在役常壓儲罐完整性管理技術及應用

趙彥修 田紅巖 陳彥澤 王金龍

1中國特種設備檢測研究院2中國石油商業儲備油分公司

以可靠性為中心的完整性管理是當前設備管理的最新模式，完整性管理技術在油氣管道行業得到了廣泛的推廣和應用，相應的法規、標準、規范較為完善。雖然國內外已推出了相關法規或標準，比如美國的API 353 《Managing Systems Integrity of Terminal and Tank Facilities Managing the Risk of Liquid Petroleum Releases》，英國的PM 86《Thermoplastic Tank Integrity Management》，中 國 的GB/T 37327《常壓儲罐完整性管理》，但常壓儲罐的完整性管理仍處于比較初期的研究階段，對于儲罐運營單位而言，研究常壓儲罐完整性管理理論，推廣應用完整性管理技術已經成為各儲罐運營單位必須關注的重要問題[1]。

1 完整性管理的基本概念

完整性的概念來源于美國職業安全與健康管理局（OHSA）1992 年頒布的OSHA 29CFR1910.119《Process Safety Management of Highly Hazardous Chemicals》。之后一系列的應用于設備的風險評估和完整性管理標準得以制定，這些理念和方法在油氣生產、儲運及煉化等行業得到了廣泛認同[2]。

“完整”是指事物保持其應有的各部分，沒有缺損。

“完整性”是指系統的各個部分在在結構和功能上完整有效，風險可控。相關標準對于完整性管理有類似定義：完整性是指設備處于安全可靠的服役狀態，其內涵包括設備在結構和功能上是完整的，處于風險受控狀態，安全狀態滿足運行要求[3-5]。

完整性評價是指應用適宜的檢驗、檢測技術，獲取設備本體的狀況信息，結合材料與結構可靠性分析，對其安全狀態進行評價，確定其適用性的過程。

完整性管理是指為使設備保持其完整性而進行的系統的管理活動。具體來說就是借助于科學的風險評估方法和先進的完整性檢測技術，采取各種風險消減措施，不斷地識別和消除各種風險因素，將風險控制在合理、可接受的范圍內，最終達到持續改進，減少和預防事故，實現安全、可靠、經濟運行的目的。

2 完整性管理的技術路線

在役常壓儲罐的完整性管理技術路線與油氣管道有所不同，無需進行高后果區的識別，一般采用五步循環法，包括數據采集與整合，風險評估，完整性檢測與評價，完整性評價響應和效能評價（圖1）。

圖1 在役常壓儲罐完整性管理流程圖Fig.1 Integrity management flow chart of atmospheric storage tank in service

2.1 數據采集與整合

數據采集與整合是完整性管理的基礎，需要采集與設計、施工、運行、維護、檢驗、地質、失效、工傷賠償、環境處罰等有關的數據，包括但不限于表1規定的內容。數據收集應盡可能完整，必要時可進行補充檢測，比如壁厚、土壤電阻率等，而對于無法獲取的數據，應由評估機構和業主共同研討，提出合理假設。最終，所有數據應經主業審核、確認。

表1 完整性數據采集Tab.1 DAQ of integrity

2.2 風險評估

風險評估是應用系統信息識別風險源，進行風險分析和風險評價的過程。一般將儲罐分為底板和壁板兩個評價單元，分析各評價單元的損傷模式和失效后果，進而計算風險。

風險（Risk）=失效可能性（Lof）×失效后果（Cof）

常壓儲罐風險計算過程及其影響因素如圖2 所示。

風險評估的目的一是進行風險排序，根據設備的風險程度確定檢驗的優先級別，二是制定檢驗策略。安全、環境和經濟風險可接受是唯一準則，在完整性管理技術中，一般可將風險分為低、中、中高和高4 個等級，以圖3 所示的5 階陣圖表示，風險與檢驗的關系如圖4所示[6]。

圖2 常壓儲罐風險計算過程示意圖Fig.2 Risk computational process of atmospheric storage tank

圖3 風險矩陣圖Fig.3 Risk matrix

圖4 風險坐標圖Fig.4 Risk coordinate

一般而言，低風險屬于完全可接受風險，可將關注程度降到最低；中風險屬于可接受風險，在日常管理中應予適當關注；高風險屬于不可接受風險，必須實施檢驗并采取降險措施，將風險降至可接受水平；而中高風險則應予以重點關注，當認為風險不可接受時盡快實施檢驗。

