郭建偉,馬 洋
(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司,新疆 克拉瑪依 834003)
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基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)在加氫裝置中的應(yīng)用
郭建偉,馬 洋
(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司,新疆 克拉瑪依 834003)
基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)是根據(jù)每臺(tái)設(shè)備的具體腐蝕形式提出對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)手段,用檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)核實(shí)腐蝕分析的準(zhǔn)確性,最終提出每臺(tái)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)裝置內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)管理,對(duì)于高、中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備提前進(jìn)行降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。通過(guò)RBI技術(shù)在某公司加氫裝置的具體應(yīng)用,降低了加氫裝置由于腐蝕而導(dǎo)致的設(shè)備故障率,確保了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行,降低了生產(chǎn)成本。
基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn) 腐蝕機(jī)理 檢測(cè)方法 應(yīng)用
RBI是以設(shè)備破壞而導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏為分析對(duì)象,以設(shè)備檢驗(yàn)為主要手段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理過(guò)程。
RBI定義的風(fēng)險(xiǎn)由2個(gè)部分組成,即危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性(LOF,Likelihood of Failure)和危險(xiǎn)事件發(fā)生所產(chǎn)生的后果(COF,Consequence of Failure)。風(fēng)險(xiǎn)的大小可以用下面的式子描述:風(fēng)險(xiǎn)=失效可能性×失效后果。
RBI是根據(jù)對(duì)設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù):材質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、操作壓力、操作溫度、介質(zhì)、腐蝕類(lèi)型、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行量化分析,通過(guò)量化分析出腐蝕存在的形式,腐蝕速率,最終計(jì)算出腐蝕存在的風(fēng)險(xiǎn)。腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的大小分為高、中高、中、低風(fēng)險(xiǎn)4種。再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的大小制定出針對(duì)每臺(tái)的檢驗(yàn)方案,在檢驗(yàn)方案中包括檢驗(yàn)原則、檢驗(yàn)形式、檢驗(yàn)范圍和檢驗(yàn)周期。
根據(jù)加氫裝置的工藝、物流和腐蝕分析,同時(shí)考慮設(shè)備的操作工況、材質(zhì)的腐蝕敏感性,從而確定加氫裝置主要存在7種腐蝕[1]。
2.1 高溫硫腐蝕
高溫硫?qū)υO(shè)備的腐蝕從240 ℃開(kāi)始隨著溫度升高而迅速加劇,到480 ℃左右達(dá)到最高點(diǎn),以后又逐漸減弱。高溫硫腐蝕過(guò)程包括兩部分:活性硫化物和非活性硫化物。
活性硫化物如硫化氫、硫醇和單質(zhì)硫的腐蝕,這些成分在350~400 ℃時(shí)都能與金屬直接發(fā)生化學(xué)作用:
硫化氫在340~400 ℃時(shí)分解:
分解出來(lái)的元素硫比H2S有更強(qiáng)的活性,使得腐蝕更為激烈。在活性硫的腐蝕過(guò)程中,還出現(xiàn)一種遞減的傾向,即開(kāi)始腐蝕速率很大,一定時(shí)間以后腐蝕速率才恒定下來(lái)。這是由于生成的硫化亞鐵保護(hù)膜抑制了腐蝕反應(yīng)進(jìn)行的緣故。
非活性硫化物,包括硫醚、二硫醚、環(huán)硫醚和噻吩等。原油中所含硫化物除硫化氫、低級(jí)硫醇和元素硫外,還存在大量的對(duì)普通碳鋼無(wú)直接腐蝕作用的有機(jī)硫化物,如高級(jí)硫醇、多硫化物和硫醚等。原油中的硫醚和二硫化物在130~160 ℃已開(kāi)始分解,其他有機(jī)硫化物在250 ℃左右的分解反應(yīng)也會(huì)逐漸加劇。最后的分解產(chǎn)物一般為硫醇、硫化氫和其他分子量較低的硫醚和硫化物,這些有機(jī)硫化物分解生成的元素硫、硫化氫則對(duì)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用。
影響高溫硫腐蝕的因素主要有溫度、硫化氫含量、介質(zhì)流速、材質(zhì)以及環(huán)烷酸的含量。
2.2 高溫H2S/H2腐蝕
