基于在線安全評(píng)價(jià)的105 m3原油儲(chǔ)罐延期檢修技術(shù)探討

張彤翼,張延兵,孫志濤

(1.舟山國家石油儲(chǔ)罐基地有限責(zé)任公司, 舟山 316001；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院, 南通 226011)

超大型原油儲(chǔ)罐作為我國戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備的重要基礎(chǔ)載體，其安全性對(duì)于國家能源安全的重要性不言而喻。隨著一大批儲(chǔ)罐的使用周期接近或超過10 a，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,需要對(duì)其進(jìn)行開罐大修，由于同時(shí)到期的儲(chǔ)罐數(shù)量巨大，在較短的時(shí)間內(nèi)完成檢修難度較大，因此迫切需要一種評(píng)價(jià)方法[1]對(duì)儲(chǔ)罐的實(shí)時(shí)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全裕度進(jìn)行評(píng)價(jià)，合理優(yōu)化儲(chǔ)罐的檢修順序，對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的儲(chǔ)罐優(yōu)先停產(chǎn)檢修，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較低的儲(chǔ)罐適當(dāng)延期檢修，保證儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)始終在可接受水平內(nèi)。以某10 萬立方米原油儲(chǔ)罐為例，重點(diǎn)分析了在線安全評(píng)價(jià)技術(shù)在超大型原油儲(chǔ)罐延期檢修方面的適用性。

1 主要檢修內(nèi)容

105m3超大型原油儲(chǔ)罐延期檢修評(píng)價(jià)主要分為2個(gè)部分，分別是常規(guī)檢測(cè)部分和基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)部分。常規(guī)檢測(cè)主要包括資料審查、宏觀檢查、罐壁腐蝕檢測(cè)、浮艙腐蝕及氣密性檢測(cè)、底板聲發(fā)射檢測(cè)、基礎(chǔ)沉降與垂直度檢測(cè)、接地檢測(cè)、焊縫質(zhì)量無損檢測(cè)、儲(chǔ)罐安全附件檢測(cè)等。這些檢測(cè)項(xiàng)目主要為儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；陲L(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)部分主要包括失效概率計(jì)算和失效后果計(jì)算。

2 設(shè)備工作參數(shù)

某雙盤式浮頂罐于2008年投入使用，依據(jù)的設(shè)計(jì)規(guī)范為API 650-2006，其主要用于存儲(chǔ)原油，容積為105m3，直徑為80 m，高度為21.8 m，設(shè)計(jì)壓力為常壓，設(shè)計(jì)最高溫度為50 ℃，其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖1 儲(chǔ)罐底板腐蝕在線評(píng)價(jià)流程

3 儲(chǔ)罐底板在線腐蝕檢測(cè)

3.1 底板聲發(fā)射檢測(cè)

從大量的開罐檢修結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐底板相較于罐體其他部位更容易產(chǎn)生腐蝕缺陷，因此對(duì)底板的檢測(cè)是重中之重。目前國內(nèi)外最常用的儲(chǔ)罐底板在線檢測(cè)技術(shù)為聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)。

3.2 傳統(tǒng)底板聲發(fā)射檢測(cè)的評(píng)價(jià)方法

目前儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 10764-2007，其規(guī)定將儲(chǔ)罐實(shí)際檢測(cè)過程中采集到的AE(聲發(fā)射)特征參數(shù)[2]，如單位時(shí)間內(nèi)的基于時(shí)差定位的事件數(shù)E或基于區(qū)域定位的撞擊數(shù)H的量級(jí)作為評(píng)判的主要標(biāo)準(zhǔn)，將儲(chǔ)罐底板腐蝕等級(jí)劃分為5個(gè)級(jí)別(見表2)。

表2 儲(chǔ)罐底板腐蝕等級(jí)及維修建議

該種評(píng)判方法嚴(yán)重依賴檢測(cè)人員的工程經(jīng)驗(yàn)，甚至不同檢測(cè)人員對(duì)于同一儲(chǔ)罐的評(píng)價(jià)結(jié)果都會(huì)大相徑庭，無形中導(dǎo)致了檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、可追溯性的嚴(yán)重不足，這也是長(zhǎng)期以來儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中被詬病的主要原因。

3.3 基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練的專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

人工智能算法在自動(dòng)化生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，而在設(shè)備的檢測(cè)及其安全評(píng)價(jià)方面應(yīng)用較少。在評(píng)價(jià)儲(chǔ)罐檢測(cè)結(jié)果的過程中，輸入為儲(chǔ)罐的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，輸出為儲(chǔ)罐的安全狀況等級(jí)、腐蝕速率、剩余壽命等，數(shù)學(xué)關(guān)系非常明確，且儲(chǔ)罐每年的在線和開罐檢測(cè)數(shù)量巨大，這些特點(diǎn)為專家系統(tǒng)訓(xùn)練樣本的制作和驗(yàn)證提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐[5]。專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)工程在國外已經(jīng)完成(美國聲學(xué)物理公司的TANKPAC系統(tǒng))，該系統(tǒng)對(duì)國內(nèi)封鎖。對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)，在目前中美貿(mào)易及技術(shù)爭(zhēng)端的背景下顯得更為緊迫和有意義。

