基于風險的檢驗（RBI）技術在某天然氣液化裝置中的應用

林海萍 ，楊磊杰 ，黃超鵬 ，李玉閣 ，宋文明 ，侍吉清

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518）

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，是能源結構中重要的組成部分，是當前各國能源發(fā)展的首選。然而由于全球天然氣資源地域分布和能源消費區(qū)域的不均衡，推動了天然氣液化工業(yè)的快速發(fā)展。液化天然氣（LNG）由于體積能量密度高，便于存儲和運輸，已經(jīng)成為了天然氣輸送和儲存的首選方式[1-2]。而由于天然氣液化裝置的特殊性和下游的需求，保證天然氣液化裝置長周期、安全運行至關重要，開展裝置的科學的、安全的、有效的預防性檢驗和維護顯得尤為重要。

基于風險的檢驗（簡稱RBI）技術區(qū)別于傳統(tǒng)的檢驗，它從整套裝置出發(fā)，以設備的損傷模式入手，對承壓設備的風險進行全面而系統(tǒng)的分析，重點關注風險較高的設備，通過有效的檢驗實現(xiàn)降低設備運行風險、延長裝置運行周期、節(jié)約檢驗成本，進而達到提高生產(chǎn)效益的目的[3-4]。為了提高我國天然氣液化行業(yè)在世界同行的競爭力和影響力，國內(nèi)的一些企事業(yè)單位開展了一系列的RBI評估工作，但大部分都圍繞石油化工裝置[5]，應用于天然氣液化裝置卻很少。本文以某天然氣液化裝置為試點進行了推廣應用，對建立天然氣液化行業(yè)的RBI評估體系有重大意義。

1 RBI技術

根據(jù)API 581的定義：每臺設備的風險等于失效可能性和失效后果的乘積，所以必須先確定設備的失效可能性和失效后果才能進一步計算設備的風險值，從而確定設備的風險等級。失效可能性包括通用失效頻率、損傷因子和管理系統(tǒng)系數(shù)，失效后果有經(jīng)濟后果、安全后果和環(huán)境后果三方面[6]。風險矩陣是風險大小的直觀表示，由圖1可見，建立以失效后果為橫坐標、失效可能性為縱坐標的5×5風險矩陣，由高到低依次為高風險、中高風險、中風險和低風險，可以較為直觀的反映引起風險的因素。

圖1 風險矩陣圖

2 天然氣液化裝置簡介

該天然氣液化裝置于2012年4月投產(chǎn)，年產(chǎn)液化天然氣 （LNG）20萬 t，年設計操作時間為8000h，裝置由9個處理單元組成。原料天然氣組成中甲烷、丙烷、丁烷、氮氣、二氧化碳、水的體積分數(shù)分 別 為 92.61% 、0.52% 、0.27%、2.00%、3.87%～4.10%、0.04%，汞含量為 0.076μg/m3，其運行壓力為4.2～5.2MPa，運行溫度為25～40℃。主要工藝流程為：原料天然氣（不含H2S）進站后脫除二氧化碳、水、汞等雜質(zhì)后進行液化處理，液化后儲存于LNG儲罐并裝車運輸至站外，工藝流程簡圖如圖2所示。

圖2 工藝流程簡圖

該裝置RBI評估對象為脫碳單元、脫水脫汞單元、液化單元、冷劑儲存單元、閃蒸氣單元、罐區(qū)及裝車單元以及公用工程這7個單元的主要容器和管道，共計148臺容器、380條管道，通過計算該裝置連續(xù)運行條件下，在2017年8月及2020年8月前的系統(tǒng)風險（檢驗周期設定為3年），確定出在此期間內(nèi)其風險超出目標因子值的設備，通過實施有效檢驗降低其運行風險，以保證未來整個裝置的安全平穩(wěn)運行。

3 失效機理分析

該天然氣液化裝置中主要的潛在失效模式有：內(nèi)部腐蝕減薄、內(nèi)部應力腐蝕開裂、外部腐蝕、外部應力腐蝕開裂及疲勞等五大類。

脫碳單元脫碳工藝前設備運行壓力為4.2～5.2MPa，溫度 25～40℃，材質(zhì)為 20G，原料天然氣中含有CO2、H2O等雜質(zhì)，可能發(fā)生酸性水腐蝕和碳酸鹽應力腐蝕開裂；胺液系統(tǒng)中，運行壓力0.1～0.5MPa， 運行溫度 38～123℃， 材質(zhì)為 20#、20G、06Cr19Ni10，可能發(fā)生胺腐蝕，貧胺液對胺應力腐蝕開裂較敏感。

