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在用壓力容器的腐蝕破壞適用性評估

2021-11-10 16:53:44 作者：Della Anggabrata 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

在內(nèi)部和外部環(huán)境之間具有壓力差的安全殼裝置被定義為壓力設(shè)備，如用于運(yùn)輸和儲存流體的管道和壓力容器都是典型的壓力設(shè)備。

在石油和天然氣行業(yè)，在役壓力設(shè)備最常見的問題是局部腐蝕，這是一個非常危險的安全隱患，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致生產(chǎn)損失、意外泄漏、對其他結(jié)構(gòu)的損壞，甚至是威脅到人身安全。歷史上有多次由于外部涂層破裂引起壓力設(shè)備腐蝕失效的嚴(yán)重事故，如果能在故障發(fā)生之前檢測到腐蝕問題，工程師們就可以使用多種安全指南來評估設(shè)備的狀況，從而有效避免這些潛在的威脅。

腐蝕破壞的適用性評價（FFS）

Fitness-for-Service（FFS）是一種最佳實(shí)踐工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于確定在役設(shè)備是否適合繼續(xù)使用。有許多眾所周知的FFS方法，如美國石油協(xié)會（API）發(fā)布的API 579中有用于評估一般金屬損失的單獨(dú)程序（第4章）、局部金屬損失（第5章）和點(diǎn)蝕（第6章）；英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)布的BS 7910為評估結(jié)構(gòu)缺陷提供了指導(dǎo)，其中的附錄G程序涵蓋了管道和壓力容器的一般和局部金屬損失，但與API 579用于局部金屬損失的程序有所不同。其他常見的FFS方法如下：

QQ截圖20211110165541.png

FFS 方法論和API 579

可以通過監(jiān)控壁厚的減薄程度，來建立腐蝕速率和資產(chǎn)的剩余壽命。這些參數(shù)被視為預(yù)測和拒收標(biāo)準(zhǔn)的一部分，用于確定腐蝕數(shù)據(jù)收集期間設(shè)備的剩余使用壽命和使用價值。

數(shù)據(jù)收集是通過無損檢測方法獲得的，例如自動超聲波檢測，該方法可用于檢查臥式壓力容器。圖1顯示了自動超聲波檢測設(shè)備對可疑腐蝕減薄區(qū)域進(jìn)行連續(xù)掃描的網(wǎng)格布局，記錄每個網(wǎng)格點(diǎn)的厚度分布可供以后分析使用。

圖1 腐蝕減薄區(qū)檢查網(wǎng)格

可以通過遵循API 579標(biāo)準(zhǔn)提供的分步指南來估計資產(chǎn)的剩余壽命。圓周和縱向平面所需的最小壁厚可利用以下數(shù)學(xué)公式計算：

式中：E為焊接效率系數(shù)；S為許用應(yīng)力；P為最大設(shè)計壓力；R為壓力容器半徑。

然后將這兩個計算結(jié)果與超聲波檢測獲得的平均厚度測量結(jié)果進(jìn)行比較。壓力容器的剩余壽命是通過使用如下所示方程將腐蝕速率和測量時間間隔考慮在內(nèi)來確定的。

或：

謹(jǐn)防結(jié)構(gòu)不連續(xù)性

FFS評估程序也有其局限性，因?yàn)樗鼈儙缀醵际腔诤唵沃惫芏鴽]有考慮不連續(xù)性。而實(shí)際上，在幾何形狀發(fā)生變化的位置（如封頭的接頭位置），由于位移不相容性會引起彎矩增加。由圖2可以看出，剪切力和力矩的影響會導(dǎo)致徑向位移。

圖2 位于封頭接頭處的不連續(xù)處的載荷示意圖

此外，結(jié)構(gòu)不連續(xù)性還會帶來額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儧]有通過爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分驗(yàn)證。建議資產(chǎn)所有者確保責(zé)任承包商具有這些幾何結(jié)構(gòu)的有限元分析（FEA）經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)證案例。

結(jié)構(gòu)不連續(xù)性問題通常很難用解析方法解決，有時甚至是不可能的。

考慮噴嘴的不連續(xù)性

噴嘴的應(yīng)力分布甚至比其他不連續(xù)處的應(yīng)力分布更為復(fù)雜。角部內(nèi)表面的主應(yīng)力位于主殼體的軸向平面內(nèi)，如圖3所示。API 579已調(diào)整區(qū)域替換規(guī)則（即反向設(shè)計）以防止腐蝕噴嘴的整體失效，但是并未明確防止腐蝕韌帶的局部塌陷。

圖3 沿殼體到噴嘴接頭的復(fù)雜應(yīng)力示意圖

為避免被腐蝕的噴嘴整體坍塌，可采用以下方法：

01 ASME VIII Division 1：區(qū)域替換規(guī)則

02 焊接研究委員會的方法：WRC 107

03 BS PD5500：彈性應(yīng)力設(shè)計規(guī)則

評估方法的選擇取決于可用的輸入?yún)?shù)，以及哪種方法能確保完整性而不會過于保守。然而，使用整體坍塌標(biāo)準(zhǔn)并不總是足以確保服務(wù)的適用性，并且沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴腐蝕評估方法在世界范圍內(nèi)被普遍接受。

圖4 確保足夠的整體噴嘴強(qiáng)度的區(qū)域更換方法

腐蝕FFS程序的未來

美國和歐洲的規(guī)范委員會始終以彼此的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，因此FFS的未來很可能是從協(xié)同作用中吸取的綜合經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)而來。在不久的將來，API、BSI和其他標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可將增強(qiáng)用戶的信心并鼓勵更廣泛的應(yīng)用。

目前，API 579和BS 7910是最常用的程序之一。API 579主要用于美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）的設(shè)備，而在其他設(shè)備上的應(yīng)用需要仔細(xì)解釋程序。BS 7910可以應(yīng)用于更廣泛的設(shè)備類型，因?yàn)樗且愿ㄓ玫姆绞骄帉?，而無需參考特定行業(yè)和特定的設(shè)計規(guī)范。盡管用戶可以相信自己的判斷，但BS 7910仍需要一些評估級別的技術(shù)專業(yè)知識，隨著評估級別的增加，保守性也會隨之降低。