一種海上工藝設(shè)備外腐蝕完整性管理的新方法

孫成利，叢廣佩，李偉明，路篤輝

0 引言

近些年來，完整性管理正逐步成為各大石化企業(yè)進(jìn)行設(shè)備單元安全管理的重要方法，其中腐蝕做為影響石化安全的主要影響因素之一[1-4]，對(duì)于腐蝕機(jī)理方面的研究日趨完善[5-6]，其中，外部腐蝕問題近些年日益突出，而涂層則是最為常見的防護(hù)手段。無論采用何種涂層，涂層完整性管理策略都是確保外腐蝕得以有效控制的關(guān)鍵方法，通常，石化企業(yè)對(duì)于涂層與設(shè)備維修一樣采用定期維護(hù)策略，這種辦法雖然有一定的效用，但面對(duì)復(fù)雜多變的外腐蝕問題往往無法防護(hù)滿足要求。對(duì)于海上設(shè)備設(shè)施這些處于潮濕悶熱鹽霧環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)，此類問題更為突出，一種可以優(yōu)化涂層維護(hù)策略和監(jiān)測(cè)涂層質(zhì)量的涂層完整性管理辦法意義重大。

1 海上設(shè)備設(shè)施外腐蝕的挑戰(zhàn)

一般認(rèn)為，在涂層施工質(zhì)量可以保證的前提下，涂層在5年內(nèi)可以完全控制外腐蝕，之后控制能力隨著時(shí)間逐步衰減[7]，外腐蝕問題也會(huì)隨之變得突出。在海洋環(huán)境下，由于大氣中水汽充足，氯離子含量高，外腐蝕問題則更加突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在海上平臺(tái)設(shè)施中，服役一年之后，約有6%～11%的面積不得不在一年之內(nèi)進(jìn)行全面外腐蝕維護(hù)，服役8年左右則這一比例增加至43%～55%。與嚴(yán)重的外腐蝕問題相對(duì)應(yīng)的，在日常生產(chǎn)維護(hù)中，受到諸多因素的限制，外腐蝕問題以事后應(yīng)急維修、涂層臨時(shí)性修補(bǔ)為主，涂層質(zhì)量難以保證，外腐蝕問題也難以有效抑制。即使進(jìn)行全面涂層維修，由于涂層質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)以點(diǎn)檢抽檢為主，因此通常涂層局部分層和剝離現(xiàn)象仍然難以控制。

2 一種基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的涂層完整性管理模型

基于海上設(shè)備設(shè)施涂層管理中的問題，本文提出一種基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的涂層完整性管理模型，如圖1所示。模型基于完整性管理的基本要求，即在確保安全的前提下最大程度減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，建立了一個(gè)閉環(huán)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)。涂層狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)作為閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用了光激勵(lì)紅外熱波掃描技術(shù)，該技術(shù)可以快速掃描定量涂層破損、涂層分層和涂層厚度不達(dá)標(biāo)3個(gè)應(yīng)先涂層防護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵問題，其中涂層破損和涂層分層往往意味著涂層失去了外腐蝕防護(hù)能力，可以用來直接決策涂層是否需要進(jìn)行全面維修。而涂層厚度不達(dá)標(biāo)則是意味著涂層防護(hù)能力降低，防護(hù)周期縮短，涂層維修周期也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

為了根據(jù)涂層狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果做出合理的涂層維護(hù)策略，系統(tǒng)中設(shè)置了涂層維修決策和涂層狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中涂層維修決策環(huán)節(jié)直接利用紅外熱波識(shí)別出的涂層缺陷，估算涂層缺陷總面積，進(jìn)而決定是否需要進(jìn)行全面涂層維修。而涂層狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析則是從設(shè)備設(shè)施安全角度考慮，制定一個(gè)合理的涂層維修及其相關(guān)配套工作的最大參考周期，做到在確保安全的前提下，最大程度減少經(jīng)濟(jì)損失。最后，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)完整性管理循環(huán)，涂層維護(hù)計(jì)劃完成后，要對(duì)涂層的質(zhì)量進(jìn)行紅外熱波檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果用來確定新的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，并據(jù)此確定新的紅外熱波監(jiān)測(cè)方案和周期。

