趙 森，宋瑞明，喬佳寶，李振金，翟 明，陳保中

（1.中國石油工程材料研究院有限公司，西安 710077；2.中石油煤層氣有限責任公司忻州采氣管理區(qū)，北京100028）

0 前 言

我國自2010年在鄂爾多斯盆地東緣開展煤層氣勘探開發(fā)工作，已建成一批用于煤層氣集輸和處理的站場。在此期間，煤層氣站場管道完整性管理[1]工作僅以壓力容器和工業(yè)管道的定期檢驗[2-3]的方式進行，對整個集輸處理系統(tǒng)未進行全面風險評定，未制定相關(guān)方案配置。為提升煤層氣田站內(nèi)管道完整性管理水平，制定科學(xué)的方案配置，在煤層氣田某站場開展基于風險檢驗（risk-based inspection，RBI）評價[4]及風險計算，對站場內(nèi)在運行的工藝管道以及靜設(shè)備所面臨的失效概率以及失效后果進行了量化，通過對失效概率、失效風險相對較高的管道及設(shè)備進行失效研究，實現(xiàn)重大風險預(yù)警和失效智能診斷，達到智能化完整性管理。RBI評價技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在對檢驗周期的調(diào)整優(yōu)化和對維護的方案配置優(yōu)化。

1 RBI評價技術(shù)

1.1 技術(shù)概念

RBI技術(shù)是發(fā)達國家通用的一種滿足經(jīng)濟性和安全性的評價管理手段[5-6]。從廣義上講，RBI評價技術(shù)主要是解決設(shè)備實施可能出現(xiàn)的任何故障，發(fā)生故障的概率如何，故障導(dǎo)致的嚴重后果，如何根據(jù)這些潛在的故障進行有效的檢測，以及如果需要檢測，應(yīng)該檢測高故障部位的問題。

RBI評價技術(shù)具有有效地減少設(shè)備風險、提高檢驗合理性的作用，與傳統(tǒng)的定期檢驗有著本質(zhì)區(qū)別。定期檢驗主要以無損檢測[7-8]、壁厚檢測為主，檢測結(jié)果過于依賴檢測經(jīng)驗，不能夠形成具體的模式，無法有效地分析出引起設(shè)備失效的具體原因，并造成資源浪費。

1.2 風險計算

風險計算可以表示為：風險=失效可能性×失效后果。

定性風險分析的失效可能性通過對以下6個因子的評估來確定：設(shè)備因子EF、損壞因子DF、檢驗因子IF、維修管理因子MCF、工藝因子PF、機械設(shè)計因子MDF。根據(jù)這6個因子的評估加權(quán)得分，按照總體的可能性因子將每個設(shè)備的失效可能性劃分為5 個等級，分別為1、2、3、4、5。

失效后果為燃燒和爆炸后果，通過以下6個因子的等級來確定：化學(xué)因子CF、破壞量因子DQF、狀態(tài)因子SF、自燃因子AF、壓力因子PRF、安全防護因子CRF。根據(jù)這6 個因子的評估加權(quán)得分，按照總體的失效后果因子將每個設(shè)備的失效后果劃分為5 個等級，分別為A、B、C、D、E。

煤層氣田站場設(shè)備及管路系統(tǒng)各因子評分主要參考GB/T 26610.3—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風險的檢驗實施導(dǎo)則 第3部分：風險的定性分析方法》[9]，對站場設(shè)備及管路系統(tǒng)失效的可能性和后果進行賦值計算，結(jié)果見表1和表2。

表1 設(shè)備及管路系統(tǒng)失效可能性賦值計算表

表2 設(shè)備及管路系統(tǒng)失效后果賦值計算表

把設(shè)備和管路系統(tǒng)失效可能性等級和失效后果等級按照組合后的級別填入（5×5）的風險矩陣內(nèi)，劃分相應(yīng)的風險等級。失效后果風險等級如圖1所示。

圖1 設(shè)備和管路風險評定矩陣圖

通過圖1 可以看出，壓縮機和壓縮機出口埋地管道的風險為中風險，處理系統(tǒng)設(shè)備和管路系統(tǒng)大部分為中低風險，這是因為壓縮機屬于動設(shè)備，其振動和高溫容易引起設(shè)備損傷，埋地管道受到壓縮機出口溫度和振動影響，土壤和降雨等會加速防腐層老化損傷，導(dǎo)致管線腐蝕，且根據(jù)歷史數(shù)據(jù)調(diào)研，該埋地管道有外腐蝕損傷歷史，故失效概率相對較高。三通彎頭等部位容易受到輸送介質(zhì)的沖刷腐蝕[10]，故失效風險較高。因此開展三通彎頭部位的內(nèi)腐蝕研究和壓縮機出口埋地管道的外腐蝕[11]研究尤為重要。

