淺談內(nèi)部腐蝕減薄損傷因子定量計算方法

李東陽

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院， 江蘇 南京 210036)

腐蝕減薄是石油化工設(shè)備損傷的最主要形式之一。在失效可能性計算中，對所有的承壓設(shè)備都要計算減薄損傷因子。2016版的API RP 581[1]中介紹了2種失效可能性Pf(t)計算方法，分別是通用失效概率法和雙參數(shù)威布爾分布法。通用失效概率法適用于承壓邊界設(shè)備，包括壓力容器、管道、泵和閥門外殼等承壓部件失效可能性Pf(t)的計算。雙參數(shù)威布爾分布法則適用于壓力釋放裝置和熱交換器管束失效可能性Pf(t)的計算[1]。

通用失效概率法失效可能性計算公式Pf(t)=gffDf(t)FMS中，損傷因子Df(t)的計算須分情況采用不同算式。當(dāng)內(nèi)部減薄和外部損傷都為局部腐蝕減薄且不會發(fā)生在同一部位時，Df(t)=Max[Df,thin,Df,extd]+Df,scc+Df,htha+Df,brit+Df,mfat；當(dāng)內(nèi)部減薄和外部損傷都為全面腐蝕減薄且在同一部位時，Df(t)=Df,thin+Df,extd+Df,scc+Df,htha+Df,brit+Df,mfat。這2種情況的計算均涉及到內(nèi)部減薄損傷因子Df,thin。文中對API RP 581中內(nèi)部減薄損傷因子定量計算方法進(jìn)行探討，各物理量含義參見文獻(xiàn)[1]。

1 內(nèi)部減薄損傷因子Df(t)

按照API RP 581定量計算內(nèi)部減薄損傷因子時有一個假定，即假設(shè)腐蝕速率不隨時間變化。而實際情況是，生產(chǎn)工藝介質(zhì)中腐蝕性介質(zhì)的含量、流速等都不恒定，由此造成的腐蝕損傷速率是隨時間變化的。在沒有實現(xiàn)在腐蝕速率與時間之間建立函數(shù)關(guān)系之前，這個假設(shè)只是對實際情況的一個簡單化處理。應(yīng)用API RP 581定量計算內(nèi)部減薄損傷因子時，為了使計算值更加接近真實值，有必要在確定這個穩(wěn)定的腐蝕速率值時將設(shè)備在服役周期內(nèi)的運(yùn)行工藝參數(shù)納入考慮。內(nèi)部減薄損傷因子定量計算的過程和公式參見API RP 581，此處不再贅述，僅從中整理出計算內(nèi)部減薄損傷因子所包含的5個部分進(jìn)行討論。

1.1 厚度與時間的參數(shù)Art

厚度與時間的參數(shù)Art的計算分為有無襯里或堆焊層2種情況。對于無襯里和堆焊層的情況，按照式(1)或式(2)進(jìn)行計算。

(1)

(2)

當(dāng)有高度準(zhǔn)確有效的測厚數(shù)據(jù)時，可以采用式(2)計算。其中最重要的參數(shù)是基體腐蝕速率，當(dāng)存在多種腐蝕機(jī)理時，總腐蝕速率=局部腐蝕速率最大值+全面腐蝕速率總和。實際情況中，當(dāng)存在多種減薄機(jī)理時，不同腐蝕機(jī)理之間會有相互促進(jìn)或者抑制的作用，環(huán)烷酸腐蝕和高溫硫化物腐蝕就是典型的例子[2-4]。

1.2 腐蝕速率置信度

腐蝕速率置信度是對腐蝕速率準(zhǔn)確性的模糊評價，分低置信度、中置信度和高置信度3種狀態(tài)[5]。腐蝕速率可以由專家確定，也可以由檢驗測厚數(shù)據(jù)確定。當(dāng)腐蝕速率由專家確定時，該腐蝕速率的置信度受工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響。例如，操作介質(zhì)中腐蝕性介質(zhì)含量、操作溫度、操作壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，工藝參數(shù)的穩(wěn)定性都將影響對腐蝕速率的判斷。工藝參數(shù)越穩(wěn)定且準(zhǔn)確，該腐蝕速率的置信度越高。當(dāng)腐蝕速率由檢驗測厚數(shù)據(jù)確定時，該腐蝕速率的置信度受測厚位置和測厚點(diǎn)數(shù)量影響。測厚部位能夠均勻覆蓋，且測厚點(diǎn)數(shù)量越多，該腐蝕速率的置信度越高。

1.3 材料強(qiáng)度比參數(shù)SR

材料強(qiáng)度比參數(shù)SR計算公式如下。

SR=Max(SR1，SR2)

