基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)在液硫儲(chǔ)罐上的研究與應(yīng)用*

謝華昆，尹琦嶺，張 杰，謝曉東，趙世佳，邢 述

(1.中國石化達(dá)州天然氣凈化有限公司，四川 達(dá)州 635000；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

普光氣田是由中國石化開發(fā)建設(shè)并成功投入商業(yè)運(yùn)營的高酸性氣田，普光天然氣凈化廠是高含硫天然氣凈化廠，其規(guī)模亞洲第一、世界第二[1]。該廠建有6套12列凈化裝置及配套設(shè)施，高含硫天然氣(H2S體積分?jǐn)?shù)13%～15%，CO2體積分?jǐn)?shù)8%～9%)年處理能力1.2×1010m3，生產(chǎn)凈化氣和硫黃，其中硫黃年產(chǎn)2.4 Mt。

該廠擁有目前國內(nèi)最大的液硫儲(chǔ)罐群，共建有10臺(tái)常壓液硫儲(chǔ)罐，單罐儲(chǔ)存能力5 000 m3。由于液硫儲(chǔ)罐在生產(chǎn)運(yùn)行中其內(nèi)部存在H2S和硫蒸氣等腐蝕性介質(zhì)，故儲(chǔ)罐易發(fā)生腐蝕減薄，且罐內(nèi)的硫化亞鐵容易發(fā)生自燃，儲(chǔ)罐失效后果十分嚴(yán)重[2-4]。儲(chǔ)罐的本體及其附屬設(shè)施的失效均有可能危及儲(chǔ)罐。開罐檢驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、受限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，國內(nèi)缺乏適用的檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

參照SHS 01012—2019《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐維護(hù)檢修規(guī)程》和SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》要求，常壓儲(chǔ)罐檢測(cè)周期一般在6～9 a，首次檢驗(yàn)期限不超過10 a。目前，部分液硫儲(chǔ)罐的使用年限已達(dá)到首次檢驗(yàn)期限要求，儲(chǔ)罐整體安全狀況未知。大型儲(chǔ)罐常規(guī)檢測(cè)主要包括表面檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和漏磁檢測(cè)等方法，對(duì)設(shè)備表面清潔度有較高的要求。由于液硫儲(chǔ)罐容積較大，停工后底部沉積硫黃較多(約300 t)，造成清罐成本較高。開罐檢驗(yàn)前需人工清理硫黃，工作量大、周期長(zhǎng)、密閉空間施工風(fēng)險(xiǎn)大。采用常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)時(shí)，儲(chǔ)罐需要經(jīng)過內(nèi)部清洗、噴砂去除防腐層、表面處理、檢驗(yàn)和恢復(fù)等一系列過程，不僅造成防腐層和儲(chǔ)罐材質(zhì)的破壞，加速設(shè)備腐蝕，而且檢測(cè)工作量大、成本高、效果不理想。因此，傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法不再適用，而基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)(RBI)不僅能夠從失效可能性和失效后果兩方面對(duì)儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)分布情況，還能根據(jù)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定相應(yīng)的檢驗(yàn)策略和計(jì)劃。

1 RBI簡(jiǎn)介及可行性分析

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)(Risk-based inspection，簡(jiǎn)稱RBI)將定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合，通過識(shí)別設(shè)備的損傷機(jī)理和失效模式，制定科學(xué)的檢驗(yàn)周期和優(yōu)化的檢驗(yàn)策略，保障設(shè)備安全，提高經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、海洋平臺(tái)和船舶等領(lǐng)域[5]。

國家安監(jiān)局頒布的標(biāo)準(zhǔn)AQ 3053—2015《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐安全技術(shù)規(guī)程》明確了RBI應(yīng)用于液硫儲(chǔ)罐的合規(guī)性[6]。

國家質(zhì)檢總局標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578—2014《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》規(guī)定了立式鋼制圓筒形常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)要求，給出了常壓儲(chǔ)罐失效可能性和失效后果的計(jì)算方法，使RBI在液硫儲(chǔ)罐上的應(yīng)用具備了技術(shù)上的可行性。