在加氫單元中,油品和氫氣混合以后經(jīng)反應(yīng)加熱爐加熱后進(jìn)入加氫反應(yīng)器,在催化劑的作用下,H2會(huì)把大部分S,N,Cl及氧化物轉(zhuǎn)化為H2S,NH3,HCl和H2O,對(duì)下游設(shè)備造成腐蝕,高溫下H2S對(duì)鋼材的腐蝕性很強(qiáng),H2的存在會(huì)加劇H2S對(duì)金屬材料的腐蝕。
腐蝕速率與材質(zhì)、溫度、H2及H2S含量或分壓有關(guān),隨著溫度、H2及H2S含量的增加,腐蝕速率加快。不同材質(zhì)高溫H2S/H2腐蝕速率見(jiàn)圖1。
圖1 H2S/H2環(huán)境中的腐蝕速率曲線
2.3 鉻鉬鋼的回火脆化
低合金鋼(如鉻鉬鋼,特別是2.25Cr-1Mo鋼)長(zhǎng)時(shí)間暴露在343~593 ℃時(shí),會(huì)使材料金相組織改變而導(dǎo)致材質(zhì)韌性下降,引起韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,產(chǎn)生回火脆化。在操作溫度下這種脆化并不明顯,但在環(huán)境溫度下就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái),并能夠造成材料脆性斷裂。隨著在脆化溫度范圍內(nèi)低合金鋼使用時(shí)間延長(zhǎng),低合金設(shè)備發(fā)生脆性斷裂的可能性就會(huì)增大?;鼗鸫嗷话惆l(fā)生在開(kāi)停工階段。
2.4 高溫氫腐蝕
裝置內(nèi)部分碳鋼或低合金鋼設(shè)備及管線長(zhǎng)期暴露在高溫臨氫環(huán)境下工作,當(dāng)溫度高于204 ℃、氫分壓大于0.51 MPa時(shí),活性的氫原子會(huì)向金屬基體內(nèi)擴(kuò)散,與金屬表面和內(nèi)部的碳化物反應(yīng)合成微量的甲烷,表現(xiàn)為鋼材表面或內(nèi)部脫碳,微量的甲烷氣體聚集形成很大的內(nèi)應(yīng)力,最終造成鋼材表面鼓包或開(kāi)裂,削弱金屬材質(zhì)整體強(qiáng)度從而使設(shè)備發(fā)生失效。
高溫氫腐蝕(HTHA)形態(tài)表現(xiàn)為鋼材表面和內(nèi)部脫碳、鼓包以及沿晶開(kāi)裂。對(duì)某一特定鋼材而言,HTHA敏感性依賴(lài)于溫度、氫分壓、時(shí)間和應(yīng)力,且服役時(shí)間具有累積效應(yīng)。鋼在氫系統(tǒng)中操作限制條件可以參看最新的納爾遜曲線。
2.5 低溫硫腐蝕
低溫硫腐蝕主要由高/低分氣系統(tǒng)中的H2S以及其他硫化物引起的。H2S在沒(méi)有液態(tài)水時(shí)(汽相狀態(tài))對(duì)設(shè)備腐蝕很輕,或基本無(wú)腐蝕。但在汽相液相的相變部位,出現(xiàn)露水之后,則形成H2S-H2O型腐蝕。這種腐蝕類(lèi)型主要影響因素為H2S含量,其中Cl-和CN-存在會(huì)促進(jìn)其對(duì)設(shè)備和管線的腐蝕:
當(dāng)有Cl-存在時(shí),則引起下列反應(yīng):
損傷形態(tài)表現(xiàn)為碳鋼部件的全面腐蝕均勻減薄。
2.6 堿性酸性水腐蝕
加氫裝置中含硫污水中的銨鹽NH4HS和NH4Cl,金屬材料在含有硫氫化銨(NH4HS)的酸性水中遭受的腐蝕反應(yīng)如下:
NH4HS的摩爾分?jǐn)?shù)越大腐蝕性越強(qiáng),一般用系數(shù)Kp來(lái)表示系統(tǒng)中的腐蝕趨勢(shì):
Kp=H2S摩爾分?jǐn)?shù)×NH3摩爾分?jǐn)?shù)
Kp值越大,硫氫化銨的摩爾分?jǐn)?shù)就越高,腐蝕就越嚴(yán)重。當(dāng)選用碳鋼設(shè)備時(shí),控制Kp在0.2以下。在含硫污水汽提裝置中由于各種原因還可能在不同部位生成NH4HS和NH4HCO3或氨基甲酸銨,NH4HS和NH4HCO3或氨基甲酸銨低溫下結(jié)晶形成銨鹽垢沉積,導(dǎo)致設(shè)備或管道堵塞并引起垢下腐蝕。腐蝕堵塞主要是由于NH4HS等鹽類(lèi)、多硫化物以及腐蝕產(chǎn)物的沉積造成的,特別是當(dāng)含硫污水與脫鹽水或者鈣、鎂含量高的新鮮水混合時(shí)容易產(chǎn)生。影響腐蝕的主要因素是H2S的摩爾分?jǐn)?shù)和流速。CN-及CO2等是造成H2S或NH4HS腐蝕加重的主要原因。
加氫裝置存在的腐蝕形式還有: 冷卻水腐蝕、汽蝕、沖刷腐蝕 、濕H2S破壞、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(PASCC)[2]、外部腐蝕和管道振動(dòng)疲勞等。
目前應(yīng)用的檢驗(yàn)方式主要分為在線檢驗(yàn)和停工檢驗(yàn)兩種。有效實(shí)施在線檢驗(yàn)是降低風(fēng)險(xiǎn)水平切實(shí)可行的手段,其檢驗(yàn)結(jié)果可作為設(shè)備動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依據(jù)。在實(shí)施在線檢驗(yàn)的過(guò)程中,對(duì)于其中高溫、低溫或帶保溫層覆蓋等現(xiàn)場(chǎng)條件限制的設(shè)備,普通的檢測(cè)技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件,一般應(yīng)用不拆保溫的渦流測(cè)厚技術(shù)、超聲波導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、高溫測(cè)厚、高溫超聲波檢測(cè)和高溫聲發(fā)射等新技術(shù)新方法[3]。
在線檢驗(yàn)情況下不同檢測(cè)技術(shù)對(duì)各種損傷模式的檢驗(yàn)有效性見(jiàn)表1。
對(duì)于停工期間容器管道的檢驗(yàn),宏觀檢查和壁厚測(cè)定是最基本的檢驗(yàn)方法,按照失效形式確定檢測(cè)方法,見(jiàn)表2。
表1 在線檢測(cè)方法及有效性
注:1為高度有效;2為通常有效;3為一般有效;X為不常用。
表2 不同檢測(cè)方法檢驗(yàn)有效性
注:1為高度有效;2為通常有效;3為一般有效;X為不常用。
