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)最大的液硫儲罐群，共建有10臺常壓液硫儲罐，單罐儲存能力5 000 m3。由于液硫儲罐在生產(chǎn)運行中其內(nèi)部存在H2S和硫蒸氣等腐蝕性介質(zhì)，故儲罐易發(fā)生腐蝕減薄，且罐內(nèi)的硫化亞鐵容易發(fā)生自燃，儲罐失效后果十分嚴(yán)重[2-4]。儲罐的本體及其附屬設(shè)施的失效均有可能危及儲罐。開罐檢驗周期長、費用高、受限空間作業(yè)風(fēng)險大，國內(nèi)缺乏適用的檢驗檢測標(biāo)準(zhǔn)。

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

1 RBI簡介及可行性分析

基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)(Risk-based inspection，簡稱RBI)將定性分析和定量計算相結(jié)合，通過識別設(shè)備的損傷機理和失效模式，制定科學(xué)的檢驗周期和優(yōu)化的檢驗策略，保障設(shè)備安全，提高經(jīng)濟效益，廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、海洋平臺和船舶等領(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罐安全技術(shù)規(guī)程》明確了RBI應(yīng)用于液硫儲罐的合規(guī)性[6]。

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

2 液硫儲罐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)險的檢驗》和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578—2014《常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗及評價》篩選和尋找適用于液硫儲罐本體及其附屬設(shè)施的損傷模式和失效機理，初步歸納出液硫儲罐本體及其附屬設(shè)施的損傷模式、失效機理、影響因素、預(yù)防措施和檢測方法。

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

(3)收集歷年關(guān)于液硫儲罐檢修、腐蝕和泄漏等方面的案例進(jìn)行研究，根據(jù)儲罐失效產(chǎn)生的經(jīng)濟和環(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，提出較為符合實際情況的經(jīng)濟指標(biāo)或環(huán)保指標(biāo)作為失效后果計算的前提條件，再結(jié)合API 581—2000和GB/T 30578—2014關(guān)于常壓儲罐失效后果計算的相關(guān)內(nèi)容，確認(rèn)液硫儲罐風(fēng)險評估中失效后果的計算方法。

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

(5)按照風(fēng)險評估理論，根據(jù)失效可能性和失效后果計算液硫儲罐的風(fēng)險，根據(jù)不同部位風(fēng)險的高低，選擇有效的檢驗方法，制定有針對性的檢驗策略。

2.2 液硫儲罐的損傷模式和失效機理

元素硫和硫化氫等稱為活性硫，活性硫?qū)饘倬哂休^強的腐蝕性。液硫儲罐內(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

液硫儲罐工作溫度為135～145 ℃，當(dāng)氣相空間中存在水蒸氣時，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，生成產(chǎn)物是無保護性的Fe(1+x)S和FeS膜。

2.2.2 大氣腐蝕

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

由于在儲罐的通氣孔處溫度較低，揮發(fā)的硫蒸氣在儲罐頂部結(jié)晶，生成單晶硫。該單晶硫呈黃色顆粒狀，燃點較低，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)儲罐處于付油狀態(tài)時，大量的空氣充滿儲罐的氣相空間，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

由于液硫的儲存溫度與聯(lián)合裝置液硫池內(nèi)溫度不同，液硫經(jīng)過長距離密閉輸送后，再在敞開容器中儲存時會揮發(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，水蒸氣在低溫部位冷凝，硫化氫溶解其中對這些部位產(chǎn)生明顯的腐蝕。

2.3 風(fēng)險計算及其影響因素分析

2.3.1 風(fēng)險計算過程

利用DNV·GL RBI軟件對儲罐進(jìn)行風(fēng)險計算，需要分別確定儲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)而確定每臺儲罐的失效可能性；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)儲罐損傷程度以及介質(zhì)泄漏對周圍環(huán)境破壞、地下水污染和人員傷害等方面的影響，對風(fēng)險結(jié)果進(jìn)行評估，確定風(fēng)險等級，計算過程如圖2所示。