其中

式中，σs為設(shè)計溫度下的屈服強(qiáng)度，σb為設(shè)計溫度下的抗拉強(qiáng)度，S為設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，F(xiàn)S為流變應(yīng)力，p為操作壓力，MPa；E為焊接接頭系數(shù)；t為建造壁厚或測量壁厚，tmin為最小計算壁厚，tc為特殊結(jié)構(gòu)時的最小要求壁厚，D為待計算結(jié)構(gòu)件的內(nèi)徑(例如加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)徑、壓力管道管子內(nèi)徑)，mm；α為形狀因子(圓柱形取2，球形取4，封頭取1.13)。

上述強(qiáng)度比參數(shù)SR的計算公式只反映了材料強(qiáng)度與設(shè)計壓力、設(shè)備直徑以及壁厚之間的關(guān)系。當(dāng)設(shè)計壓力、設(shè)備直徑和壁厚在設(shè)計和制造時確定后，是不隨設(shè)備使用時間變化的。實際上，材料強(qiáng)度可能隨時間發(fā)生退化，尤其是在高溫工況下，材料存在隨時間力學(xué)性能下降的可能。因此，研究材料強(qiáng)度比參數(shù)SR隨時間的變化關(guān)系可以促進(jìn)計算更接近真實情況。

1.4 檢驗次數(shù)及檢驗方法的有效性

檢驗方法的有效性分為有效性差、一般有效、通常有效和高度有效，多次檢驗有利于提高檢驗有效性。在服役周期內(nèi)，工藝運(yùn)行參數(shù)決定了設(shè)備存在的損傷機(jī)理，同樣的檢驗方法對于不同損傷機(jī)理的有效性不同。

1.5 修正因子

針對在線監(jiān)測、注入點(diǎn)/混合點(diǎn)以及死角等特殊情況，引入了相應(yīng)的修正因子。在線監(jiān)測修正因子由腐蝕減薄損傷機(jī)理和在線監(jiān)測手段確定。針對腐蝕減薄損傷機(jī)理，增加在線監(jiān)測手段能有效監(jiān)控?fù)p傷和修正損傷因子，有利于降低設(shè)備風(fēng)險。例如增加裝置中現(xiàn)有采樣點(diǎn)的采樣分析項目，易于實現(xiàn)且監(jiān)測有效。

API RP 581中未考慮腐蝕減薄損傷形態(tài)對設(shè)備損傷失效的影響。實際上不同的腐蝕減薄損傷機(jī)理所造成的損傷形態(tài)是有不同的，不同的損傷形態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度也是不同的[6-9]。針對不同損傷形態(tài)，檢驗手段的有效性也并不一樣。例如，鹽酸腐蝕環(huán)境對碳鋼表現(xiàn)為全面均勻腐蝕，而對奧氏體不銹鋼則表現(xiàn)為點(diǎn)蝕，形成蝕坑，甚至發(fā)展為穿透性蝕孔。一般很難確定點(diǎn)蝕的腐蝕速率，而且采用測厚手段也不易發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕[10-11]。硫酸腐蝕大多為均勻腐蝕和點(diǎn)蝕，對碳鋼焊縫熱影響區(qū)腐蝕速率更大，易在焊接接頭部位形成溝槽[10]?？v焊縫上形成的長條形腐蝕坑對設(shè)備的危害比其他的局部腐蝕凹坑更為嚴(yán)重[6-7]。所以針對GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》腐蝕減薄部分中可能發(fā)生點(diǎn)蝕，形成腐蝕溝槽和易腐蝕焊接接頭的損傷機(jī)理，應(yīng)更加引起重視。

2 內(nèi)部減薄損傷因子影響因素

API RP 581中所給的減薄損傷因子定量計算公式比較繁雜，難以理清楚各參數(shù)對減薄損傷因子的影響。本文采用對比定量計算結(jié)果法分析各因素的影響。

不考慮檢驗次數(shù)及檢驗方法的有效性和修正因子的影響，減薄損傷因子定量計算主要受腐蝕速率、腐蝕速率置信度、材料強(qiáng)度、設(shè)計壓力、設(shè)備直徑和壁厚的影響。其中腐蝕速率、腐蝕速率置信度和材料強(qiáng)度反映的是損傷因素。設(shè)計壓力、設(shè)備直徑和壁厚在設(shè)計制造時已確定，不隨時間改變，反映的是設(shè)備因素。

采用挪威船級社的Synergi Plant RBI Onshore 5.4.1軟件對規(guī)格為?88.9 mm×5.6 mm的中壓蒸汽管道和規(guī)格為?273 mm×8 mm的焦?fàn)t氣管道進(jìn)行減薄損傷因子定量計算，對影響損傷因子定量計算的3個損傷因素逐一進(jìn)行探討。該軟件計算方法依據(jù)2016版API RP 581設(shè)計，管道參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)

2.1 腐蝕速率

設(shè)置腐蝕速率為高置信度，選取腐蝕速率v分別為0.05 mm/a、 0.2 mm/a和0.8 mm/a進(jìn)行計算。獲得的減薄損傷因子Df，thin隨服役時間t的變化曲線見圖1。

