常壓儲罐的風(fēng)險評估和檢驗檢測研究進(jìn)展*

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(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗站有限公司，安徽 合肥 230031；3.中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 成都 611930)

常壓儲罐廣泛應(yīng)用于石油化工、交通運(yùn)輸、國防等領(lǐng)域，用來儲存原油、成品油、中間原料和化工產(chǎn)品等介質(zhì)。常壓儲罐的風(fēng)險評估和檢驗檢測對常壓儲罐的安全長周期運(yùn)行，具有重要意義。因此就常壓儲罐的運(yùn)行檢測及風(fēng)險評估等有關(guān)情況進(jìn)行綜述很有必要。

1 常壓儲罐

1.1 分 類

根據(jù)幾何形狀，可以將儲罐分為立式圓筒形儲罐、臥式圓筒形儲罐和球形儲罐;根據(jù)安裝位置，可以將儲罐分為地上儲罐、半地上儲罐和地下儲罐；根據(jù)罐體材質(zhì)，可以將儲罐分為金屬儲罐和非金屬儲罐[1];根據(jù)設(shè)計壓力，可以將儲罐分為常壓儲罐、低壓儲罐和壓力儲罐。設(shè)計壓力小于等于6.9 kPa(罐頂表壓)的儲罐為常壓儲罐；設(shè)計壓力大于6.9 kPa且小于0.1 MPa(罐頂表壓)的儲罐為低壓儲罐；設(shè)計壓力大于或等于0.1 MPa(罐頂表壓)的儲罐為壓力儲罐[2]。

該文所述的常壓儲罐指的是立式圓筒形地上鋼制焊接儲罐。

根據(jù)罐頂結(jié)構(gòu)，常壓儲罐可分為固定頂罐、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐。固定頂罐又分為自支撐拱頂罐和自支撐錐頂罐等[3]。

1.2 組 成

常壓儲罐主要由罐體、罐基礎(chǔ)、加熱器、浮盤和安全附件等部分組成。

罐體主要包括罐底板、罐壁板和罐頂板。儲罐內(nèi)徑小于12.5 m時，罐底可不設(shè)環(huán)形邊緣板；儲罐內(nèi)徑大于或者等于12.5 m時，罐底宜設(shè)環(huán)形邊緣板[4]。

罐基礎(chǔ)不僅支撐罐體，而且可以減少罐底板的土壤腐蝕，對常壓儲罐的安全運(yùn)行具有重要作用。罐基礎(chǔ)形式可分為素土護(hù)坡式基礎(chǔ)、碎石環(huán)墻式護(hù)坡基礎(chǔ)、環(huán)墻式基礎(chǔ)、外環(huán)墻式基礎(chǔ)和樁基基礎(chǔ)。儲罐基礎(chǔ)有防滲漏要求時，應(yīng)設(shè)置防滲層，防滲漏材料宜選用土工材料，防滲層設(shè)在砂墊層與填料層之間。當(dāng)設(shè)計要求儲罐內(nèi)介質(zhì)為恒溫或介質(zhì)溫度大于90 ℃時，罐底應(yīng)采用絕熱保護(hù)層[5]。

1.3 管 理

大型儲罐的安全管理主要有3種管理模式：(1)基于儲罐事故的管理模式；(2)周期性維修的管理模式；(3)基于風(fēng)險的管理模式。

基于儲罐事故的管理模式，即事故處理和應(yīng)急搶修的模式，實質(zhì)上是一種“放任不管”的粗放的管理模式，一旦發(fā)生重大事故，后果無法估量。周期性維修的管理模式是按照一定的周期對儲罐進(jìn)行檢維修，這種模式會給生產(chǎn)造成不便，而且沒有考慮儲罐的個體差異性，存在過度檢維修和檢維修不足，造成經(jīng)濟(jì)損失或者安全隱患?；陲L(fēng)險的管理模式，是近些年興起的一種新的管理模式，這種管理模式利用基于風(fēng)險的檢驗(RBI)技術(shù)對單個儲罐或者儲罐群進(jìn)行風(fēng)險評估，確定每個儲罐的風(fēng)險情況，以此為依據(jù)制定每個儲罐的檢驗時間和檢驗策略，實現(xiàn)儲罐安全管理。

2 風(fēng)險評估

基于風(fēng)險的檢驗(也稱為風(fēng)險評估)是一種重點(diǎn)針對材料損傷所引起的設(shè)備失效的風(fēng)險評估和管理過程，對這種風(fēng)險主要通過對設(shè)備的檢測來管理[6]。作為一種先進(jìn)的設(shè)備管理技術(shù)，RBI技術(shù)[7-10]將定性分析和定量計算相結(jié)合，識別設(shè)備的損傷機(jī)理和失效模式，制訂科學(xué)的檢驗時間和優(yōu)化的檢驗策略，保障設(shè)備安全，提高經(jīng)濟(jì)效益。RBI廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、海洋平臺和船舶等領(lǐng)域。

2.1 標(biāo) 準(zhǔn)

