基于RBI技術的石油化工壓力管道檢測系統研究

郭紹強 張于寶(中國石油化工股份有限公司荊門分公司，湖北 荊門 448002)

0 引言

石油化工生產工況非常復雜，壓力管道長期運行于高溫、高壓、高腐蝕的條件下，可能出現腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損耗、疲勞等各類質量缺陷，損傷或失效嚴重威脅到壓力管道的安全運行，因此需要通過基于風險的風險檢驗技術，對壓力管道運行狀況做有效檢驗與監控。RBI技術用于特種設備的風險評估及管理優化，具備較高的可靠性和經濟性，得到石化行業壓力管道檢驗的重點關注。

1 RBI技術簡介

RBI技術即基于風險的檢驗技術，檢驗檢測過程依次經歷風險識別、失效概率評估、失效后果評價、風險量化計算、風險排序、風險再評估等環節。技術實踐過程，全面采集特種設備運行有關信息，以粗略定位到失效設備，對其制造材料、運行環境等做分析評價，找出其失效機理并預估失效可能造成的后果，然后再依照企業生產實況進行影響要素的適當調整，由高到低做風險排序形成風險矩陣。在明確設備風險等級后，可針對性設計風險防控方案，如檢驗方案、檢修周期等，以有效降低設備運行風險發生的可能。

RBI風險檢驗的技術原理為：基于設備失效機理、可能性高低及影響程度，劃定風險等級，從而科學選取檢驗周期、范圍及方式，形成最佳維保計劃。RBI風險檢驗系統中，風險衡量指標主要為設備失效可能性及失效后果的嚴重性[1]。設備風險可用公式表示為：R=P0F·C0F，其中字母R、P0F、C0F分別表示風險、失效可能性及失效后果。其中，失效可能性被分為頻繁、經常、可能、不可能和非常不可能5個級別，冠以數字5～1。失效后果主要有火災、爆炸、毒性等，同樣劃分為不嚴重、不太嚴重、一般、比較嚴重和非常嚴重5個級別，采用字母A～E代替。設備失效可能性及后果可構成風險矩陣，在該矩陣中，左下至右上風險等級逐漸提升，對應低、中、中高和高4個等級。在壓力管道檢驗檢測中，依照檢測結果在風險矩陣中的位置即可選出最佳的風險防控方案。例如，若設備處于高風險模塊，需立即進行停工檢查；若為低風險模塊，可適當延長檢驗周期。

2 RBI技術在壓力管道檢驗檢測中的應用

2.1 主要步驟

2.1.1 模型構建

結構可靠性指的是既定時間段及條件下，安全性、耐久性等屬性的實現程度，可通過可靠度進行衡量。以Pf表示結構失效概率，有聯合分布密度函數fx(1,2,…,n)(x1,x2,…,xn)，可得到結構失效概率表達式：

基于該式可進行失效概率的精確求解。實際工作中，可靠度分析中常同時出現多個隨機變量，功能函數可能為非線性，若直接求解會帶來更大的計算難度，因此需采用近似數值方法進行計算。設綜合作用效應隨機變量為S，均值為μR，綜合抗力隨機變量為R，均值為μS，且兩隨機變量均為正態分布，有結構功能函數Z=R-S，均值μZ=μR-μS，方差進而可得到概率密度函數令引入標準化隨機變量可得到失效概率計算公式為：

以上計算模型中，β與Pf之間為一一對應，在可靠性評估中，二者均可被用作可靠指標。引入安全系數n=r/s，得到可靠指標的計算公式為：

2.1.2 風險評估

石油化工壓力管道檢驗中，引入RBI技術進行風險定性分析，以找出需做進一步分析的指標再進行定量分析。為得出更可靠的壓力管道風險檢測結果，引入可靠度理論進行特種設備失效概率的計算，并對設備后期運行失效的概率做準確預估。壓力管道檢測風險評估完成后，充分規劃管道維護資源。風險評估的具體流程為分析設備劃定-操作條件設置-失效原因判斷-失效概率計算及剩余使用壽命預估-RBI定性分析-風險判斷-RBI定量計算-風險評價-審核校正。

2.1.3 概率計算

壓力管道失效概率計算過程可適當參考同類設備的計算結果，經修正處理后，以管道設計使用年限及目前使用年數為基礎進行RBI評價，同時完成管道安全系數及可靠度的計算，得到最終的失效概率。

以儲罐設備失效概率計算為例。該儲罐設計強度為420MPa，壁厚10mm，初始結構承受應力為140MPa，儲罐運行中，其泄漏及失效的原因主要為內部腐蝕，強度及應力異變系數分別在0.12和0.15?，F場測量發現該儲罐腐蝕速率在0.1mm/a，不計維護保養計算其失效概率，發現初始狀態其安全系數為3，可靠指標為5.13。通過專業RBI評估軟件計算其失效概率為1.5×10-7。同理可計算儲罐在不同使用年限的失效概率及可靠指標。

2.2 案例分析

2.2.1 背景簡介

某石化企業對重油催化裝置系統進行安全風險檢測，其中包括壓力管道265條，檢測長度在12km。管道內輸送介質主要為空氣、瓦斯、汽油、柴油等。本次檢測活動開展于2019年，待檢測設備中，最早投產年限為1999年，最晚為2015年，投產時間跨度加大，部分管道設備已使用較長時間。該裝置系統內的壓力管道管材多為20#號鋼及Q235A，大多數管道的壓力在3.0MPa以內，但存在較多的高溫管道。該套重油催化裝置運行過程中，并未發生較大安全事故，但隨著部分管道設備使用壽命的鄰近，不排除突發安全故障的可能，因此需要做全面的安全風險檢測。