以常用的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例[6-7]，確定儲(chǔ)罐底板腐蝕在線評(píng)價(jià)流程(見圖1，圖中RRHC，HC,K2,TS,SA均為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型代號(hào))。對(duì)收集到的105m3原油儲(chǔ)罐在線、開罐檢修數(shù)據(jù)及相互比對(duì)的結(jié)果進(jìn)行整理，并對(duì)評(píng)價(jià)涉及的主要特征參數(shù)[7]如使用時(shí)間、存儲(chǔ)介質(zhì)、使用溫度、外觀腐蝕情況、基礎(chǔ)狀況、容積、高度、直徑、保溫結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)形式、罐體材料、環(huán)境條件、歷年檢修數(shù)據(jù)、當(dāng)前聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行離散化和歸一化處理[8-10]，選取涵蓋不同安全狀況等級(jí)的儲(chǔ)罐共180個(gè)進(jìn)行樣本訓(xùn)練，評(píng)價(jià)系統(tǒng)誤差迭代計(jì)算界面及軟件框架如圖2所示。

以庫區(qū)某105m3原油儲(chǔ)罐為例測(cè)試專家系統(tǒng)的評(píng)價(jià)精度，儲(chǔ)罐底板的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)定位結(jié)果如圖3所示(以儲(chǔ)管底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面坐標(biāo)進(jìn)行定位)，經(jīng)過專家系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)價(jià)，其底板腐蝕安全狀況等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

該儲(chǔ)罐開罐檢修觀察到的腐蝕情況及陽極塊減重分布如圖4所示(c圖中黑色方塊表示減重超過40%的陽極塊)。將基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練的專家系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的儲(chǔ)罐底板腐蝕情況進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的精度與可靠性。

圖2 評(píng)價(jià)系統(tǒng)誤差迭代計(jì)算界面及軟件框架

圖3 儲(chǔ)罐底板腐蝕在線聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)定位結(jié)果

圖4 開罐檢修觀察到的腐蝕情況及陽極塊減重分布示意

從開罐結(jié)果可以看出，儲(chǔ)罐底板越靠近罐壁的邊緣區(qū)域腐蝕越明顯(主要原因?yàn)?05m3儲(chǔ)罐的罐底中心部位高于邊緣板，原油內(nèi)部的水向邊緣流動(dòng))，陽極塊的減重情況越嚴(yán)重，而中心部位底板狀況非常良好，該結(jié)果與底板聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果(事件數(shù)呈環(huán)向分布)完全吻合。在儲(chǔ)罐底板加裝的陰極保護(hù)裝置(犧牲陽極塊及強(qiáng)制電流陰極保護(hù))和防腐涂層的共同作用下，邊緣板附近區(qū)域除局部涂層破損失效和陽極塊減重外，底板的母材幾乎未出現(xiàn)減薄跡象。從開罐復(fù)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，評(píng)價(jià)系統(tǒng)計(jì)算的底板腐蝕狀況等級(jí)(Ⅰ級(jí))是準(zhǔn)確的。

由于儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱與腐蝕速率有著極強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以將AE評(píng)價(jià)結(jié)果與儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的安全裕度預(yù)測(cè)(或剩余壽命預(yù)測(cè))，為儲(chǔ)罐延長(zhǎng)使用周期提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。目前常用的基于腐蝕速率的預(yù)測(cè)模型有：平均腐蝕速率預(yù)測(cè)模型(以平均腐蝕速率計(jì)算腐蝕深度)；模糊預(yù)測(cè)腐蝕速率模型(以歷年測(cè)厚數(shù)據(jù)，擬合腐蝕速率發(fā)展曲線，進(jìn)而推測(cè)未來幾年的腐蝕發(fā)展趨勢(shì))；風(fēng)險(xiǎn)腐蝕速率預(yù)測(cè)模型(主要以聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)為主要參考，并輔助以其他變量進(jìn)行修正得出腐蝕速率的變化趨勢(shì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)腐蝕深度)等，以上技術(shù)的綜合運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐底板安全狀況的預(yù)測(cè)。

4 罐壁腐蝕檢測(cè)與評(píng)價(jià)

常用的罐壁腐蝕檢測(cè)技術(shù)為超聲測(cè)厚技術(shù)。儲(chǔ)罐為薄壁構(gòu)件，在對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮2方面的內(nèi)容，即液位載荷評(píng)價(jià)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。其中液位載荷評(píng)價(jià)主要針對(duì)20 m高原油的自重載荷對(duì)罐壁壓力(主要是環(huán)向應(yīng)力)的評(píng)價(jià)，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要針對(duì)儲(chǔ)罐在使用過程中承受的極限風(fēng)載荷、地震載荷、附加載荷以及進(jìn)出料導(dǎo)致的動(dòng)載荷等引起的應(yīng)力(主要是彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力等)的評(píng)價(jià)。儲(chǔ)罐罐底、罐壁各層基于極限截荷下的安全因子發(fā)展趨勢(shì)分別如圖5，6所示,不同載荷下儲(chǔ)罐整體的安全因子發(fā)展趨勢(shì)如圖7所示。