脫水單元分子篩再生工藝設備運行壓力為1.4MPa，溫度 40～266℃，材質(zhì)為 20G，經(jīng)再生氣換熱器和再生氣空冷器后可能產(chǎn)生冷凝水與未脫除的CO2發(fā)生酸性水腐蝕。

液化單元、冷劑儲存單元、閃蒸氣單元、罐區(qū)及裝車單元以及公用工程單元無腐蝕性介質(zhì)，主要是由沖刷引起的減薄。

統(tǒng)計每個單元的具體損傷機理見表1。碳鋼及低合金鋼設備外部可能發(fā)生外部腐蝕，奧氏體不銹鋼設備外表面可能存在氯離子應力腐蝕開裂，泵及壓縮機進出口管線存在振動疲勞，可能產(chǎn)生裂紋缺陷。

表1 該天然氣液化裝置潛在失效機理表

4 風險評估結果

4.1 風險矩陣圖

經(jīng)分析計算得，當前總成本風險比較高，有5項達到了高風險，55項達到了中高風險，并且三年內(nèi)還將增加35項達到中高風險，共將產(chǎn)生90項設備處于中高風險中，且中風險項由原來的327項減少到302項，低風險由原來的126項減少至116項，三年后通過有效的檢驗使得中高風險項由檢驗前的90項減少到59項，中風險項由檢驗前的302項增加到333項，圖3、圖4、圖5分別為該裝置當前、運行三年未檢驗及運行三年檢驗后的風險矩陣圖。

圖3 當前風險矩陣圖

圖4 運行三年未檢驗的風險矩陣圖

圖5 運行三年檢驗后的風險矩陣圖

4.2 風險分布

在裝置中，主要風險通常集中于較少的設備，約20%的設備就承擔了裝置95%的總風險[7]，而RBI技術就是重點關注這20%的高風險設備，將現(xiàn)在或?qū)硎Ц怕实燃壌笥?或風險等級為中高風險或高風險項列入重點設備項，也就是現(xiàn)場檢驗的對象，在該裝置中包括9臺容器，59條管道，共計71項，分析可得腐蝕嚴重的部位主要集中在脫碳單元，具體分布在原料天然氣進吸收塔前設備，溫度較高的富胺液設備，富胺液自吸收塔至富液閃蒸罐區(qū)段，貧富液換熱器的貧富液進出口管線，酸氣發(fā)生冷凝部位，壓縮機和泵進出口管線及調(diào)節(jié)閥后管段。

4.3 檢驗策略

RBI技術通過對各管道和容器的不同設計、安裝、運行參數(shù)及潛在的損傷機理進行具體的分析，從而給出每條管道和每臺容器的檢驗方案，確定檢驗對象的損傷機理，損傷位置，并確定出發(fā)現(xiàn)損傷的最佳檢驗方法，進而根據(jù)風險級別和經(jīng)濟平衡性制定各設備的檢驗計劃。檢驗方案制定的基本原則如下：（1）檢驗范圍的篩選：一般情況下風險等級較高的設備其可能性等級也較大，中高風險、高風險的項目和失效概率等級大于3的項目一般都須納入檢驗計劃，尤其是中高風險和高風險設備，中風險和低風險項一般不納入檢驗計劃，但當企業(yè)認為有必要的話仍需檢驗，分析研究表明該裝置本次現(xiàn)場檢驗需要重點關注容器9臺，管道59條。（2）檢驗方法的確定：RBI給出了每項設備的推薦檢驗方法及比例，通常使用高度有效且經(jīng)濟可行的檢驗方法來識別缺陷，減薄最有效的識別方法為宏觀檢查和壁厚測定；應力腐蝕開裂主要檢驗方法為宏觀檢查和無損檢測；沖刷減薄主要檢驗方法為宏觀檢查及壁厚測定，對于溫度較高或者較低的設備，采用脈沖渦流檢驗技術可在不拆除絕熱層的情況下直接進行壁厚測定；泵、壓縮機進出口容易產(chǎn)生振動疲勞，表現(xiàn)形式為開裂，主要檢驗方法為滲透檢測。（3）檢驗部位的確定：管道腐蝕沖刷和紊流嚴重的部位，如：彎頭、大小頭、三通；調(diào)節(jié)閥、減壓閥后管段等；盲端、死角部位，如：調(diào)節(jié)閥旁路、開停工副線等；管線低點容易積液部位；泵的進出口部位；壓力、溫度波動變化部位。（4）檢驗周期的確定：傳統(tǒng)檢驗周期一般不超過6年，而RBI確定的檢驗周期最長可延至9年[8-9]。國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明實施RBI技術，相比于傳統(tǒng)的檢修計劃，能使停機檢修日數(shù)減少10%，檢修成本節(jié)約15%，顯著提高了經(jīng)濟效益[10]。