2 液硫儲(chǔ)罐RBI研究

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線見圖1，具體步驟：

圖1 技術(shù)路線

(1)通過國外標(biāo)準(zhǔn)API 581—2000《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)》和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578—2014《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》篩選和尋找適用于液硫儲(chǔ)罐本體及其附屬設(shè)施的損傷模式和失效機(jī)理，初步歸納出液硫儲(chǔ)罐本體及其附屬設(shè)施的損傷模式、失效機(jī)理、影響因素、預(yù)防措施和檢測(cè)方法。

(2)根據(jù)損傷模式和失效機(jī)理的研究結(jié)果，結(jié)合常壓儲(chǔ)罐及其附屬設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)液硫儲(chǔ)罐損傷因子的取值和失效可能性的計(jì)算方法。

(3)收集歷年關(guān)于液硫儲(chǔ)罐檢修、腐蝕和泄漏等方面的案例進(jìn)行研究，根據(jù)儲(chǔ)罐失效產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上的損失情況，并結(jié)合企業(yè)和屬地單位相關(guān)管理規(guī)定，提出較為符合實(shí)際情況的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)或環(huán)保指標(biāo)作為失效后果計(jì)算的前提條件，再結(jié)合API 581—2000和GB/T 30578—2014關(guān)于常壓儲(chǔ)罐失效后果計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，確認(rèn)液硫儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中失效后果的計(jì)算方法。

(4)通過歷年關(guān)于液硫儲(chǔ)罐檢修、腐蝕和泄漏等相關(guān)案例分析，結(jié)合儲(chǔ)罐檢修后重新投用的運(yùn)行情況，研究針對(duì)儲(chǔ)罐本體及其附屬設(shè)施的檢驗(yàn)檢測(cè)方法及其有效性。儲(chǔ)罐本體的檢測(cè)部位主要包括罐頂、罐壁和罐底等，附屬設(shè)施的檢測(cè)部位主要包括進(jìn)出料管、加熱盤管、罐頂通氣孔和保溫部位等。

(5)按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，根據(jù)失效可能性和失效后果計(jì)算液硫儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)不同部位風(fēng)險(xiǎn)的高低，選擇有效的檢驗(yàn)方法，制定有針對(duì)性的檢驗(yàn)策略。

2.2 液硫儲(chǔ)罐的損傷模式和失效機(jī)理

元素硫和硫化氫等稱為活性硫，活性硫?qū)饘倬哂休^強(qiáng)的腐蝕性。液硫儲(chǔ)罐內(nèi)壁發(fā)生的腐蝕類型主要有高溫硫腐蝕、大氣腐蝕和低溫濕硫化氫腐蝕。

2.2.1 高溫硫腐蝕

液硫儲(chǔ)罐工作溫度為135～145 ℃，當(dāng)氣相空間中存在水蒸氣時(shí)，硫蒸氣與鐵迅速反應(yīng)生成硫鐵化合物，溫度越高，反應(yīng)越劇烈。當(dāng)罐壁溫度穩(wěn)定在100～150 ℃范圍內(nèi)，生成產(chǎn)物是保護(hù)性能較好的Fe(1-x)S(磁黃鐵)和FeS2(黃鐵)膜。當(dāng)罐壁保溫不好，罐壁溫度下降到100 ℃時(shí)，生成產(chǎn)物是無保護(hù)性的Fe(1+x)S和FeS膜。

2.2.2 大氣腐蝕

在液硫儲(chǔ)罐物料外送過程中，由于儲(chǔ)罐的通氣孔直通大氣，大量的空氣會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)罐中使其發(fā)生大氣腐蝕而生成鐵銹，然后與硫化氫作用生成FeS。