2008年9月，美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute ，簡稱API)頒布第二版API Recommended Practice 581[11](簡稱API581)，首次給出了常壓儲罐失效可能性和失效后果(經(jīng)濟(jì)損失)的計算方法，給出了檢驗時間和檢驗方法的確定辦法，對常壓儲罐的RBI評估，起到了指導(dǎo)作用。

2014年，以API581為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)情況，頒布了GB/T 30578—2014 《常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗及評價標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了立式鋼制圓筒形常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗和評價要求，對于國內(nèi)實施常壓儲罐的風(fēng)險評估具有指導(dǎo)意義。與API 581不同之處在于，GB/T 30578提出了失效后果(經(jīng)濟(jì)損失)可接受水平的基準(zhǔn)值Q，詳見表1。

表1 兩種標(biāo)準(zhǔn)的失效后果對比

注：Q為失效后果可接受水平的基準(zhǔn)值，由使用單位根據(jù)其失效后果的承受能力確定。

2016年，API頒布第三版API 581[12]，首次給出了常壓儲罐罐壁板失效后果(影響面積)的計算方法。

除此之外，GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》給出了承壓設(shè)備主要損傷模式識別的損傷描述及損傷機(jī)理、損傷形態(tài)、受影響的材料、主要影響因素、易發(fā)生的裝置或設(shè)備、主要預(yù)防措施等，可以用于識別常壓儲罐的失效模式和損傷機(jī)理。

2.2 研究進(jìn)展

罐區(qū)儲罐相對集中，發(fā)生事故后容易產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，引發(fā)災(zāi)害性后果。趙金龍等[13]根據(jù)儲罐事故的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，將事件鏈效應(yīng)引入罐區(qū)定量風(fēng)險評估中，建立了基于事件鏈的罐區(qū)定量風(fēng)險評估方法。

王玉林等[14]根據(jù)API 579對常壓儲罐焊縫的裂紋型缺陷(夾渣、氣孔、未焊透，表現(xiàn)為條狀或較大圓孔)進(jìn)行風(fēng)險評估,根據(jù)API 653對常壓儲罐焊縫的點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行風(fēng)險評估，以確定這些焊縫缺陷是否會對該儲罐的安全使用造成影響，從而判定常壓儲罐是否可以繼續(xù)安全運(yùn)行。

劉燁明等[15]利用挪威船級社泄漏頻率分析軟件LEAK和泄漏后果模擬軟件Phast，分析了原油儲罐典型泄漏場景的發(fā)生頻率及影響范圍。在此基礎(chǔ)上，通過定量風(fēng)險分析軟件Phast Risk計算得出典型泄漏場景個人風(fēng)險值和社會風(fēng)險值，并依據(jù)ALARP原則(即二拉平原則)對不可接受風(fēng)險提出相應(yīng)建議措施。

為了對自然災(zāi)害誘發(fā)的事故災(zāi)難進(jìn)行風(fēng)險評估，蓋程程等[16]提出了針對此類事故的風(fēng)險評估流程框架和方法，并應(yīng)用于洪水誘發(fā)儲罐失效的風(fēng)險評估中。該方法首先確定自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，對災(zāi)害中可能遭受破壞的設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險辨識，然后確定災(zāi)害情景的分類和特征，計算洪水觸發(fā)儲罐失效的概率；根據(jù)事件樹分析的方法，最后對可能發(fā)生的災(zāi)害情景和后果進(jìn)行分析。

底板腐蝕是常壓儲罐失效的主要原因。為準(zhǔn)確預(yù)測在役儲罐底板的腐蝕深度數(shù)據(jù)分布情況，郭兵等[17]建立了極值分布理論的廣義極值分布模型，與三參數(shù)極值II型分布和三參數(shù)極值III型分布相比較，廣義極值分布模型可以更好地擬合經(jīng)驗分布。

3 檢驗檢測

3.1 運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

常壓儲罐運(yùn)行維護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，主要有安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中石化標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 常壓儲罐運(yùn)行維護(hù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

AQ 3053—2015[18]規(guī)定了立式圓筒形鋼制焊接儲罐的材料、設(shè)計、預(yù)制、施工和驗收、防雷、防靜電、防腐蝕、使用管理、檢驗和安全附件各方面的基本安全要求。SY 6306—2014[19]規(guī)定了鋼制原油儲罐的生產(chǎn)運(yùn)行、檢維修、應(yīng)急處理、事故管理和棄置的安全要求。SY/T 5921—2011[20]規(guī)定了立式圓筒形鋼制焊接油罐的操作、維護(hù)和修理的技術(shù)要求。SY/T 6620—2014采用翻譯法等同采標(biāo)，與API 653—2014相同，主要闡述了油罐的檢驗、修理、改建及翻建的技術(shù)要求[21-22]。SHS 01012—2004對常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐的維護(hù)和檢修進(jìn)行了詳細(xì)說明。