圖5 罐底基于極限載荷下的安全因子發(fā)展趨勢(shì)

圖6 罐壁各層基于極限載荷下的安全因子發(fā)展趨勢(shì)

圖7 不同載荷下儲(chǔ)罐整體的安全因子發(fā)展趨勢(shì)

從圖6可以看出，在綜合考慮各種載荷的情況下，第7,8兩層相較于其余罐壁的失效發(fā)展速率要快(其承受液位載荷較低，壁厚裕度較大，安全系數(shù)在10 a內(nèi)并不比其余罐壁低)，這主要是因?yàn)檫@兩層罐壁的材料分別為16MnR和Q235B，相較于12MnNiVR，其強(qiáng)度較低，耐腐蝕性能較差，所以失效速率較快。

5 基礎(chǔ)沉降檢測(cè)與評(píng)價(jià)

儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)沉降檢測(cè)主要包含2個(gè)方面的內(nèi)容，即均勻沉降和不均勻沉降。由于105m3儲(chǔ)罐在延期評(píng)價(jià)時(shí)，其使用周期一般都已超過10 a，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)相對(duì)于罐區(qū)基準(zhǔn)標(biāo)高的絕對(duì)沉降值一般趨于穩(wěn)定。儲(chǔ)罐即使發(fā)生整體沉降，也不會(huì)嚴(yán)重影響其使用安全，因此在對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)更關(guān)注儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上的相對(duì)沉降偏差，因?yàn)槠淦x值過大將會(huì)導(dǎo)致罐體垂直傾斜或部分區(qū)域嚴(yán)重變形。

圖8 儲(chǔ)罐固定觀測(cè)點(diǎn)和環(huán)梁頂部的沉降曲線

某儲(chǔ)罐固定觀測(cè)點(diǎn)和環(huán)梁頂部的沉降曲線如圖8所示(圖中虛線為不同觀測(cè)點(diǎn)沉降差的均值變化曲線，箭頭所指方向?yàn)闄z測(cè)方向)，從圖8可看出，固定觀測(cè)點(diǎn)的沉降值偏差較大，尤其是相鄰兩點(diǎn)的沉降差難以滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5921-2017中5.8節(jié)的要求，而環(huán)梁頂部的沉降差較小。這是由于基礎(chǔ)沉降固定觀測(cè)點(diǎn)在儲(chǔ)罐建造之初主要用于充水試驗(yàn)后的沉降值監(jiān)測(cè)，其并不關(guān)注相鄰兩點(diǎn)之間的差值，因此對(duì)在役105m3儲(chǔ)罐的沉降檢測(cè)應(yīng)優(yōu)先考慮更能準(zhǔn)確反映基礎(chǔ)不均勻沉降的環(huán)梁頂部沉降差作為沉降與否的判定。

6 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與延期建議

在完成上述檢驗(yàn)項(xiàng)目以及資料審查、宏觀檢查、垂直度檢測(cè)、安全附件檢驗(yàn)及其他必要無損檢測(cè)的基礎(chǔ)上，可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578-2014，SY/T 5921-2017，SY/T 6620-2014等對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，并根據(jù)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展趨勢(shì)以及企業(yè)的可接受風(fēng)險(xiǎn)程度，預(yù)測(cè)儲(chǔ)罐的繼續(xù)使用周期，并給出儲(chǔ)罐的延期檢修工作建議，風(fēng)險(xiǎn)矩陣及損傷因子發(fā)展趨勢(shì)如圖9所示。

儲(chǔ)罐的定量風(fēng)險(xiǎn)值R(t)計(jì)算為

R(t) =F(t)×C(t)

(1)

F(t) =FG×Df-totle×FM

(2)

式中：F(t)為失效概率；C(t)為失效后果;FG為平均失效概率；Df-totle為總損傷系數(shù)；FM為管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)系數(shù)。

圖9 風(fēng)險(xiǎn)矩陣及損傷因子發(fā)展趨勢(shì)

7 結(jié)論

(1) 隨著我國一大批戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備油罐第一個(gè)檢修周期的到來，短時(shí)間內(nèi)大量增加的開罐檢修需求將極大地影響正常的原油儲(chǔ)備，因此開展基于在線安全評(píng)價(jià)的延期檢修研究具有極大的社會(huì)意義。從已檢修儲(chǔ)罐的情況來看，105m3儲(chǔ)罐的內(nèi)部狀況非常良好，這也為超大型原油儲(chǔ)罐延期檢修的可行性和風(fēng)險(xiǎn)控制營造了積極的氛圍。

(2) 從基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練專家系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果來看，只要有充足的在線與開罐數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，其完全可以滿足工程應(yīng)用檢測(cè)精度需要，可大大節(jié)約頻繁開罐的成本。

(3) 105m3原油儲(chǔ)罐的延期檢修需要諸如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、在線檢測(cè)技術(shù)、開罐檢測(cè)技術(shù)、安全評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等作為支撐，所有這些技術(shù)的應(yīng)用與突破，對(duì)提升我國戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備管理水平都可以起到很好的促進(jìn)作用。