由于在儲(chǔ)罐的通氣孔處溫度較低，揮發(fā)的硫蒸氣在儲(chǔ)罐頂部結(jié)晶，生成單晶硫。該單晶硫呈黃色顆粒狀，燃點(diǎn)較低，摻雜在松散的塊狀焦硫化鐵中，為焦硫化鐵中FeS的自燃提供了充足的燃燒條件。當(dāng)儲(chǔ)罐處于付油狀態(tài)時(shí)，大量的空氣充滿儲(chǔ)罐的氣相空間，原先隱藏于防腐膜內(nèi)的FeS也逐漸地暴露出來，并在膠質(zhì)膜薄弱部位首先發(fā)生氧化，迅速發(fā)熱自燃，甚至導(dǎo)致火災(zāi)爆炸發(fā)生。

2.2.3 低溫濕硫化氫腐蝕

由于液硫的儲(chǔ)存溫度與聯(lián)合裝置液硫池內(nèi)溫度不同，液硫經(jīng)過長(zhǎng)距離密閉輸送后，再在敞開容器中儲(chǔ)存時(shí)會(huì)揮發(fā)出一定量的硫化氫。當(dāng)罐頂、罐壁的伴熱和保溫層存在缺陷時(shí)，水蒸氣在低溫部位冷凝，硫化氫溶解其中對(duì)這些部位產(chǎn)生明顯的腐蝕。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算及其影響因素分析

2.3.1 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算過程

利用DNV·GL RBI軟件對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，需要分別確定儲(chǔ)罐底板和壁板的失效可能性與失效后果。失效可能性根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(API 581—2008和GB/T 30578—2014)的規(guī)定確定，選取DNV·GL RBI軟件中相應(yīng)的潛在失效模式，確定損傷因子和一般失效概率，進(jìn)而確定每臺(tái)儲(chǔ)罐的失效可能性；而失效后果的確定則主要考慮介質(zhì)特性及其泄漏速率等參數(shù)。根據(jù)儲(chǔ)罐損傷程度以及介質(zhì)泄漏對(duì)周圍環(huán)境破壞、地下水污染和人員傷害等方面的影響，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算過程

2.3.2 影響因素分析

(1)底板腐蝕速率影響因素

內(nèi)部(產(chǎn)品側(cè))：介質(zhì)特性、材料、涂層(涂層質(zhì)量及使用年限)、操作溫度、蒸汽盤管和排水設(shè)施。

外部(土壤側(cè))：土壤電阻率、儲(chǔ)罐基礎(chǔ)、儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的排水狀況、陰極防護(hù)、儲(chǔ)罐底板類型和操作溫度。

(2)壁板腐蝕速率影響因素

內(nèi)部(產(chǎn)品側(cè))：介質(zhì)特性、材料、涂層(涂層質(zhì)量及使用年限)、操作溫度和蒸汽盤管。

外部(空氣側(cè))：當(dāng)?shù)貧夂?、操作溫度、保溫?保溫層質(zhì)量及使用年限)和外部涂層(涂層質(zhì)量及使用年限)。

3 RBI在液硫儲(chǔ)罐上的應(yīng)用

3.1 液硫儲(chǔ)罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則

液硫儲(chǔ)罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則如圖3所示，先對(duì)液硫儲(chǔ)罐開展風(fēng)險(xiǎn)初評(píng)估，然后針對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)以上儲(chǔ)罐進(jìn)行在線檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行再次評(píng)估，最后得出儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果，給出每臺(tái)儲(chǔ)罐當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及檢驗(yàn)策略。

圖3 液硫儲(chǔ)罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析與計(jì)算

根據(jù)GB/T 30578—2014《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》的相關(guān)要求和腐蝕速率專家數(shù)據(jù)庫，分析得出儲(chǔ)罐壁板和底板的損傷因子、失效可能性等級(jí)、失效后果等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等結(jié)果。儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算見式(1)。

R(t)=F(t)·C(t)

(1)

式中：R(t)表示儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)；F(t)表示失效可能性；C(t)表示失效后果。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2021年10月，對(duì)凈化廠10臺(tái)液硫儲(chǔ)罐的壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)初評(píng)估，其結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，10臺(tái)儲(chǔ)罐的壁板風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為中風(fēng)險(xiǎn)；8臺(tái)儲(chǔ)罐的底板風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中高風(fēng)險(xiǎn)，其余2臺(tái)儲(chǔ)罐(731-T-002和732-T-002)的底板風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 壁板和底板風(fēng)險(xiǎn)初評(píng)估結(jié)果