5 檢驗結果

現(xiàn)場共計檢測壓力容器9臺，壓力管道59條，檢驗過程中未發(fā)現(xiàn)腐蝕開裂，其原因可能為該裝置于2012年投產(chǎn)，所用材料硫含量較低，大部分板材供貨狀態(tài)為正火且設備在制造后進行了熱處理，使其對應力腐蝕開裂較不敏感。檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題為壁厚損失，主要分布在天然氣脫碳單元溫度較高的富胺液設備、貧富液換熱器的貧富液出口管線、酸氣發(fā)生冷凝部位以及部分泵進口管線。典型案例如MDEA1205管線 （富胺液自吸收塔T-101至富液閃蒸罐），管道設計運行參數(shù)：運行壓力：4.9/0.5MPa（減壓閥前/減壓閥后），運行溫度 57℃，介質(zhì)：富胺液，材質(zhì)：20G，規(guī)格：Φ219×7mm（直段）、219×13mm（彎頭），投用時間：2012 年 4 月。超聲波測厚發(fā)現(xiàn)，彎頭R1外彎處存在局部減薄，原始壁厚13mm，實測最小壁厚11.70mm，Z1正下方存在局部減薄，原始壁厚7mm，實測最小壁厚為5.88 mm，實際腐蝕速率為0.22mm/a，分析可得主要原因為減壓閥后流態(tài)不穩(wěn)定，富胺液中的酸性氣溢出造成較嚴重的局部腐蝕，進行強度校核[11]得最小壁厚為0.44，此時僅考慮內(nèi)壓，沒有考慮應力及振動載荷等對它的影響，故此值僅作參考。Z1局部減薄較嚴重，建議對此直段部分監(jiān)控使用，條件允許下建議更換為不銹鋼材質(zhì)。

現(xiàn)場檢驗結果與前期的風險評估結果較為一致，對減薄嚴重不能繼續(xù)使用的設備建議更換，對減薄較嚴重但可以繼續(xù)使用的設備監(jiān)控使用，監(jiān)測點的建立便于后期進行在線定點測厚，繪制設備隨時間變化的腐蝕趨勢線，分析腐蝕速率大小，對接近允許最小壁厚或腐蝕速度增大的設備分析其損傷機理，提前備料并于檢修周期內(nèi)更換，監(jiān)測周期建議每三個月一次，可依據(jù)腐蝕速率大小進行適當縮短或延長，本次現(xiàn)場檢驗制定監(jiān)測點4個，通過對高風險設備采取定期監(jiān)測的措施來降低風險，取得了良好的效果。

圖6 富胺液自吸收塔T-101至富液閃蒸罐管線走向圖

6 結論

（1）通過實施RBI技術，對裝置中每一項設備的風險大小進行分析，重點關注高風險的設備并提出了基于風險的檢驗計劃，通過實施有效的檢驗從而降低風險延長剩余壽命，使該天然氣液化裝置長周期安全運行，現(xiàn)場檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題為壁厚損失，主要分布在天然氣脫碳單元溫度較高的富胺液設備，貧富液換熱器的貧富液出口管線，酸氣發(fā)生冷凝部位，部分泵進口管線，有效驗證了前期的風險評估結果，降低了該裝置運行風險，為國內(nèi)同類型裝置長周期安全穩(wěn)定運行提供重要參考。

（2）通過RBI技術的應用，熟悉了天然氣液化裝置中潛在的損傷機理，可以更加清醒地認識風險發(fā)生的主要原因，提前預防避免或降低風險發(fā)生的可能性，同時，提高了工作效率，促進了RBI技術全面普及和資產(chǎn)完整性管理。

（3）通過此RBI技術的應用，對建立天然氣液化行業(yè)的RBI評估體系有重要的意義。