孫成利，叢廣佩，李偉明，路篤輝

0 引言

近些年來，完整性管理正逐步成為各大石化企業(yè)進行設備單元安全管理的重要方法，其中腐蝕做為影響石化安全的主要影響因素之一[1-4]，對于腐蝕機理方面的研究日趨完善[5-6]，其中，外部腐蝕問題近些年日益突出，而涂層則是最為常見的防護手段。無論采用何種涂層，涂層完整性管理策略都是確保外腐蝕得以有效控制的關(guān)鍵方法，通常，石化企業(yè)對于涂層與設備維修一樣采用定期維護策略，這種辦法雖然有一定的效用，但面對復雜多變的外腐蝕問題往往無法防護滿足要求。對于海上設備設施這些處于潮濕悶熱鹽霧環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)，此類問題更為突出，一種可以優(yōu)化涂層維護策略和監(jiān)測涂層質(zhì)量的涂層完整性管理辦法意義重大。

1 海上設備設施外腐蝕的挑戰(zhàn)

一般認為，在涂層施工質(zhì)量可以保證的前提下，涂層在5年內(nèi)可以完全控制外腐蝕，之后控制能力隨著時間逐步衰減[7]，外腐蝕問題也會隨之變得突出。在海洋環(huán)境下，由于大氣中水汽充足，氯離子含量高，外腐蝕問題則更加突出。據(jù)不完全統(tǒng)計，在海上平臺設施中，服役一年之后，約有6%～11%的面積不得不在一年之內(nèi)進行全面外腐蝕維護，服役8年左右則這一比例增加至43%～55%。與嚴重的外腐蝕問題相對應的，在日常生產(chǎn)維護中，受到諸多因素的限制，外腐蝕問題以事后應急維修、涂層臨時性修補為主，涂層質(zhì)量難以保證，外腐蝕問題也難以有效抑制。即使進行全面涂層維修，由于涂層質(zhì)量檢驗技術(shù)以點檢抽檢為主，因此通常涂層局部分層和剝離現(xiàn)象仍然難以控制。

2 一種基于風險和狀態(tài)的涂層完整性管理模型

基于海上設備設施涂層管理中的問題，本文提出一種基于風險和狀態(tài)的涂層完整性管理模型，如圖1所示。模型基于完整性管理的基本要求，即在確保安全的前提下最大程度減少不必要的經(jīng)濟損失，建立了一個閉環(huán)風險控制系統(tǒng)。涂層狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)作為閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用了光激勵紅外熱波掃描技術(shù)，該技術(shù)可以快速掃描定量涂層破損、涂層分層和涂層厚度不達標3個應先涂層防護質(zhì)量的關(guān)鍵問題，其中涂層破損和涂層分層往往意味著涂層失去了外腐蝕防護能力，可以用來直接決策涂層是否需要進行全面維修。而涂層厚度不達標則是意味著涂層防護能力降低，防護周期縮短，涂層維修周期也要進行相應的調(diào)整。

為了根據(jù)涂層狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果做出合理的涂層維護策略，系統(tǒng)中設置了涂層維修決策和涂層狀態(tài)風險分析兩個重要的環(huán)節(jié)。其中涂層維修決策環(huán)節(jié)直接利用紅外熱波識別出的涂層缺陷，估算涂層缺陷總面積，進而決定是否需要進行全面涂層維修。而涂層狀態(tài)風險分析則是從設備設施安全角度考慮，制定一個合理的涂層維修及其相關(guān)配套工作的最大參考周期，做到在確保安全的前提下，最大程度減少經(jīng)濟損失。最后，為實現(xiàn)閉環(huán)完整性管理循環(huán)，涂層維護計劃完成后，要對涂層的質(zhì)量進行紅外熱波檢測，其檢測結(jié)果用來確定新的風險現(xiàn)狀，并據(jù)此確定新的紅外熱波監(jiān)測方案和周期。

總的來說，本方法通過多維度涂層信息檢測適時反饋涂層實際狀態(tài)，并通過這些反饋信息做出合理的維修決策和風險識別，進而優(yōu)化后續(xù)的涂層檢測、維修范圍和周期，使涂層檢測信息始終跟蹤最關(guān)鍵風險單元，如此循環(huán)，達到及時且高效控制設備的外腐蝕風險的目的。

3 紅外熱波對涂層監(jiān)測效果和基本策略

紅外是一種與熱效應有關(guān)的長波非可見光，在激勵一定的情況下，紅外熱波的特性與材料導熱性能的有關(guān)，其主要特征參量為特征偏離時間，不同導熱材料的特征偏離時間存在明顯差異，對于導熱性較差的材料，如涂層，其厚度也會影響特征偏離時間，二者的定量關(guān)系如式（1）所示。

圖1 基于風險和狀態(tài)的涂層完整性管理模型

其中，d為涂層厚度，mm；tbreak為特征偏離時間，s；k為線性系數(shù)。

因此紅外熱波技術(shù)可以同時實現(xiàn)定量涂層完好區(qū)域的涂層厚度和破損區(qū)域面積的雙重作用。這些數(shù)據(jù)都與外腐蝕問題息息相關(guān)，成為決定涂層維修策略的重要定量依據(jù)。