2021年11月，根據(jù)初評(píng)估結(jié)果，對(duì)2臺(tái)底板風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)的儲(chǔ)罐(731-T-002和732-T-002)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐罐體與基礎(chǔ)之間的密封已經(jīng)開裂，拆除第一層壁板保溫層后發(fā)現(xiàn)壁板腐蝕嚴(yán)重，且保溫層大面積變色，罐頂保溫層和作業(yè)平臺(tái)同時(shí)存在局部積水等問題,具體情況見圖5。

圖5 第一層壁板腐蝕形貌

分析認(rèn)為,第一層壁板腐蝕的主要原因在于當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣相對(duì)濕度較高，雨水較多，金屬表面水膜較厚，空氣中的氧透過水膜與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，液硫儲(chǔ)罐外壁所處環(huán)境氣溫越高，相對(duì)濕度越高，壁板腐蝕越嚴(yán)重，當(dāng)空氣中含有硫粉、二氧化硫、硫化氫和灰塵時(shí)，會(huì)加速壁板腐蝕。對(duì)壁板進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮其實(shí)際的腐蝕速率。

按照相關(guān)規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐外壁第一層壁板下部的腐蝕缺陷進(jìn)行打磨，去除破損的防腐涂層后重新涂敷，然后對(duì)液硫儲(chǔ)罐的壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估，其結(jié)果見圖6。預(yù)評(píng)估與再評(píng)估的儲(chǔ)罐壁板和底板風(fēng)險(xiǎn)分布見表1。

表1 儲(chǔ)罐壁板和底板風(fēng)險(xiǎn)分布

圖6 壁板和底板風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)儲(chǔ)罐壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)初評(píng)估，并開展相應(yīng)的檢驗(yàn)檢測(cè)，之后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估時(shí)儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均有所下降，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更接近實(shí)際情況，也驗(yàn)證了液硫儲(chǔ)罐RBI全流程指導(dǎo)規(guī)則的有效性，從而有助于采取科學(xué)合理的措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 檢驗(yàn)策略與建議

建議對(duì)10臺(tái)液硫儲(chǔ)罐建立常壓儲(chǔ)罐檔案，做到“一臺(tái)一檔”，主要內(nèi)容包括:安裝竣工資料,年度檢查與定期檢驗(yàn)記錄,安全附件校驗(yàn)記錄，防雷、防靜電設(shè)施檢查與檢驗(yàn)記錄,修理、改造方案的資料以及常壓儲(chǔ)罐事故記錄等。

要加強(qiáng)常壓儲(chǔ)罐的操作、日常巡檢和維護(hù)保養(yǎng)工作，定時(shí)按巡回檢查路線和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行檢查。檢驗(yàn)策略及重點(diǎn)部位見表2。

表2 檢驗(yàn)策略及重點(diǎn)部位

4 結(jié) 語

通過對(duì)普光天然氣凈化廠10臺(tái)液硫儲(chǔ)罐進(jìn)行RBI研究，形成了液硫儲(chǔ)罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則，對(duì)國內(nèi)液硫儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)和評(píng)估具有重要的參考意義。在液硫儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，數(shù)據(jù)采集及處理方法顯得比較被動(dòng)，由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段，對(duì)設(shè)備外部損傷和應(yīng)力腐蝕開裂等失效模式的數(shù)據(jù)采集，更多地依賴于設(shè)備大修期間和檢測(cè)時(shí)獲得的有限數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)越充足可靠，風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果的可信度才越高。目前有關(guān)液硫儲(chǔ)罐檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫較小，而建立或完善RBI數(shù)據(jù)庫是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中的關(guān)鍵工作。通過引入先進(jìn)技術(shù)，完善RBI數(shù)據(jù)庫，提高RBI的可靠性，才能為液硫儲(chǔ)罐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。