總的來說，AQ 3053—2015和SY 6306—2014側(cè)重于常壓儲罐的安全要求，標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容為強(qiáng)制性要求；SY/T 5921—2011,SY/T 6620—2014,API 653—2014和SHS 01012—2004側(cè)重于常壓儲罐的維護(hù)檢修。

3.2 無損檢測標(biāo)準(zhǔn)

常壓儲罐的導(dǎo)波檢測、漏磁檢測、超聲檢測和聲發(fā)射檢測可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)或者機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而磁粉檢測和滲透檢測則可以參考NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 常壓儲罐無損檢測有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 研究進(jìn)展

常壓儲罐的在役檢驗包括例行檢查、年度檢查和定期檢驗3種形式。

例行檢查是以目視為主的,近距離檢查儲罐外部狀況的檢查方式，包括儲罐是否存在滲漏、罐壁變形、沉降跡象以及罐體的保溫裝置、安全附件和相關(guān)配件的運(yùn)行狀況等。年度檢查是為了保證儲罐在定期檢驗周期內(nèi)的安全而進(jìn)行的在線檢查，年度檢查以外部宏觀檢查為主，除例行檢查的內(nèi)容外，還應(yīng)包括壁板和頂板的厚度測定、基礎(chǔ)沉降檢測和防雷防靜電接地電阻檢測等。定期檢驗是按一定的檢驗周期對儲罐進(jìn)行較全面的檢測，定期檢驗可根據(jù)實際情況采用在線檢驗方法或開罐檢驗方法。

定期檢驗主要包括：(1)罐基礎(chǔ)的沉降檢測；(2)安全附件的檢查；(3)罐體的檢驗。罐體的檢驗不僅包括罐底板、罐壁板及罐頂板的檢驗檢測，還包括對罐體內(nèi)外防腐蝕涂層和保溫的檢查。

傳統(tǒng)的檢驗手段主要有：(1)宏觀檢查；(2)超聲測厚；(3)表面缺陷檢測(磁粉/滲透)；(4)埋藏缺陷檢測(超聲/射線)；(5)罐底板漏磁檢測；(6)真空試漏。

新興的檢驗手段主要有：(1)聲發(fā)射在線檢測；(2)導(dǎo)波檢測；(3)機(jī)器人在線檢測技術(shù)；(4)爬壁超聲波連續(xù)測厚技術(shù)。

閆河等[23]利用兩個泄漏儲罐在不同液位下的聲發(fā)射檢測結(jié)果與開罐驗證結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)底板與基礎(chǔ)之間的空隙隨液位的變化是造成泄漏信號間斷性的直接原因。通過不同液位高度時聲發(fā)射信號的對比，可以精確定位泄漏信號的位置。導(dǎo)波檢測[24]適用于罐底邊緣板的大面積在線無損檢測，具有傳播距離遠(yuǎn)、快速便捷和檢測精度不受儲罐介質(zhì)影響的優(yōu)點(diǎn)。其不足之處在于導(dǎo)波傳播距離有限，加上儲存介質(zhì)對超聲能量的吸收，只適合檢測罐底邊緣板。融合計算機(jī)視覺技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、防爆隔離技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、通訊技術(shù)、漏磁和超聲技術(shù)于一體的機(jī)器人在線檢測技術(shù)，可以攜帶不同的傳感器，根據(jù)不同的環(huán)境和部位，對儲罐底部進(jìn)行全部或局部定量檢測。由于大型常壓儲罐高度一般都在20 m左右，采用爬壁超聲波連續(xù)測厚技術(shù)，不用搭設(shè)腳手架即可使檢測儀到達(dá)任意指定位置，對儲罐內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)超聲掃描檢查，快速便捷，效率高。

4 結(jié) 語

(1)與承壓設(shè)備不同，國家并未出臺相關(guān)法規(guī)來強(qiáng)制要求常壓儲罐進(jìn)行定期檢驗，導(dǎo)致國內(nèi)常壓儲罐普遍存在過度檢驗或檢驗不足，是石化裝置安全長周期運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。基于風(fēng)險的儲罐管理模式，識別失效模式和損傷機(jī)理，制訂科學(xué)的檢驗時間和檢驗策略，可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與安全的統(tǒng)一。

(2)常壓儲罐的風(fēng)險評估方法有很多，RBI評估是現(xiàn)階段最主流的評估方法，并且已經(jīng)納入到法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系。不足之處在于：API 581和GB/T 30578都只給出了罐壁板和罐底板的風(fēng)險評估辦法，并未給出罐頂板、浮盤、加熱器等其他儲罐組成部分的風(fēng)險評估辦法，這也是未來儲罐RBI評估的發(fā)展方向。

(3)常壓儲罐的主要缺陷是腐蝕和焊縫裂紋所致，因此其檢驗檢測技術(shù)也主要是用來檢測腐蝕減薄和焊縫裂紋。但是開罐檢驗存在檢驗周期長、輔助費(fèi)用高的問題，未來如何將在線檢驗、開罐檢驗和RBI評估結(jié)合在一起，在保障儲罐本質(zhì)安全的前提下，延長開罐檢驗周期，則是值得思考的問題。