在役儲罐完整性管理關鍵技術研究與應用

李玉忠

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

大型儲罐是石油行業重要的基礎設施,具有儲罐大型化、集中布置和儲存介質易燃易爆特點,如發生油品泄漏,極易導致火災、爆炸、環境污染等嚴重事故,傳統的儲罐安全管理模式已不適用[1]。完整性管理是保證油氣管道設施安全運行的可靠手段,已在長輸管道領域廣泛應用。中國對大型油庫重大危險源安全監管日益重視,中國特種設備檢測研究院牽頭制定GB/T 37327—2019《常壓儲罐完整性管理》[2],但儲罐完整性管理技術研究還處于初級階段,對于儲罐安全運營的支撐作用還未充分發揮[3]。為保障在役儲罐安全高效運行,指導油庫企業科學、高效開展儲罐完整性管理工作,提出在役常壓儲罐完整性管理程序,結合國內儲罐生產運行實踐,提出提高儲罐完整性管理水平的建議。通過控制儲罐風險等級在可接受范圍,實現儲罐安全管理由“事故后處理”向“事故前預防”的轉變,提高在役儲罐的本質安全水平。

1 儲罐完整性管理概念及涵義

“完整性”指系統處于安全可靠服役狀態,包括: 設備在結構和功能上完整有效、風險可控,安全狀態滿足運行要求。實施技術路線是應用先進檢測技術和風險評估方法,掌握儲罐損傷失效機理,識別風險因素,制定消減措施,將風險控制在可接受范圍內,持續改進,實現減少和預防事故的目的。研究表明儲罐失效原因包括: 自然環境腐蝕因素、儲存介質危險性、設計不合理、人為操作失誤和材料缺陷等[4]。儲罐完整性管理應重點關注罐頂失穩傾斜、罐壁板焊縫開裂泄漏、罐底板腐蝕滲漏、罐基礎沉降以及如加熱器、呼吸閥、中央排水管、密封系統等儲罐附件設施損壞失效、儀表故障等。

儲罐完整性管理遵循“計劃-實施-檢查-改進”(Plan-Do-Chenck-Attion, PDCA)四步法動態管理模式,構建數據收集與整合為基礎,風險評價、完整性檢測與評價為依據,完整性評價響應為保障,效能評價為驗證的階段過程。

2 數據收集與整合

數據收集是完整性管理的基礎,數據越完整,檢測評價結果真實有效性越高。應系統、全面收集儲罐設計、施工、運行、維護和檢驗數據,完整性檢測及決策響應后,數據進行更新補充,保證數據及時、準確,例如罐壁板厚度測試、罐底板檢測、土壤電阻率測試和失效事故等。

1)基本參數。包括: 儲罐直徑、高度,壁板/底板材質、厚度,儲存介質性質,焊縫類型,附件設施等。

2)環境條件。包括: 設計溫度,氣候條件,地質條件,土壤類型等。

3)施工數據,例如投產時間,水壓試驗,地基及土壤回填,防腐層/保溫層,陰極保護等。

4)運行維護數據,例如油品充裝速率,操作壓力/溫度,液位波動,即浮頂支柱落底頻率,罐底積水排水狀況。

5)失效事故數據,例如歷史事故位置、原因、后果和經濟損失。

6)檢測維修數據,例如罐體檢驗,腐蝕監測,壁厚檢測、沉降監測等。

3 風險評價

風險一般用事故可能造成安全、環境和商業方面的損失表征。儲罐風險等級影響因素是泄漏油品性質/體積、油品泄流通道、土壤條件、事故持續時間、生態條件、人口密度等。

3.1 風險計算方法

美國標準API Publ353提出了儲罐完整性管理的風險評價程序,儲罐風險值R(t)是失效概率F(t)與失效后果C(t)的乘積,其中失效概率=基礎失效概率×損傷因子。

基礎失效概率是共性參數,表示特定類型設備平均失效概率。損傷因子是個性參數,與儲罐服役年限、損傷機理/速率和檢驗措施有效性相關,通過對基礎失效概率進行修正得到特定儲罐失效概率。失效后果取決于失效形式,例如管壁板泄漏、底板滲漏、儲罐破裂以及溢出防火堤造成環境污染等,考慮環境清理/賠償、設備修理、人員傷亡賠償和停產經濟損失等。