2.2.2 檢測方案

(1)資料收集。采集該裝置系統內各壓力管道及設備各類有關信息。①技術資料，包括管理臺賬、竣工圖紙、質量說明書、材料檢測報告等。②工藝資料，如操作說明、維護手冊、PFD流程圖、物料平衡表等。③維護資料，如管道及設備檢修維護記錄、零部件更換記錄、系統技術改造記錄等。④腐蝕資料，如系統投產過程中產生的腐蝕檢測報告、現場技術檢測結果等。注意資料收集過程應確保所獲取資料信息的完整性和準確性。

(2)失效機理。RBI評估中，壓力管道失效可能性及失效后果均被劃分為5個等級，利用RBI分析軟件進行風險評估，可得到該系統壓力管道的風險分布矩陣，發現在265條目標管道中，高風險管道數為0，中高風險管道數為32、中風險管道數為120、低風險管道數為114。

該裝置系統內，壓力管道的損傷模式主要是腐蝕和壁厚變薄，主要失效機理為大氣腐蝕、保溫層下腐蝕及不明腐蝕。當以回煉油、油漿等物質為傳輸介質時，管道失效機理為高溫酸腐蝕，主要是由于以上物質中均存有一定的活性硫化物成分，在高溫條件下，環烷酸與硫化物之間發生相互腐蝕，使得管道腐蝕進一步加劇，進而導致此類管道的風險評級較高。

(3)檢測方案?？茖W設計管道檢測方案是確保檢測結果可靠基礎，具體檢測工作的開展需遵照如下原則：第一，依照失效機理劃定缺陷類型；第二，依照受損位置劃定檢測位置；第三，依照待檢測缺陷的類型適當選取檢測方式；第四，方案設計同時兼顧經濟性和安全性。該系統內并未出現高風險壓力管道，因此依照一般保守程度劃定檢測范圍，其中，中高風險管道的檢測范圍≥50%；中風險管道檢測范圍≥30%，低風險管道檢測范圍≥10%[3]。對于傳輸介質為回煉油和油漿的兩類管道，因其運行情況特殊，決定將檢測范圍分別提高至≥60%和≥80%。

在具體檢測方法的選擇上中風險及中高風險等級的管道采用中度及以上有效的檢測方法，低風險等級管道則采用低度及以上有效的檢測方法，常見檢測方法包括超聲波壁厚測量、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線成像檢測、導波檢測、漏磁檢測等，系統內全部管道均開展宏觀檢查。

(4)現場檢測。壓力管道宏觀檢查內容有外部腐蝕、泄漏檢測、防腐層檢測、變形檢測、支吊架檢測等，觀察并記錄系統內各類管線的運行狀態，查看其外觀有無腐蝕、破損、漏油等問題，重點關注閥門節點。除宏觀檢查外，進行管道壁厚測量，測量對象包括彎頭、支管連接節點、異徑管及經過質量處理的管道，檢測過程中未發現管壁厚度異常情況。

依照RBI系統給出的失效機理及檢測方案，結合管道實際運行位置及條件，對富氣管、液化氣管、汽油管等做MT檢測，同樣未發現顯著質量缺陷。重油催化裝置系統各管線內傳輸介質非常復雜，對射線檢測結果干擾性較強，因此決定僅在液化氣管和干氣管的焊縫進行抽檢，各道焊縫從不同方位進行射線掃描，獲取6張圖像。在被抽檢的25道焊縫中，有6道存在焊接程度不足的問題，8道焊縫存在圓形缺陷，5道焊縫存在條形缺陷。

(5) RBI再評估。將系統管道檢測結果及有關信息輸入到RBI系統內，進行數據更新，并以本次檢測結果為基礎，預估2022年系統管道風險發生情況，預估結果為：高風險管道數為0、中高風險管道數為38、中風險管道數為127、低風險管道數為101。對比發現，中高風險及中風險管道分別增加6條和7條，低風險管道減少13條，仍未出現高風險管道。從整體上看，該系統壓力管道的質量風險變化幅度不大，處于合理范圍。

2.2.3 效益評估

采用如上方案評估重油催化裝置系統壓力管道安全風險等級，并采取對應措施進行處理，綜合分析風險檢測的經濟效益水平。

RBI評估檢驗費用開支主要用于風險評估、現場檢驗檢測和輔助工程，其中，評估與檢測費用總和與其他常規檢測方案基本一致，輔助工程包括腳手架安裝、保溫設備拆裝等，可降低工作量約70%。經綜合計算，本次檢測總費用在298萬元，并幫助節約輔助工程費用108.5萬元。另外，RBI檢測過程少涉及停工操作，相較于傳統離線檢測方案，因未停工導致裝置系統經濟效益增加3232萬元。從以上數據足以看出RBI技術在石化企業壓力管道檢測中的優勢性。

3 結語

RBI技術可對石油化工壓力管道安全風險同時做定性和定量分析，以準確了解各類管道及設備的運行狀態，評估其可靠性及風險等級，進而制定合理的維護方案，及時將安全風險消除。通過壓力管道檢測項目驗證，相較于常規檢測方案，RBI檢測在全面性、精確性及經濟性方面均占明顯優勢，為一項綜合性較高的管道在線監測技術，值得大面積推廣。