總的來說，本方法通過多維度涂層信息檢測(cè)適時(shí)反饋涂層實(shí)際狀態(tài)，并通過這些反饋信息做出合理的維修決策和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，進(jìn)而優(yōu)化后續(xù)的涂層檢測(cè)、維修范圍和周期，使涂層檢測(cè)信息始終跟蹤最關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)單元，如此循環(huán)，達(dá)到及時(shí)且高效控制設(shè)備的外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的目的。

3 紅外熱波對(duì)涂層監(jiān)測(cè)效果和基本策略

紅外是一種與熱效應(yīng)有關(guān)的長(zhǎng)波非可見光，在激勵(lì)一定的情況下，紅外熱波的特性與材料導(dǎo)熱性能的有關(guān)，其主要特征參量為特征偏離時(shí)間，不同導(dǎo)熱材料的特征偏離時(shí)間存在明顯差異，對(duì)于導(dǎo)熱性較差的材料，如涂層，其厚度也會(huì)影響特征偏離時(shí)間，二者的定量關(guān)系如式（1）所示。

圖1 基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的涂層完整性管理模型

其中，d為涂層厚度，mm；tbreak為特征偏離時(shí)間，s；k為線性系數(shù)。

因此紅外熱波技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量涂層完好區(qū)域的涂層厚度和破損區(qū)域面積的雙重作用。這些數(shù)據(jù)都與外腐蝕問題息息相關(guān)，成為決定涂層維修策略的重要定量依據(jù)。

作為圖1所示的閉環(huán)系統(tǒng)，信息反饋的時(shí)機(jī)十分重要，否則一旦遺漏關(guān)鍵信息，決策系統(tǒng)的輸出很可能做出錯(cuò)誤的判斷，導(dǎo)致安全事故。按照完整性管理的基本原則，包括狀態(tài)變更和當(dāng)前狀態(tài)都是需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，根據(jù)此原則，涂層變更管理、高風(fēng)險(xiǎn)單元的日常涂層狀態(tài)跟蹤和中低風(fēng)險(xiǎn)單元的周期性涂層狀態(tài)抽查是相對(duì)合理的狀態(tài)監(jiān)測(cè)策略。通過這樣一種合理的在線監(jiān)測(cè)策略將可以獲取足夠多的涂層狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)涂層狀態(tài)變化監(jiān)測(cè)，為后續(xù)的涂層維修決策提供足夠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 涂層的維修決策方法

只對(duì)發(fā)生破損的局部進(jìn)行涂層維修；若涂層破損面積比小于20%，則只對(duì)發(fā)生破損的局部進(jìn)行涂層維修。

另外，對(duì)于碳鋼材料，不但要監(jiān)測(cè)涂層狀態(tài)，還要監(jiān)測(cè)涂層缺陷部位的內(nèi)外腐蝕壁厚。這一點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前不需要全面涂層維修的單元尤為重要，因?yàn)樘间摬牧洗嬖趦?nèi)外腐蝕減薄問題，如不監(jiān)測(cè)壁厚的變化規(guī)律，僅按照風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)決定涂層維修周期，很可能出現(xiàn)在進(jìn)行維修時(shí)，由于壁厚過薄而不得不進(jìn)行停車隔離操作或者進(jìn)行射線壁厚掃查，這些工作都會(huì)增加不必要的經(jīng)濟(jì)和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

如圖2所示，這種超聲測(cè)厚要按照兩種情況加以區(qū)分，對(duì)于涂層破損的情況，要同時(shí)進(jìn)行內(nèi)外腐蝕的測(cè)厚，即在涂層破損部位測(cè)量外腐蝕數(shù)據(jù)，在涂層破損部位周圍100 mm×100 mm范圍內(nèi)測(cè)量?jī)?nèi)腐蝕數(shù)據(jù)；而對(duì)于涂層分層和厚度不合格的情況，則僅在分層或不合格點(diǎn)位測(cè)量?jī)?nèi)腐蝕數(shù)據(jù)。