3.2 風險等級

完整性管理按照安全、環境和經濟風險可接受準則,根據失效概率等級和失效后果等級,建立風險矩陣圖,風險分為低、中、中-高和高4個等級。低風險屬于可忽略風險等級,可酌情減少關注和檢查維護;中風險屬于可接受風險等級,儲罐運行管理中應定期維護及檢驗;中-高風險指設備應在嚴格審查程序和控制措施下運行,實施在線檢測和無損檢測,確定下次檢測周期,評估是否屬于不可接受風險。高風險屬于不可接受風險,應立即實施檢測并采取緩解措施,消除事故隱患。設備重新運行前,將風險降至可接受水平。

風險評價結論是給出風險優先級排序,確定儲罐設施檢驗的優先級別,制定完整性檢測策略,包括以下方面:

1)檢測時間。檢測時間應滿足風險(或損傷因子)達到可接受準則之前。

2)檢測類型。高風險儲罐應選擇開罐檢測;中、低風險儲罐應選擇在線檢測。

3)檢測方法。檢測方法應根據設施損傷機理確定。

4 儲罐完整性檢測與評價

4.1 完整性檢測

儲罐完整性檢測是對風險評價結果的檢測策略實施過程,分為在線檢測和開罐檢測。API RP 575: 2013《常壓和低壓儲罐檢驗做法》[5]指出腐蝕是儲罐及附件設施劣化主要原因,儲罐完整性檢測以壁板/底板腐蝕檢測為主[6]。檢測方法中宏觀檢查和超聲波測厚是基本檢測方法;聲發射法是在線檢測罐底板腐蝕狀態和泄漏信號的首選方法;漏磁檢測是開罐條件下檢測罐底板腐蝕程度的首選方法,可以結合超聲波C掃描和超聲導波進行補充檢測;儲罐如存在損傷失效可能性,實施罐體變形/沉降檢測;焊縫磁粉/滲透檢測用于檢測罐壁板焊縫裂紋缺陷。大型儲罐完整性檢測應充分考慮材質、工藝因素影響,以及腐蝕缺陷類型,選擇適用的檢驗檢測技術。

1)宏觀檢查。檢查罐壁板、罐頂、罐基礎、混凝土環墻和扶梯的損傷、銹蝕、破損等質量狀況。

2)超聲波測厚。重點檢查罐壁板、罐底板和頂板厚度。

3)聲發射檢測。聲發射法是實時動態檢測技術,只顯示、記錄活性缺陷和正在擴展的缺陷,即缺陷與尺寸無關,只與危險程度相關。

4)超聲導波檢測。技術原理是高頻導波在設備表面可得到雙面檢測結果,可探測儲罐內表面腐蝕、裂紋缺陷,以及罐壁板/罐底邊緣板腐蝕。超聲導波既具有超聲檢測技術的高靈敏度,也具備導波技術大面積快速掃描特點。超聲導波缺點是不能確定缺陷具體位置、深度信息,需要借助超聲檢測確定實際位置。

5)漏磁檢測。罐底板體積型腐蝕缺陷檢測。

6)射線檢測。焊縫內部氣孔、夾渣等埋藏型缺陷檢測。

7)滲透、磁粉檢測。泄漏檢測和裂紋等表面缺陷檢測。

8)渦流檢測。罐底板上下表面缺陷檢測。

9)基礎沉降觀測。沿罐周進行沉降觀測,分析均勻沉降、平面傾斜和非平面沉降。

4.2 完整性評價

儲罐完整性評價指應用適用的檢驗、檢測技術,獲得設備狀況信息,利用材料和結構可靠性理論對其安全狀態進行評價,確定其適用性和剩余壽命。儲罐完整性評價結論包括:

1)儲罐安全狀態與標準的符合性。包括: 壁板/底板剩余厚度是否滿足最小壁厚及在下次檢測周期內腐蝕余量;罐體圓度、垂直度和局部變形量在允許范圍內;儲罐基礎沉降是否處于穩定階段,如滿足標準規范要求,認為儲罐可以繼續運行,否則應采取維修措施。