風險評估輸入的是基礎數據，輸出的是完整性檢驗策略（包括檢驗時間、檢驗類型、檢驗方法及其檢驗有效性）。檢驗策略的制定原則包括：

（1）檢驗時間應選擇在風險(或損傷因子)達到業主可接受水平之前。某罐區23 臺按既定時間應于2016 年實施檢驗的在役儲罐，風險評估后，根據風險水平檢驗延后了，圖5為給出的下次檢驗時間建議。

圖5 23臺儲罐下次檢驗時間建議Fig.5 Advice of inspection time of 23 storage tanks

（2）有高風險、高失效可能性的儲罐，應優選開罐檢驗，中低風險優選在線檢驗；具備開罐檢驗條件的，優選開罐檢驗，不具備開罐條件的，在風險可控前提下，可選擇在線檢驗。

（3）檢驗方法和檢驗有效性的選擇應考慮部件的損傷機理，在滿足降低風險的前提下選擇有效性最為適宜的檢驗方法。對此前做過檢驗的儲罐，應與上次檢測結果進行對比，分析腐蝕風險的變化，對于腐蝕活性部位采取削減應對措施予以消除。常用檢測方法及其有效性如表2所示。

表2 常用檢測方法及其有效性Tab.2 Common detection methods and their effectiveness

2.3 完整性檢測與評價

（1）完整性檢測。完整性檢測是對風險評估給定的檢驗策略的實施過程。檢測類型分為在線檢測和開罐檢測兩類。美國石油學會標準API RP 575《常壓和低壓儲罐的檢驗作法》明確指出，腐蝕是鋼質儲罐及其配件劣化的主要原因，儲罐檢驗的主要目的之一，就是發現腐蝕位置，測量腐蝕程度[7]。因而腐蝕檢測是完整性檢測的重點，目視檢查和超聲波測厚是最基本的檢測方法，底板整體聲發射檢測（AE）是在線條件下首選的腐蝕檢測方法，漏磁檢測（MEL）是開罐條件下首選的腐蝕檢測方法，必要時可以采用超聲波C掃描或高頻超聲導波進行補充檢測；當存在相關損傷機理時，還應實施罐體變形、沉降檢測以及焊縫磁粉或滲透檢測、真空試漏檢測等。

常規完整性檢測流程如圖6所示。

（2）完整性評價。完整性評價是指對儲罐安全狀態進行評價，確定其適用性的過程，也可叫做工況適用性評價。完整性評價一般應包括兩方面的內容：①儲罐安全狀態與標準的符合性評價；②儲罐的剩余壽命評價。例如，某儲罐的檢測結果表明，壁板腐蝕、罐體局部變形，此時應與評價標準進行比對，當壁板剩余厚度滿足最小壁厚和檢驗周期內腐蝕裕量要求，罐體圓度、垂直度、局部變形量在允許范圍內時，認為罐體是完整的，可以繼續服役；反之則需要采取相應的維修降險措施；當底板或壁板腐蝕明顯時，還應計算其腐蝕速率，確定其可繼續服役的時間，評價其剩余壽命。

目前關于常壓儲罐檢驗與評價的標準較少，而且不同標準的合格判定準則有明顯差異。例如，關于中幅底板的最小厚度要求，SY/T 5921《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規范》[8]規定平均厚度不得小于設計厚度的80%，點蝕的最大深度不大于設計厚度的40%，而SY/T 6620《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》[9]規定的最小厚度為2.54 mm。按照不同標準評價會得到完全不同的完整性結論。因而，進行完整性評價之前必須明確評價的標準或依據。

（3）合于使用評價。合于使用來源于英文Fitness-for-service，意為服役適用性。合于使用評價是指對含超標缺陷或已達到壽命期的設備能否繼續使用而進行的定量工程評價[10]。

任何設備都不會是完美無缺的，制造過程中由于工藝、技術、材料等方面的原因，可能存在原始制造缺陷，在服役過程中受載荷、介質、環境等因素的影響，還可能出現新生缺陷。工程實踐證明，危害性缺陷才會導致設備失效，缺陷是否具備危害性與其失效機理和服役條件有關。因而，按照已知理論結合設備的服役條件進行必要的分析評定，對缺陷加以區分，剔除危害性缺陷，保留非危害性缺陷，允許帶有非危害性缺陷的設備在原有條件或某些限制條件下繼續運行，可以減少不必要的設備維修或報廢。