圖2 儲罐風(fēng)險等級計算過程

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、儲罐基礎(chǔ)、儲罐基礎(chǔ)的排水狀況、陰極防護、儲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在液硫儲罐上的應(yīng)用

3.1 液硫儲罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則

液硫儲罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則如圖3所示，先對液硫儲罐開展風(fēng)險初評估，然后針對中高風(fēng)險以上儲罐進(jìn)行在線檢測，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)對儲罐的風(fēng)險進(jìn)行再次評估，最后得出儲罐基于風(fēng)險的檢驗結(jié)果，給出每臺儲罐當(dāng)前的風(fēng)險等級及檢驗策略。

圖3 液硫儲罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則

3.2 風(fēng)險分析與計算

根據(jù)GB/T 30578—2014《常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗及評價》的相關(guān)要求和腐蝕速率專家數(shù)據(jù)庫，分析得出儲罐壁板和底板的損傷因子、失效可能性等級、失效后果等級和風(fēng)險等級等結(jié)果。儲罐的風(fēng)險計算見式(1)。

R(t)=F(t)·C(t)

(1)

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

3.3 風(fēng)險評估和檢驗檢測結(jié)果

2021年10月，對凈化廠10臺液硫儲罐的壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險初評估，其結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，10臺儲罐的壁板風(fēng)險等級均為中風(fēng)險；8臺儲罐的底板風(fēng)險等級為中高風(fēng)險，其余2臺儲罐(731-T-002和732-T-002)的底板風(fēng)險等級為高風(fēng)險。

圖4 壁板和底板風(fēng)險初評估結(jié)果

2021年11月，根據(jù)初評估結(jié)果，對2臺底板風(fēng)險等級為高風(fēng)險的儲罐(731-T-002和732-T-002)進(jìn)行聲發(fā)射檢測，發(fā)現(xiàn)儲罐罐體與基礎(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)平臺同時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，液硫儲罐外壁所處環(huán)境氣溫越高，相對濕度越高，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，會加速壁板腐蝕。對壁板進(jìn)行風(fēng)險評估時應(yīng)考慮其實際的腐蝕速率。

按照相關(guān)規(guī)范對儲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，然后對液硫儲罐的壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險再評估，其結(jié)果見圖6。預(yù)評估與再評估的儲罐壁板和底板風(fēng)險分布見表1。

表1 儲罐壁板和底板風(fēng)險分布

圖6 壁板和底板風(fēng)險再評估結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，對儲罐壁板和底板進(jìn)行風(fēng)險初評估，并開展相應(yīng)的檢驗檢測，之后進(jìn)行風(fēng)險再評估時儲罐的風(fēng)險等級均有所下降，其風(fēng)險等級更接近實際情況，也驗證了液硫儲罐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。

3.4 檢驗策略與建議

建議對10臺液硫儲罐建立常壓儲罐檔案，做到“一臺一檔”，主要內(nèi)容包括:安裝竣工資料,年度檢查與定期檢驗記錄,安全附件校驗記錄，防雷、防靜電設(shè)施檢查與檢驗記錄,修理、改造方案的資料以及常壓儲罐事故記錄等。

要加強常壓儲罐的操作、日常巡檢和維護保養(yǎng)工作，定時按巡回檢查路線和標(biāo)準(zhǔn)對儲罐進(jìn)行檢查。檢驗策略及重點部位見表2。

表2 檢驗策略及重點部位

4 結(jié) 語

通過對普光天然氣凈化廠10臺液硫儲罐進(jìn)行RBI研究，形成了液硫儲罐RBI作業(yè)指導(dǎo)規(guī)則，對國內(nèi)液硫儲罐的風(fēng)險檢驗和評估具有重要的參考意義。在液硫儲罐風(fēng)險評估過程中，數(shù)據(jù)采集及處理方法顯得比較被動，由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段，對設(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)備大修期間和檢測時獲得的有限數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)越充足可靠，風(fēng)險計算結(jié)果的可信度才越高。目前有關(guān)液硫儲罐檢驗的數(shù)據(jù)庫較小，而建立或完善RBI數(shù)據(jù)庫是風(fēng)險評估過程中的關(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，才能為液硫儲罐的長周期穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。