2)儲罐剩余壽命。如壁板/底板發生明顯腐蝕,應計算其腐蝕速率,確定評估剩余壽命。

儲罐完整性評價參照文獻[7]中關于儲罐底板、壁板、浮頂、附件設施、焊縫、防腐層和沉降的評定要求,其中罐底板評定要求如下:

a)邊緣板腐蝕平均減薄量不大于設計板厚度的15%。

b)中幅板減薄量不大于設計板厚度的80%。

c)點蝕最大深度不大于設計壁厚的40%。

適用性評價指對含嚴重缺陷或者超過預期壽命的設備是否能繼續使用而開展的定量評價。儲罐完整性評價應給出適用性評價結論,儲罐通過適用性評價可以繼續運行,未通過適用性評價應采取維修/降險措施,或者在限制條件下繼續運行。維修后仍未通過適用性評價或者無維修價值的儲罐應報廢。

4.3 儲罐檢測周期

針對大型原油儲罐檢測周期,國內外標準存在不一致、不統一的情況。文獻[7]規定在役儲罐檢測周期為5～7 a,新建儲罐第一次檢測周期最長不超過10 a。調研國內油庫企業做法各異,主要根據儲罐實際情況確定檢測周期,可能導致儲罐含風險隱患超期運行,或者儲罐提前檢測缺乏科學依據造成資源浪費。國外推薦采用基于風險的檢驗技術(RBI)確定儲罐內檢測周期,API 581根據風險評價等級排序,采取針對性風險緩解措施,制定儲罐整體檢測策略。儲罐檢測盡可能減少不必要的無效檢測,檢測重點是罐底板、邊緣板、角焊縫和中央排水管等。應根據儲罐實際風險水平與企業風險可接受準則,綜合考慮風險等級及驅動機理、儲罐運行歷史、檢測數量及有效性以及類似案例等,適當延遲或者縮短儲罐檢測周期。研究表明,根據儲罐實際安全狀況確定檢測周期,大部分情形可以延長,現行檢測周期偏于保守[8]。

國內某石油儲備庫庫容為2.50×106m3,含儲存原油、柴油、汽油、航煤、燃料油儲罐50多座,因罐容緊張,儲罐長期連續運行,未進行全面檢測,針對原油儲罐開展完整性管理試點,實施聲發射在線檢測和開罐檢驗,罐底板漏磁檢測只發現1處腐蝕深度超過設計板厚度41%的缺陷,以實測腐蝕速率進行風險評價,罐底板風險等級為中風險(3C),罐壁板風險等級為低風險(2B)。風險評價中通過計算損傷因子表明,儲罐檢測周期大于10 a,最后綜合油庫實際管理水平、風險可接受準則確定檢測周期為9.6 a。

5 完整性評價響應

基于完整性檢測和評價的響應分為決策響應和風險減緩措施。決策響應按照缺陷嚴重程度和時效性分為立即響應、計劃響應和監控響應。風險減緩措施應主次分明、突出重點,實現合理配置檢維修資源,分為以下類型:

1)日常巡檢維護。制定巡檢方案,包括路線、頻次和重點關注的儲罐設施。

2)缺陷修復。焊接接頭裂紋打磨消除,不能打磨消除應返修補焊;底板腐蝕剩余厚度不足,坑蝕應補焊,底板局部更換或補板處理。

3)設施維修。例如防腐層修復、罐底板更換。針對無法修復的缺陷,例如罐壁板嚴重減薄,可設置加強圈或者降低操作液位,適當縮短檢測周期;分析腐蝕規律趨勢,腐蝕活性部位應采用緩解措施。

4)事故預防。降低儲罐失效概率措施,例如安裝陰極保護系統、設置罐周犧牲陽極、安裝罐底油品泄漏監測系統和加強人員資質培訓等。降低儲罐失效后果措施,例如加固防火堤,預防事故狀態下油品從防火堤流出造成事故擴大風險,制定應急預案并定期演練等。

5)關鍵點監測。例如儲罐液位監測、溫度監測和基礎沉降監測等。

6)報廢更新。設備適用性評價證明失效風險高于可接受標準且無修復價值時,應報廢或更新設備。

6 效能評價

效能評價目的是評估設備完整性和安全性是否得到有效提升。目前儲罐完整性管理效能評價還沒有統一、公認做法,也是目前研究的熱點問題。一般認為應考慮一定時間內儲罐發生事故次數及用于事故處理的費用,完成缺陷維修的數量及面積,實施完整性管理后風險等級變化等方面的指標。長輸管道完整性效能評價方法包括:

