算得出經(jīng)調(diào)整后的失效頻率，表達(dá)式為：

失效可能性=同類失效頻率×設(shè)備修正系數(shù)×

管理系統(tǒng)評估系數(shù)

同類失效頻率是建立在來自多個可用的設(shè)備失效歷史的匯編。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，為每類設(shè)備和每一直徑管道編制失效的同類可能性；設(shè)備修正系數(shù)是每項設(shè)備在其運行的特定環(huán)境中，對該設(shè)備項進(jìn)行的修正；管理系統(tǒng)評估系數(shù)是調(diào)節(jié)設(shè)施的工藝安全管理系統(tǒng)，對裝置機械完整性影響的修正。

2.1.2失效后果

失效后果分析是為了區(qū)分設(shè)備在可能失效時的嚴(yán)重程度。根據(jù)失效后果的表現(xiàn)形式不同，可分為：可燃后果、有毒后果、環(huán)境后果和營業(yè)中斷后果?？扇己陀卸竞蠊糜绊憛^(qū)給出，環(huán)境和營業(yè)中斷后果用經(jīng)濟(jì)損失給出。最后用總的經(jīng)濟(jì)損失量化給出失效后果的嚴(yán)重程度，從而給企業(yè)決策層提供清晰直觀的表述。

2.1.3風(fēng)險表述

風(fēng)險的最佳直觀表述即是風(fēng)險矩陣，為失效可能性與失效后果的組合。將失效可能性根據(jù)數(shù)值的大小分為5級：1、2、3、4、5，其中1表示失效可能性最小，5表示失效可能性最大。將失效后果根據(jù)嚴(yán)重程度分為5級：A、B、C、D、E，其中A表示不嚴(yán)重，E表示非常嚴(yán)重。通過失效可能性與失效后果的組合，即可得到5×5的風(fēng)險矩陣。在風(fēng)險矩陣中，不同的顏色區(qū)域分別代表了“低”、“中”、“中高”、“高”4個風(fēng)險級別，且沿左下方到右上方對角線逐漸升高。分別將失效可能性和失效后果級別對應(yīng)到風(fēng)險矩陣中，所在的區(qū)域即為受評設(shè)備的風(fēng)險等級[14～16]。

2.2RBI工作流程

RBI工作流程為：會議啟動，確定RBI實施范圍、組建由技術(shù)專家構(gòu)成的RBI工作小組、明確工作進(jìn)度等；收集資料與現(xiàn)場調(diào)查，包括通用資料、技術(shù)資料、工藝資料、操作資料、檢驗資料、維護(hù)資料、管理資料、財務(wù)資料等；劃分物流回路和腐蝕回路；分析設(shè)備損傷機理及失效模式；計算失效可能性、失效后果及風(fēng)險、確定設(shè)備風(fēng)險等級、編制風(fēng)險評價報告；根據(jù)風(fēng)險評價報告結(jié)果提出檢驗策略、制定檢維修計劃、進(jìn)行風(fēng)險管理；實施RBI動態(tài)再評估。

3 實例分析

對某天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道進(jìn)行腐蝕損傷機理分析及風(fēng)險評價，其中包括靜設(shè)備25臺、壓力管道140條。本裝置主要為碳鋼材料，且所輸送的天然氣中含有的腐蝕性介質(zhì)H2S、CO2及微量H2O。主要可能存在的腐蝕損傷機理有：CO2腐蝕減薄、CUI腐蝕、濕硫化氫環(huán)境下應(yīng)力腐蝕開裂、埋地管道的土壤腐蝕以及管道彎頭處的沖蝕等。

風(fēng)險矩陣結(jié)果如圖1所示，由圖1可知：裝置中沒有高風(fēng)險的靜設(shè)備及管道；中高風(fēng)險的靜設(shè)備為一臺、管道為38條，占靜設(shè)備項總數(shù)的4%、占管道項總數(shù)的27%；中風(fēng)險的靜設(shè)備為22臺、管道為101條，占靜設(shè)備項總數(shù)的88%、占管道項總數(shù)的72%；低風(fēng)險的靜設(shè)備為兩臺、管道為一條，占靜設(shè)備項總數(shù)的8%、占管道項總數(shù)的1%。

對處于中高風(fēng)險區(qū)的靜設(shè)備即天然氣殘液罐(失效可能性為3級，失效后果為D級)，應(yīng)適當(dāng)增加無損檢測項目、比例和頻次，同時避免在開停工時可能產(chǎn)生的H2S集聚。

對處于中高風(fēng)險區(qū)的管道(失效后果為E級)，應(yīng)在合適位置適當(dāng)增加緊急切斷裝置、編制快速有效的應(yīng)急救援預(yù)案。對處于中風(fēng)險區(qū)的靜設(shè)備和管道，應(yīng)增加在線檢驗。而對處于低風(fēng)險區(qū)的靜設(shè)備和管道，應(yīng)根據(jù)裝置實際使用情況和大修周期適當(dāng)延長檢驗周期。

圖1 靜設(shè)備及管道風(fēng)險矩陣圖

4 結(jié)論

4.1對天然氣壓氣站靜設(shè)備及管道的工藝和腐蝕情況進(jìn)行分析，同時參考國內(nèi)外同類設(shè)備的失效分析，得出可能存在的腐蝕損傷機理有內(nèi)腐蝕減薄、外部腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、埋地腐蝕及沖蝕等。

4.2天然氣壓氣站采用RBI方法，避免了傳統(tǒng)檢測方法的基于時間的視情況檢驗，量化了裝置風(fēng)險并將可能存在的腐蝕損傷機理融入檢驗方案，根據(jù)風(fēng)險等級采取不同的檢驗策略，通過風(fēng)險排序使得高風(fēng)險設(shè)備及管道能夠得到足夠的重視，為天然氣壓氣站的安全、可靠、長周期運行提供有力支撐。

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MechanismofCorrosionDamageandRisk-basedInspectionofGasCompressionStation

SUN Bao-cai, YU Jia-ping, WU Gong-ping, BAO Wen-hong
(GansuBoilerandPressureVesselInspectionResearchInstitute,Lanzhou730020,China)

Both corrosion damage mechanism and risk-based inspection of static equipment and pipeline in the gas compression station were investigated and the corrosion status of gas compressor station was analyzed. Through having failure analysis of similar equipment at home and abroad referenced, the potential corrosion damages like thickness reduction incurred by the internal corrosion, external corrosion, stress corrosion cracking, buried corrosion and the erosion corrosion were found. Application examples demonstrate that the risk-based inspection (RBI) method can quantify the equipment risks and can master both risk distribution and risk level.

gas compression station, corrosion damage mechanism, RBI, quantify risk, risk distribution

* 國家質(zhì)檢公益性科研專項項目(201310152)，甘肅省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目(GZJ2011005)。

** 孫寶財,男，1981年5月生，工程師。甘肅省蘭州市，730020。

TQ050.7

A

0254-6094(2016)02-0144-05

2015-05-14，

2015-06-02)