在用压力容器的腐蚀破坏适用性评估

2021-11-10 16:53:44 作者：Della Anggabrata 来源：腐蚀与防护分享至：

在内部和外部环境之间具有压力差的安全壳装置被定义为压力设备，如用于运输和储存流体的管道和压力容器都是典型的压力设备。

在石油和天然气行业，在役压力设备最常见的问题是局部腐蚀，这是一个非常危险的安全隐患，因为它可能导致生产损失、意外泄漏、对其他结构的损坏，甚至是威胁到人身安全。历史上有多次由于外部涂层破裂引起压力设备腐蚀失效的严重事故，如果能在故障发生之前检测到腐蚀问题，工程师们就可以使用多种安全指南来评估设备的状况，从而有效避免这些潜在的威胁。

腐蚀破坏的适用性评价（FFS）

Fitness-for-Service（FFS）是一种最佳实践工业标准，用于确定在役设备是否适合继续使用。有许多众所周知的FFS方法，如美国石油协会（API）发布的API 579中有用于评估一般金属损失的单独程序（第4章）、局部金属损失（第5章）和点蚀（第6章）；英国标准协会发布的BS 7910为评估结构缺陷提供了指导，其中的附录G程序涵盖了管道和压力容器的一般和局部金属损失，但与API 579用于局部金属损失的程序有所不同。其他常见的FFS方法如下：

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FFS 方法论和API 579

可以通过监控壁厚的减薄程度，来建立腐蚀速率和资产的剩余寿命。这些参数被视为预测和拒收标准的一部分，用于确定腐蚀数据收集期间设备的剩余使用寿命和使用价值。

数据收集是通过无损检测方法获得的，例如自动超声波检测，该方法可用于检查卧式压力容器。图1显示了自动超声波检测设备对可疑腐蚀减薄区域进行连续扫描的网格布局，记录每个网格点的厚度分布可供以后分析使用。

图1 腐蚀减薄区检查网格

可以通过遵循API 579标准提供的分步指南来估计资产的剩余寿命。圆周和纵向平面所需的最小壁厚可利用以下数学公式计算：

式中：E为焊接效率系数；S为许用应力；P为最大设计压力；R为压力容器半径。

然后将这两个计算结果与超声波检测获得的平均厚度测量结果进行比较。压力容器的剩余寿命是通过使用如下所示方程将腐蚀速率和测量时间间隔考虑在内来确定的。

或：

谨防结构不连续性

FFS评估程序也有其局限性，因为它们几乎都是基于简单直管而没有考虑不连续性。而实际上，在几何形状发生变化的位置（如封头的接头位置），由于位移不相容性会引起弯矩增加。由图2可以看出，剪切力和力矩的影响会导致径向位移。

图2 位于封头接头处的不连续处的载荷示意图

此外，结构不连续性还会带来额外的挑战，因为它们没有通过爆破试验数据进行充分验证。建议资产所有者确保责任承包商具有这些几何结构的有限元分析（FEA）经验或验证案例。

结构不连续性问题通常很难用解析方法解决，有时甚至是不可能的。

考虑喷嘴的不连续性

喷嘴的应力分布甚至比其他不连续处的应力分布更为复杂。角部内表面的主应力位于主壳体的轴向平面内，如图3所示。API 579已调整区域替换规则（即反向设计）以防止腐蚀喷嘴的整体失效，但是并未明确防止腐蚀韧带的局部塌陷。

图3 沿壳体到喷嘴接头的复杂应力示意图

为避免被腐蚀的喷嘴整体坍塌，可采用以下方法：

01 ASME VIII Division 1：区域替换规则

02 焊接研究委员会的方法：WRC 107

03 BS PD5500：弹性应力设计规则

评估方法的选择取决于可用的输入参数，以及哪种方法能确保完整性而不会过于保守。然而，使用整体坍塌标准并不总是足以确保服务的适用性，并且没有一种标准的喷嘴腐蚀评估方法在世界范围内被普遍接受。

图4 确保足够的整体喷嘴强度的区域更换方法

腐蚀FFS程序的未来

美国和欧洲的规范委员会始终以彼此的经验为基础，因此FFS的未来很可能是从协同作用中吸取的综合经验教训总结而来。在不久的将来，API、BSI和其他标准的认可将增强用户的信心并鼓励更广泛的应用。

目前，API 579和BS 7910是最常用的程序之一。API 579主要用于美国机械工程师协会（ASME）的设备，而在其他设备上的应用需要仔细解释程序。BS 7910可以应用于更广泛的设备类型，因为它是以更通用的方式编写，而无需参考特定行业和特定的设计规范。尽管用户可以相信自己的判断，但BS 7910仍需要一些评估级别的技术专业知识，随着评估级别的增加，保守性也会随之降低。