1)管理審核法。采用內部/外部審核,完整性管理基礎資料和管道實際運行狀況。

2)指標評價法。針對特定危害因素制定專項效能評價方法。

3)投入-產出法。根據專項工作投入的人力、物力、資金和產出的效益和效果進行評價。

4)對標法。與同行業對標,查找差距和不足之處,持續改進。

文獻[9]提出了效能測試法和綜合效能評價法。效能測試法研究管道危害因素控制及風險消減情況;綜合效能評價法分析完整性管理工作投入-產出,評價管道完整性管理的效果、效率和效益。

7 儲罐完整性管理工程應用案例

7.1 工程案例Ⅰ

以某集輸聯合站油庫1.0×105m3原油儲罐為例[10],功能為沉降脫水、凈化處理和計量外輸,2012年投產,罐壁板材質為12MnNiVr,罐底板材質為Q235B。儲罐進行在線聲發射檢測,結合儲罐宏觀檢查、罐壁/罐頂超聲測厚、罐底板漏磁檢測等,發現超聲測厚無異常,聲發射檢測如圖1所示。經風險評價,罐壁板為中風險(2C),罐底板為中-高風險(3D),罐底板失效風險等級更高,確定儲罐下次檢測重點是罐底板。制定檢測策略是開罐檢測復驗,罐壁板宏觀檢查,罐底板宏觀檢查加90%漏磁檢測,角焊縫內側100%濕熒光磁粉檢查加超聲波探傷復驗。

經完整性評價,隨儲罐服役時間延長,該類型儲罐風險上升,5 a后部分儲罐風險上升至高風險(4D)。制定了油庫中該類1.0×105m3原油儲罐檢修周期為5～10 a;提出儲罐運行管理建議,控制劣質原油中腐蝕雜質含量(硫、氯離子和水)。

7.2 工程案例Ⅱ

某石化公司的6座儲罐分別儲存原油、催化原料、重整汽油、柴油、溶劑油和石腦油,針對該6座儲罐及附件設施實施完整性管理[11],風險評價等級見表1所列。

表1 儲罐風險評價和完整性評價

按照英國健康安全管理委員會在風險管理領域的最低合理可行準則(ALARP),將儲罐完整性等級評定為完好、待檢和待修3個等級。完好指按照日常管理可持續使用;待檢指服役時間已達檢測周期;待修指已確認缺陷機理、故障類型和損壞情況需要進行故障排除和缺陷修復。6座儲罐中評價結論為完好的,可按照現在操作維護要求繼續運行3 a;評價結論為待檢的,分別在3～7 a內進行下次檢測。

該案例對于儲存不同介質儲罐的完整性管理的實施和檢測重點具有指導意義,并簡略劃分儲罐風險等級,即原油儲罐風險等級最高,輕質油儲罐風險最低,普通汽油、柴油儲罐風險居中,可指導石化企業開展多策略層級完整性管理程序。

8 結論和建議

儲罐完整性管理是一項系統性工程,也是油庫安全高效管理必然趨勢,其要素涉及企業發展目標、組織機構、崗位職責、信息化管理等方面。同時,儲罐完整性管理貫穿設計、施工、運行、維護和報廢的全生命周期。為建立科學、有效、精細化的儲罐完整性管理體系,建議如下:

1)在役儲罐日常巡檢、操作、維護和維修中應用風險評價技術,包括基于風險的檢驗(RBI)、危險與可操作分析(HAZOP)、以可靠性為中心的維修(RCM)、安全完整性等級分析(SIL)。

2)新建儲罐應全面、系統開展數據收集、腐蝕分析、風險評價、檢驗檢測和事故事件記錄,確定儲罐失效關鍵問題和薄弱環節,完善儲罐信息管理數據庫,制定優化檢測策略,提高儲罐安全管理技術水平,并實現經濟性和安全性的協調統一。

應研究編制儲罐完整性評價標準、儲罐完整性管理效能評價標準,積極推進儲罐完整性管理技術應用。