圖1 不同腐蝕速率下減薄損傷因子Df，thin隨服役時間t的變化曲線

由圖1可知，Df，thin-t曲線先是緩慢增長，然后快速增長。根據(jù)減薄損傷因子隨時間增長的速率，可將Df，thin-t曲線分成孕育期和快速增長期2部分。孕育期內(nèi)Df，thin數(shù)值和數(shù)值的增長都很小，可以認(rèn)為孕育期內(nèi)損傷的累積是可接受的。

由圖1還可知，腐蝕速率不影響減薄損傷因子的曲線形狀。不同腐蝕速率孕育期長度不同，孕育期長短與腐蝕速率成反比。相同腐蝕速率下，2條管道的孕育期大不相等，例如腐蝕速率為0.05 mm/a時中壓蒸汽管道孕期約為16 a，而焦?fàn)t氣管道約為24 a,分析原因是設(shè)備因素不同所引起的。

Df，thin-t曲線孕育期損傷因子很小，這說明主導(dǎo)失效的是偶然因素，符合浴盆曲線的偶然失效期。只考慮腐蝕減薄這一種損傷時，浴盆曲線壽命損耗期主要由腐蝕減薄所引起。Df，thin-t曲線與浴盆曲線的偶然失效期和壽命損耗期是相符合的。由于損傷因子的計算未考慮制造質(zhì)量的問題，所以不存在早期失效期部分。

2.2 腐蝕速率置信度

設(shè)置腐蝕速率v=0.2 mm/a，分別計算低置信度、中置信度和高置信度3種腐蝕速率置信度的減薄損傷因子，計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同腐蝕速率和置信度對2種管道減薄損傷因子Df，thin的影響

圖2a和圖2b表明，腐蝕速率置信度影響快速增長區(qū)的增長速率，腐蝕速率置信度越低，減薄損傷因子增加速率越大。但腐蝕速率置信度對Df，thin-t曲線孕育期影響很小。

2.3 材料強(qiáng)度

高溫且長時間服役運(yùn)行的設(shè)備，材料的強(qiáng)度易發(fā)生退化，退化的機(jī)理很多，以常見的材料球化為例進(jìn)行討論。

根據(jù)DL/T 674—1999 《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》[12]和DL/T 787—2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》[13]可知，球化級別分為1級-未球化、2級-傾向性球化、3級-輕度球化、4級-中度球化和5級-完全球化。

取上述2個標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)，繪制300 ℃下20鋼和450 ℃下15CrMo鋼各球化級別與高溫短時強(qiáng)度性能的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 不同球化級別狀態(tài)材料的高溫短時強(qiáng)度性能曲線

由圖3可以知道，隨球化級別的增加，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，材料的斷面收縮率和延伸率則呈現(xiàn)升高趨勢[14-15]。

設(shè)置腐蝕速率v=0.2 mm/a，腐蝕速率置信度設(shè)為高。應(yīng)用DL/T 674—1999和DL/T 787—2001中提供的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs數(shù)據(jù)，在Synergi Plant RBI Onshore 5.4.1軟件中創(chuàng)建對應(yīng)的不同球化級別的材料，計算不同球化級別狀態(tài)下腐蝕損傷因子，見圖4。

圖4 不同球化級別對減薄損傷因子的影響

由圖4可知，2級-傾向性球化對應(yīng)的FS參數(shù)變化明顯，20鋼下降25%，15CrMo鋼下降18%，球化導(dǎo)致的材料力學(xué)性能退化嚴(yán)重。但材料強(qiáng)度的降低對減薄損傷因子的影響并不大，Df，thin-t曲線孕育期變化很小。

3 結(jié)語

API RP 581—2016未考慮損傷形態(tài)對設(shè)備損傷失效的影響。應(yīng)用API RP 581定量計算內(nèi)部減薄損傷因子時，應(yīng)當(dāng)依據(jù)GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》將腐蝕減薄部分中可能發(fā)生點(diǎn)蝕形成腐蝕溝槽和易腐蝕焊接接頭的損傷機(jī)理納入考慮。

內(nèi)部減薄損傷因子Df，thin隨服役時間t的增長曲線存在著緩慢增長的孕育期，孕育期內(nèi)可認(rèn)為內(nèi)部減薄損傷的累積是可接受的。該孕育期的時間可以做為制定下次全面檢驗的參考時間。

腐蝕速率置信度和材質(zhì)強(qiáng)度對孕育期影響很小，腐蝕速率與孕育期大小成反比。腐蝕速率是內(nèi)部減薄損傷因子計算最關(guān)鍵的變量因素之一，腐蝕速率和設(shè)備設(shè)計制造所確定的設(shè)備因素共同決定了Df，thin-t曲線的孕育期大小。