作為圖1所示的閉環(huán)系統(tǒng)，信息反饋的時機十分重要，否則一旦遺漏關(guān)鍵信息，決策系統(tǒng)的輸出很可能做出錯誤的判斷，導致安全事故。按照完整性管理的基本原則，包括狀態(tài)變更和當前狀態(tài)都是需要重點監(jiān)測的內(nèi)容，根據(jù)此原則，涂層變更管理、高風險單元的日常涂層狀態(tài)跟蹤和中低風險單元的周期性涂層狀態(tài)抽查是相對合理的狀態(tài)監(jiān)測策略。通過這樣一種合理的在線監(jiān)測策略將可以獲取足夠多的涂層狀態(tài)信息，實現(xiàn)全面監(jiān)測涂層狀態(tài)變化監(jiān)測，為后續(xù)的涂層維修決策提供足夠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 涂層的維修決策方法

只對發(fā)生破損的局部進行涂層維修；若涂層破損面積比小于20%，則只對發(fā)生破損的局部進行涂層維修。

另外，對于碳鋼材料，不但要監(jiān)測涂層狀態(tài)，還要監(jiān)測涂層缺陷部位的內(nèi)外腐蝕壁厚。這一點對于當前不需要全面涂層維修的單元尤為重要，因為碳鋼材料存在內(nèi)外腐蝕減薄問題，如不監(jiān)測壁厚的變化規(guī)律，僅按照風險狀態(tài)決定涂層維修周期，很可能出現(xiàn)在進行維修時，由于壁厚過薄而不得不進行停車隔離操作或者進行射線壁厚掃查，這些工作都會增加不必要的經(jīng)濟和人身安全風險。

如圖2所示，這種超聲測厚要按照兩種情況加以區(qū)分，對于涂層破損的情況，要同時進行內(nèi)外腐蝕的測厚，即在涂層破損部位測量外腐蝕數(shù)據(jù)，在涂層破損部位周圍100 mm×100 mm范圍內(nèi)測量內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)；而對于涂層分層和厚度不合格的情況，則僅在分層或不合格點位測量內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)。

在實際情況中，涂層的缺陷多數(shù)以分散的局部破損形態(tài)存在，但考慮到可能存在的相鄰破損區(qū)域之間的涂層附著力降低甚至分層，涂層破損面積達到一定比例的時候就應該考慮進行全面的涂層維修。

海上工藝設備管道中，由于不銹鋼設備易受到更加危險的氯化物應力腐蝕開裂的影響，而其他材料的設備過于昂貴，所以除了極個別設備，80%以上的設備管道以碳鋼為主，而碳鋼極易受到外腐蝕影響，因此日常外腐蝕完整性管理主要以碳鋼設備為目標，其涂層維修決策樹如圖2所示。若涂層破損面積比達到表面積的40%以上，則可以進行全面涂層維修；若涂層破損面積比在20%～40%之間，則僅當涂層破損區(qū)域均勻分散于設備單元表面時，才進行全面涂層維修，否則

圖2 碳鋼設備涂層維修決策樹

需要指出的是，這些測厚需在確保涂層完整性的前提下進行，因此對于超聲技術(shù)的選擇極為重要。寬頻窄帶超聲測厚技術(shù)可以在一次測量中同時測量多種接合物質(zhì)的厚度，而且由于其發(fā)射的超聲脈沖含有高頻成分，因此也可以高精度地測量厚度小于1 mm的物質(zhì)，比如涂層，從而更加精確地驗證和測定涂層質(zhì)量欠佳部位的涂層厚度。

根據(jù)這些內(nèi)外腐蝕測厚數(shù)據(jù)可以利用式（2）估算可以避免停車和射線檢驗的最大維修周期。

其中Tc為腐蝕狀態(tài)允許的最大維修周期，y；NWT為單元的名義壁厚，mm；MAWT為單元的設計最小允許壁厚，mm；ARWT為單元的風險最小允許壁厚，mm；n為安全系數(shù)；CRo為外腐蝕速率，mm/y；CRi為外腐蝕速率，mm/y。

5 基于涂層狀態(tài)的風險分析方法

對于外腐蝕的風險分析，已有相關(guān)標準[8]，標準中涂層被分為3個狀態(tài)，以修正外腐蝕速率，由于不是直接利用涂層狀態(tài)進行風險決策，因此對于涂層維護策略優(yōu)化標準中并沒有提及。為了實現(xiàn)以涂層維護策略優(yōu)化為目標的決策，需要一種直接以涂層狀態(tài)進行風險評估的方法，使管理者直接明確涂層狀態(tài)與設備安全之間的關(guān)系，制定合理的涂層維修周期。接合海上生產(chǎn)設備的外腐蝕特點和影響，考慮涂層失效以及外腐蝕發(fā)生時直接威脅安全的影響因素，涂層失效風險評估的公式如式（3）、（4）所示：