2011年中國(guó)特檢院對(duì)某公司部分加氫裝置內(nèi)的101臺(tái)壓力容器和505條壓力管道進(jìn)行RBI評(píng)估。對(duì)其中158個(gè)實(shí)施了在線檢驗(yàn)降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
經(jīng)評(píng)估到2012年裝置檢修期間,沒(méi)有高風(fēng)險(xiǎn)的;中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有81個(gè),其余為中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)的。對(duì)于這些中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備在檢修期間需要實(shí)施檢驗(yàn)。
經(jīng)評(píng)估到2016年年底,有1條上升為高風(fēng)險(xiǎn),中高風(fēng)險(xiǎn)上升到226個(gè),其余為中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于這些高風(fēng)險(xiǎn)和中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備需要在2016年之前進(jìn)行在線檢驗(yàn)來(lái)降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)2012年和2015年兩次裝置停工檢驗(yàn)實(shí)施,共發(fā)現(xiàn)3臺(tái)設(shè)備,5條管線存在腐蝕缺陷,對(duì)于這些缺陷在檢修期間及時(shí)進(jìn)行了處理。通過(guò)對(duì)停工檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與本次風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步完善本次風(fēng)險(xiǎn)分析給出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并及時(shí)進(jìn)行RBI風(fēng)險(xiǎn)再評(píng)估。
某公司通過(guò)2011年的RBI評(píng)估和2012年、2015年兩次裝置停工檢修期間的檢驗(yàn),杜絕了加氫裝置內(nèi)由于設(shè)備腐蝕引發(fā)的非計(jì)劃停工和設(shè)備事故,確保了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。如果不進(jìn)行RBI評(píng)估,按照以前的檢修期間的檢驗(yàn)方式,該公司有3 000臺(tái)壓力容器和上萬(wàn)條壓力管道需要進(jìn)行全面檢驗(yàn),勢(shì)必要投入大量的人力和物力。鑒于RBI效果比較明顯,該公司從2012年后對(duì)其他煉化裝置陸續(xù)開(kāi)展了RBI評(píng)估。對(duì)全廠的安全閥也進(jìn)行了RBI評(píng)估,將安全閥的檢驗(yàn)周期由原來(lái)的一年一檢改為三到五年一檢,對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)的仍按一年一檢來(lái)執(zhí)行。由于RBI的實(shí)施,有效地降低了設(shè)備的故障率,確保了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行,也降低了生產(chǎn)成本,達(dá)到了預(yù)期的目的。
[1] 林玉珍,楊德鈞.腐蝕和腐蝕控制原理[M].北京:中國(guó)石化出版社,2007:160-169.
[2] 左禹,熊金平.工程材料及其耐蝕性[M].北京:中國(guó)石化出版社,2008:29-38.
[3] 李久青,杜崔薇.腐蝕實(shí)驗(yàn)方法及檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2007:116-137.
(編輯 張向陽(yáng))
Application of RBI in Hydrogenation Unit
GuoJianwei,MaYang
(CNPCKaramayPetrochemicalCo.,Ltd.,Karamay834003,China)
Risk based inspection (RBI) is to propose corresponding inspection means based on specific corrosion of each device, verify the accuracy of corrosion analysis based on testing data, and put forward risk level of each device finally. Classification and management of the device should be done according to its risk grade, and risk reduction measures should be taken in advance for the high, medium high risk equipment. The application of RBI technology in hydrogenation unit reduces the equipment failure caused by corrosion, which ensures the stable operation of the device and reduces the production cost.
RBI, corrosion mechanism, test methods, application
2016-12-13;修改稿收到日期:2017-04-18。
郭建偉(1981—),工程師,大學(xué)畢業(yè),在該公司煉油廠從事設(shè)備管理工作。E-mail:guojwksh@petrochina.com.cn