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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：腐蝕與防護分享至：

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

在石油和天然氣行業，在役壓力設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，因為它可能導致生產損失、意外泄漏、對其他結構的損壞，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備腐蝕失效的嚴重事故，如果能在故障發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）是一種最佳實踐工業標準，用于確定在役設備是否適合繼續使用。有許多眾所周知的FFS方法，如美國石油協會（API）發布的API 579中有用于評估一般金屬損失的單獨程序（第4章）、局部金屬損失（第5章）和點蝕（第6章）；英國標準協會發布的BS 7910為評估結構缺陷提供了指導，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：

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FFS 方法論和API 579

可以通過監控壁厚的減薄程度，來建立腐蝕速率和資產的剩余壽命。這些參數被視為預測和拒收標準的一部分，用于確定腐蝕數據收集期間設備的剩余使用壽命和使用價值。

數據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備對可疑腐蝕減薄區域進行連續掃描的網格布局，記錄每個網格點的厚度分布可供以后分析使用。

圖1 腐蝕減薄區檢查網格

可以通過遵循API 579標準提供的分步指南來估計資產的剩余壽命。圓周和縱向平面所需的最小壁厚可利用以下數學公式計算：

式中：E為焊接效率系數；S為許用應力；P為最大設計壓力；R為壓力容器半徑。

然后將這兩個計算結果與超聲波檢測獲得的平均厚度測量結果進行比較。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來確定的。

或：

謹防結構不連續性

FFS評估程序也有其局限性，因為它們幾乎都是基于簡單直管而沒有考慮不連續性。而實際上，在幾何形狀發生變化的位置（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致徑向位移。

圖2 位于封頭接頭處的不連續處的載荷示意圖

此外，結構不連續性還會帶來額外的挑戰，因為它們沒有通過爆破試驗數據進行充分驗證。建議資產所有者確保責任承包商具有這些幾何結構的有限元分析（FEA）經驗或驗證案例。

結構不連續性問題通常很難用解析方法解決，有時甚至是不可能的。

考慮噴嘴的不連續性

噴嘴的應力分布甚至比其他不連續處的應力分布更為復雜。角部內表面的主應力位于主殼體的軸向平面內，如圖3所示。API 579已調整區域替換規則（即反向設計）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雜應力示意圖

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：區域替換規則

02 焊接研究委員會的方法：WRC 107

03 BS PD5500：彈性應力設計規則

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

圖4 確保足夠的整體噴嘴強度的區域更換方法

腐蝕FFS程序的未來

美國和歐洲的規范委員會始終以彼此的經驗為基礎，因此FFS的未來很可能是從協同作用中吸取的綜合經驗教訓總結而來。在不久的將來，API、BSI和其他標準的認可將增強用戶的信心并鼓勵更廣泛的應用。

目前，API 579和BS 7910是最常用的程序之一。API 579主要用于美國機械工程師協會（ASME）的設備，而在其他設備上的應用需要仔細解釋程序。BS 7910可以應用于更廣泛的設備類型，因為它是以更通用的方式編寫，而無需參考特定行業和特定的設計規范。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專業知識，隨著評估級別的增加，保守性也會隨之降低。