其中，R為涂層失效風險；CPoF為涂層外腐蝕防護失效概率；CCF為腐蝕重要度因子或后果影響因子；ECT為外腐蝕威脅或敏感因子；CoF為腐蝕失效后果。

根據(jù)式（3）、（4），對應的風險決策矩陣如圖3所示，其中涂層狀態(tài)“3”表示涂層破損且裸露金屬但并未發(fā)生明顯腐蝕的狀態(tài)，該狀態(tài)是該矩陣的臨界狀態(tài)，以狀態(tài)“3”為分界。

線矩陣主要分為兩個部分，狀態(tài)“3”及其之前的狀態(tài)屬于第一部分，主要用于評估涂層的狀態(tài)，狀態(tài)“3”之后的狀態(tài)屬于第二部分，主要用于評估單元本體腐蝕風險。其中第二部分的主要作用在于確定不可接受風險臨界值，從而計算式（2）中的ARWT，而第一部分則用于基于風險的涂層維修周期決策。

圖3 海上平臺設備涂層狀態(tài)風險矩陣

另外，CCF則需要通過圖4所示的矩陣加以確定，其中CoF主要根據(jù)各公司的管理文件來確定，ECT則根據(jù)操作壓力最大值來確定。根據(jù)圖4最終海上平臺生產(chǎn)設備的外腐蝕發(fā)生后的后果影響將分為5級，這5級分別對應圖3中的后果影響因子等級。

圖4 海上平臺設備CCF矩陣

為了充分考慮海上設備設施的維修完成率，仍然存在不得不進行隔離或者射線檢驗的情況，根據(jù)一些良好作業(yè)實踐，基于風險的涂層維修周期決策如圖5所示。對于全面涂層維修，圖中的數(shù)字以年為單位表示基于風險的最大涂層維修周期；對于局部涂層修補，則表示基于風險的最大超聲測厚周期。需要說明的是，在應用圖5所示的矩陣時，不僅要考慮涂層破損狀態(tài)，而且還要考慮未破損涂層的狀態(tài)，一般的，對于涂層分層，由于涂層很可能在1年內(nèi)發(fā)生涂層破損的情況，所以涂層分層作為狀態(tài)“3”加以考慮，并計入涂層破損面積用于是否進行全面涂層維修的決策；對于涂層厚度不合格問題，則作為狀態(tài)“2”加以考慮，并可以根據(jù)圖5單獨考慮其的超聲測厚周期。

并且，最終全面涂層維修或超聲測厚周期不僅要考慮圖5確定的周期，還要考慮式（2）所確定的周期，因此，最終維修或超聲測厚參考周期要根據(jù)式（5）確定：

其中Tr為基于風險的周期，y。

圖5 海上平臺設備涂層維修周期決策矩陣

6 結(jié)論

海上特殊的氣候環(huán)境，外腐蝕問題更為突出，而涂層的有效維修維護是解決此類問題的關(guān)鍵因素。本文提出了一種涂層狀態(tài)及其對應風險的涂層完整性管理方法，該方法中采用紅外熱波技術(shù)進行涂層狀態(tài)掃描，并用掃描結(jié)果定量估算涂層缺陷面積和涂層不合格面積，通過這些定量信息進行科學合理的涂層維修決策。在涂層維修周期決策方面，本文應用一種可以直接考慮涂層狀態(tài)因素的5×9階風險矩陣，同時，為了最大程度避免經(jīng)濟損失和操作苦難，除了風險等級外，本文還考慮了內(nèi)外腐蝕速率的影響，從而綜合確定一個最為安全且合理的涂層最大維修參考周期，用于涂層維修策略的決策過程。另外，為了涂層的完整性，在確定內(nèi)外腐蝕速率過程中，本文提出應采用寬頻窄帶超聲技術(shù)進行關(guān)鍵部位的本體測厚和涂層厚度校準。

參考文獻：

［1］ Kim， J.， Kim， J.， Lee， Y.， et al.Application of TRIZ crativity intensification approach tochemical pro?cess safety ［J］.Journal of Loss Prevention in the Pro?cess Industries， 2009，22：1039-1043.

［2］ M.C.Eti， S.O.T.Ogaji， S.D.Probert.Reducing the cost of preventive maintenance（PM） through.adopting a proactive reliability-focused culture ［J］.Applied Ener?gy， 2006，83：1235-1248.

［3］Ramirez，P.， Utne， I.B.Challenges with ageing plants［J］.Process Safety Progress， 2011，30： 196-199.

［4］叢廣佩.石化設備基于風險和狀態(tài)的檢驗與維修智能決策研究［D］.大連：大連理工大學，2013.

［5］ The American Petroleum Institute.API 571 Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry［S］.2003.

［6］GB/T 30579-2014.承壓設備損傷模式識別［S］.

［7］ DNV-GL.DNV-G-101 Risk Based Inspection of Offshore Topsides Static Mechanical Equipment ［S］.2010.

［8］ The American Petroleum Institute.API 581 Risk-Based Inspection Technology［S］.2008.