圖6 完整性檢測流程圖Fig.6 Flow chart of integrity inspection

合于使用評價是完整性評價的最終結論，通過合于使用評價的儲罐可以繼續安全服役，未能通過評價的儲罐則需要采取相應的維修/降險措施，或在某限制條件下繼續服役，對于維修后仍然不能降低風險或無維修價值的則應予以報廢。例如，某倉儲公司一臺50 000 m3的原油儲罐，檢驗發現第2圈環焊縫內部存在大面積的未焊透缺陷，檢驗人員分析了儲罐的受力狀態及其潛在的失效模式，參照GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》[11]中環向平面缺陷的評定方法，根據其材料性能、缺陷表征進行分析計算，判定檢驗發現的埋藏缺陷在正常工況下不影響儲罐的安全使用，儲罐可以正常運行。由此可見，當罐體存在缺陷時，如果按照斷裂力學、材料力學、彈塑性力學等已知理論對缺陷進行評定，有可能改變罐體的完整性級別。合于使用評價對于節省檢維修費用，提高企業經濟效益大有裨益。

2.4 完整性評價響應

完整性評價響一般可包括日常管理與巡護、缺陷修復、自然與地質災害風險控制、腐蝕控制等風險減緩/降低措施，須根據風險狀態和完整性評價結論并結合現場條件選擇實施，一般可包括：

（1）對檢測發現的缺陷予以消除或修復。例如焊接接頭裂紋應打磨消除，無法打磨消除的應返修補焊；罐底板局部剩余厚度不足或坑蝕應做補焊、局部更新或補板處理。

（2）對不能修復缺的陷應根據現場情況合理處置。例如罐體大面積嚴重減薄的，可增設加強圈或降低操作液位使用；對于通過合于使用評價的，可以根據評價結果，允許儲罐在限制條件下繼續運行或適當縮短在用檢驗周期。

（3）降低失效可能性。例如對于一般的腐蝕減薄，可以通過修復涂層、增設犧牲陽極塊等方式控制罐體腐蝕速率、增設加強圈增強罐體穩定性。

（4）降低失效后果。通過修復或加固防火堤，防止儲液流出從而減少儲液影響面積，降低失效后果；制定應急預案、定期進行演練也是降低失效后果的有效方法。

（5）退役（更新）。當設備損傷導致的失效風險無法控制在可接受水平并且無修復價值時，應讓設備退出運行予以更新。

（6）加強日常管理。如修正巡檢（日檢、月檢）方案，明確巡檢的內容、頻次和重點關注位置。做好預防措施，以減少雷擊、滑坡、山洪、地基沉陷等自然與地質災害的侵害。

2.5 效能評價

效能評價是完整性管理程序中不可或缺的一步，關于效能，不同行業和組織有不同理解[12]，關于效能評價，不同標準也有不同要求。但總體而言，效能評價的目的是評估完整性管理的目標是否完成，設備的完整性和安全性是否得到有效提高[3-5，13-15]。儲罐完整性管理效能評價至少應考慮性能、操作與維護和事件3個方面的指標。

目前尚未見到常壓儲罐完整性管理效能評價的標準和成熟方法的報導。油氣管道完整性管理常用的效能評價方法[16-19]有：①管理審核法，采用內部或外部審核，對完整性管理過程記錄性資料和管道實際生產運行情況現場審核相結合；②指標評價法，針對具體危害因素的專項效能和完整性管理的整體效能進行評價；③投入產出法，根據投入的人力、物力、財力和產出的數量、質量和效果進行評價；④對標法，與同行業的先進單位對標，查找差距與不足，并制定改進措施，不斷完善改進。中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 1180.8《管道完整性管理規范第8 部分：效能評價》[20]則規定通過效能測試法（考察管道各類危害因素控制及風險消減情況）和綜合效能評價法（分析完整性管理各項工作的“投入-產出”，綜合衡量管道完整性管理的效果、效率及效益）進行評價。這些都為建立常壓儲罐效能評價方法提供了借鑒。

3 結論

常壓儲罐的完整性管理涉及設計、建造、運行直至報廢的全生命周期，本文所述僅是常壓儲罐完整性管理的一部分。建立全生命周期完整性管理體系，推廣罐區基于風險的檢驗（RBI）、危險與可操作性分析（HAZOP）、以可靠性為中心的維修（RCM）、安全完整性等級分析（SIL）等技術，綜合運用風險評估、檢驗策略優化、完整性檢測、完整性評價和合于使用評價等技術和方法，才能全面提升常壓儲罐系統的整體安全水平，保證儲罐的本質安全。

為了做好儲罐的完整性管理，有必要盡快開展如下工作：采集和完善儲罐的相關信息，包括設計資料、建造資料、運行記錄、檢驗與維修記錄、事故與事件記錄等，充實和完善數據庫，為全面開展儲罐的完整性管理奠定基礎；開展相關技術研究，借鑒國際先進技術，修改、完善現有檢驗和檢測標準，提升我國相關標準的技術水平；建立健全適合我國國情的常壓儲罐完整性管理法規和標準體系，以推進常壓儲罐的完整性管理技術應用。