在實(shí)際情況中，涂層的缺陷多數(shù)以分散的局部破損形態(tài)存在，但考慮到可能存在的相鄰破損區(qū)域之間的涂層附著力降低甚至分層，涂層破損面積達(dá)到一定比例的時(shí)候就應(yīng)該考慮進(jìn)行全面的涂層維修。

海上工藝設(shè)備管道中，由于不銹鋼設(shè)備易受到更加危險(xiǎn)的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的影響，而其他材料的設(shè)備過于昂貴，所以除了極個(gè)別設(shè)備，80%以上的設(shè)備管道以碳鋼為主，而碳鋼極易受到外腐蝕影響，因此日常外腐蝕完整性管理主要以碳鋼設(shè)備為目標(biāo)，其涂層維修決策樹如圖2所示。若涂層破損面積比達(dá)到表面積的40%以上，則可以進(jìn)行全面涂層維修；若涂層破損面積比在20%～40%之間，則僅當(dāng)涂層破損區(qū)域均勻分散于設(shè)備單元表面時(shí)，才進(jìn)行全面涂層維修，否則

圖2 碳鋼設(shè)備涂層維修決策樹

需要指出的是，這些測(cè)厚需在確保涂層完整性的前提下進(jìn)行，因此對(duì)于超聲技術(shù)的選擇極為重要。寬頻窄帶超聲測(cè)厚技術(shù)可以在一次測(cè)量中同時(shí)測(cè)量多種接合物質(zhì)的厚度，而且由于其發(fā)射的超聲脈沖含有高頻成分，因此也可以高精度地測(cè)量厚度小于1 mm的物質(zhì)，比如涂層，從而更加精確地驗(yàn)證和測(cè)定涂層質(zhì)量欠佳部位的涂層厚度。

根據(jù)這些內(nèi)外腐蝕測(cè)厚數(shù)據(jù)可以利用式（2）估算可以避免停車和射線檢驗(yàn)的最大維修周期。

其中Tc為腐蝕狀態(tài)允許的最大維修周期，y；NWT為單元的名義壁厚，mm；MAWT為單元的設(shè)計(jì)最小允許壁厚，mm；ARWT為單元的風(fēng)險(xiǎn)最小允許壁厚，mm；n為安全系數(shù)；CRo為外腐蝕速率，mm/y；CRi為外腐蝕速率，mm/y。

5 基于涂層狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法

對(duì)于外腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)分析，已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，標(biāo)準(zhǔn)中涂層被分為3個(gè)狀態(tài)，以修正外腐蝕速率，由于不是直接利用涂層狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，因此對(duì)于涂層維護(hù)策略優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提及。為了實(shí)現(xiàn)以涂層維護(hù)策略優(yōu)化為目標(biāo)的決策，需要一種直接以涂層狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，使管理者直接明確涂層狀態(tài)與設(shè)備安全之間的關(guān)系，制定合理的涂層維修周期。接合海上生產(chǎn)設(shè)備的外腐蝕特點(diǎn)和影響，考慮涂層失效以及外腐蝕發(fā)生時(shí)直接威脅安全的影響因素，涂層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的公式如式（3）、（4）所示：

其中，R為涂層失效風(fēng)險(xiǎn)；CPoF為涂層外腐蝕防護(hù)失效概率；CCF為腐蝕重要度因子或后果影響因子；ECT為外腐蝕威脅或敏感因子；CoF為腐蝕失效后果。

根據(jù)式（3）、（4），對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣如圖3所示，其中涂層狀態(tài)“3”表示涂層破損且裸露金屬但并未發(fā)生明顯腐蝕的狀態(tài)，該狀態(tài)是該矩陣的臨界狀態(tài)，以狀態(tài)“3”為分界。