2 實物驗證

2.1 內(nèi)腐蝕研究

根據(jù)失效可能性和失效后果評估結(jié)果，對于失效概率相對較高的彎頭進行內(nèi)腐蝕研究，計算腐蝕速率，掌握彎頭壁厚減薄情況。將現(xiàn)場L245N鋼彎頭加工成矩形掛片試樣，工作面依次用200#、400#、600#、800#水砂紙打磨，并用丙酮清洗除油、冷風吹干然后置于干燥器中，24 h后取出裝入現(xiàn)場采集的水樣中，通入預(yù)先配好的混合氣體，設(shè)置CO2分壓0.008 MPa、溫度40 ℃、腐蝕168 h，腐蝕完畢后用蒸餾水清洗干凈，無水酒精除水后烘干計算腐蝕速率，腐蝕速率為

式中：v——平均腐蝕速率，mm/a；

g——試樣的失重，g；

γ——材料的密度，7.8 g/cm3；

t——試驗時間，d；

S——試樣面積，mm2。

在集氣站采出流體介質(zhì)中，L245N鋼試樣處于氣相環(huán)境時，均勻腐蝕速率為0.033 mm/a；L245N鋼試樣處于液相環(huán)境時，液相試樣均勻腐蝕速率為0.105 mm/a，依據(jù)NACE 標準RP-0775—2015對腐蝕程度的規(guī)定，在兩類環(huán)境中，L245N鋼試樣腐蝕速率屬于中度腐蝕速率。

采用去膜液對腐蝕試樣處理后進行宏觀觀察，如圖2所示。從圖2可以看出，試樣未見局部腐蝕及點蝕痕跡。經(jīng)分析，穩(wěn)定的流體介質(zhì)未能造成集氣站內(nèi)管道系統(tǒng)內(nèi)腐蝕，后續(xù)工作重點可將處理系統(tǒng)和管路系統(tǒng)之間的彎頭、三通、大小頭的壁厚通過超聲波壁厚檢測裝置[12]進行定期監(jiān)測。

圖2 腐蝕試樣宏觀形貌

2.2 外腐蝕分析

根據(jù)失效可能性和失效后果評估結(jié)果，對失效風險相對較高的壓縮機出口埋地管道進行開挖驗證，此處管段為環(huán)氧煤瀝青加強級防腐[13]，管段運行壓力為0.8～1.3 MPa，埋深為0.6 m，管道運行溫度為120 ℃。檢驗發(fā)現(xiàn)埋地管段防腐層破損周圍存在彌散型腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物呈紅色，防腐層未完全損壞處管壁未見明顯腐蝕。采用 ARL 4460 直讀光譜儀對所取試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，化學(xué)成分滿足GB/T 9711—2017[14]要求。

表3 壓縮機出口埋地管道試樣化學(xué)成分

采用SHT4106材料試驗機對所取試樣進行拉伸性能檢測分析，結(jié)果見表4，拉伸性能滿足GB/T 9711—2017標準要求。

表4 壓縮機出口埋地管道試樣拉伸性能

采用OLS4100激光共聚焦顯微鏡、MEF4M金相分析系統(tǒng)對壓縮機出口埋地管道母材進行晶粒度檢測及組織分析，金相組織分析見表5，金相組織結(jié)構(gòu)如圖3所示，檢測結(jié)果無異常。

圖3 壓縮機出口埋地管道母材組織

表5 壓縮機出口埋地管道母材金相組織分析表

采用 XFORD INCA350 能譜儀對腐蝕坑內(nèi)物質(zhì)進行分析，腐蝕產(chǎn)物形貌如圖4所示，能譜分析結(jié)果如圖5 所示。腐蝕產(chǎn)物成分主要元素為Fe、O、C等，試樣腐蝕坑處Fe、O比例為2.0%～2.4%，F(xiàn)e、O比例接近Fe2O3，結(jié)合管道運行溫度120 ℃，超出環(huán)氧煤瀝青防腐適用范圍，分析為高溫導(dǎo)致防腐層失效[10]，使鋼管暴露于含水、氧的土壤壞境下，從而發(fā)生了氧腐蝕[15]。

圖4 壓縮機出口埋地管道腐蝕產(chǎn)物形貌

圖5 壓縮機出口埋地管道腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3 結(jié)束語

通過對煤層氣田某站場內(nèi)工藝管道及靜設(shè)備的RBI評價及風險計算，發(fā)現(xiàn)站場壓縮機系統(tǒng)和進站匯管彎頭失效概率、失效風險相對較高。并對進站匯管彎頭和壓縮機出口埋地管道腐蝕情況進行分析，發(fā)現(xiàn)站內(nèi)彎頭試樣處氣相環(huán)境時，均勻腐蝕速率為0.033 mm/a，處液相環(huán)境時，均勻腐蝕速率為0.105 mm/a，均屬中度腐蝕速率，后續(xù)工作可對彎頭定期進行壁厚腐蝕檢測。壓縮機出口埋地管道原始防腐層受高溫和震動影響失效，潮濕環(huán)境下，氧腐蝕導(dǎo)致管壁存在彌散型腐蝕坑，需及時更換耐高溫、粘接力好的防腐層，以阻止管壁繼續(xù)腐蝕。RBI風險評價技術(shù)在站場的應(yīng)用可為煤層氣田站場管道完整性管理工作提供借鑒，從而針對性地制定風險消減方案配置，達到站場安全運行的目的。