線矩陣主要分為兩個(gè)部分，狀態(tài)“3”及其之前的狀態(tài)屬于第一部分，主要用于評(píng)估涂層的狀態(tài)，狀態(tài)“3”之后的狀態(tài)屬于第二部分，主要用于評(píng)估單元本體腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。其中第二部分的主要作用在于確定不可接受風(fēng)險(xiǎn)臨界值，從而計(jì)算式（2）中的ARWT，而第一部分則用于基于風(fēng)險(xiǎn)的涂層維修周期決策。

圖3 海上平臺(tái)設(shè)備涂層狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)矩陣

另外，CCF則需要通過圖4所示的矩陣加以確定，其中CoF主要根據(jù)各公司的管理文件來確定，ECT則根據(jù)操作壓力最大值來確定。根據(jù)圖4最終海上平臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的外腐蝕發(fā)生后的后果影響將分為5級(jí)，這5級(jí)分別對(duì)應(yīng)圖3中的后果影響因子等級(jí)。

圖4 海上平臺(tái)設(shè)備CCF矩陣

為了充分考慮海上設(shè)備設(shè)施的維修完成率，仍然存在不得不進(jìn)行隔離或者射線檢驗(yàn)的情況，根據(jù)一些良好作業(yè)實(shí)踐，基于風(fēng)險(xiǎn)的涂層維修周期決策如圖5所示。對(duì)于全面涂層維修，圖中的數(shù)字以年為單位表示基于風(fēng)險(xiǎn)的最大涂層維修周期；對(duì)于局部涂層修補(bǔ)，則表示基于風(fēng)險(xiǎn)的最大超聲測(cè)厚周期。需要說明的是，在應(yīng)用圖5所示的矩陣時(shí)，不僅要考慮涂層破損狀態(tài)，而且還要考慮未破損涂層的狀態(tài)，一般的，對(duì)于涂層分層，由于涂層很可能在1年內(nèi)發(fā)生涂層破損的情況，所以涂層分層作為狀態(tài)“3”加以考慮，并計(jì)入涂層破損面積用于是否進(jìn)行全面涂層維修的決策；對(duì)于涂層厚度不合格問題，則作為狀態(tài)“2”加以考慮，并可以根據(jù)圖5單獨(dú)考慮其的超聲測(cè)厚周期。

并且，最終全面涂層維修或超聲測(cè)厚周期不僅要考慮圖5確定的周期，還要考慮式（2）所確定的周期，因此，最終維修或超聲測(cè)厚參考周期要根據(jù)式（5）確定：

其中Tr為基于風(fēng)險(xiǎn)的周期，y。

圖5 海上平臺(tái)設(shè)備涂層維修周期決策矩陣

6 結(jié)論

海上特殊的氣候環(huán)境，外腐蝕問題更為突出，而涂層的有效維修維護(hù)是解決此類問題的關(guān)鍵因素。本文提出了一種涂層狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的涂層完整性管理方法，該方法中采用紅外熱波技術(shù)進(jìn)行涂層狀態(tài)掃描，并用掃描結(jié)果定量估算涂層缺陷面積和涂層不合格面積，通過這些定量信息進(jìn)行科學(xué)合理的涂層維修決策。在涂層維修周期決策方面，本文應(yīng)用一種可以直接考慮涂層狀態(tài)因素的5×9階風(fēng)險(xiǎn)矩陣，同時(shí)，為了最大程度避免經(jīng)濟(jì)損失和操作苦難，除了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)外，本文還考慮了內(nèi)外腐蝕速率的影響，從而綜合確定一個(gè)最為安全且合理的涂層最大維修參考周期，用于涂層維修策略的決策過程。另外，為了涂層的完整性，在確定內(nèi)外腐蝕速率過程中，本文提出應(yīng)采用寬頻窄帶超聲技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵部位的本體測(cè)厚和涂層厚度校準(zhǔn)。

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