浅谈内部腐蚀减薄损伤因子定量计算方法

李东阳

(江苏省特种设备安全监督检验研究院， 江苏 南京 210036)

腐蚀减薄是石油化工设备损伤的最主要形式之一。在失效可能性计算中，对所有的承压设备都要计算减薄损伤因子。2016版的API RP 581[1]中介绍了2种失效可能性Pf(t)计算方法，分别是通用失效概率法和双参数威布尔分布法。通用失效概率法适用于承压边界设备，包括压力容器、管道、泵和阀门外壳等承压部件失效可能性Pf(t)的计算。双参数威布尔分布法则适用于压力释放装置和热交换器管束失效可能性Pf(t)的计算[1]。

通用失效概率法失效可能性计算公式Pf(t)=gffDf(t)FMS中，损伤因子Df(t)的计算须分情况采用不同算式。当内部减薄和外部损伤都为局部腐蚀减薄且不会发生在同一部位时，Df(t)=Max[Df,thin,Df,extd]+Df,scc+Df,htha+Df,brit+Df,mfat；当内部减薄和外部损伤都为全面腐蚀减薄且在同一部位时，Df(t)=Df,thin+Df,extd+Df,scc+Df,htha+Df,brit+Df,mfat。这2种情况的计算均涉及到内部减薄损伤因子Df,thin。文中对API RP 581中内部减薄损伤因子定量计算方法进行探讨，各物理量含义参见文献[1]。

1 内部减薄损伤因子Df(t)

按照API RP 581定量计算内部减薄损伤因子时有一个假定，即假设腐蚀速率不随时间变化。而实际情况是，生产工艺介质中腐蚀性介质的含量、流速等都不恒定，由此造成的腐蚀损伤速率是随时间变化的。在没有实现在腐蚀速率与时间之间建立函数关系之前，这个假设只是对实际情况的一个简单化处理。应用API RP 581定量计算内部减薄损伤因子时，为了使计算值更加接近真实值，有必要在确定这个稳定的腐蚀速率值时将设备在服役周期内的运行工艺参数纳入考虑。内部减薄损伤因子定量计算的过程和公式参见API RP 581，此处不再赘述，仅从中整理出计算内部减薄损伤因子所包含的5个部分进行讨论。

1.1 厚度与时间的参数Art

厚度与时间的参数Art的计算分为有无衬里或堆焊层2种情况。对于无衬里和堆焊层的情况，按照式(1)或式(2)进行计算。

(1)

(2)

当有高度准确有效的测厚数据时，可以采用式(2)计算。其中最重要的参数是基体腐蚀速率，当存在多种腐蚀机理时，总腐蚀速率=局部腐蚀速率最大值+全面腐蚀速率总和。实际情况中，当存在多种减薄机理时，不同腐蚀机理之间会有相互促进或者抑制的作用，环烷酸腐蚀和高温硫化物腐蚀就是典型的例子[2-4]。

1.2 腐蚀速率置信度

腐蚀速率置信度是对腐蚀速率准确性的模糊评价，分低置信度、中置信度和高置信度3种状态[5]。腐蚀速率可以由专家确定，也可以由检验测厚数据确定。当腐蚀速率由专家确定时，该腐蚀速率的置信度受工艺数据的准确性影响。例如，操作介质中腐蚀性介质含量、操作温度、操作压力数据的准确性，工艺参数的稳定性都将影响对腐蚀速率的判断。工艺参数越稳定且准确，该腐蚀速率的置信度越高。当腐蚀速率由检验测厚数据确定时，该腐蚀速率的置信度受测厚位置和测厚点数量影响。测厚部位能够均匀覆盖，且测厚点数量越多，该腐蚀速率的置信度越高。

1.3 材料强度比参数SR

材料强度比参数SR计算公式如下。

SR=Max(SR1，SR2)

其中

式中，σs为设计温度下的屈服强度，σb为设计温度下的抗拉强度，S为设计温度下的许用应力，FS为流变应力，p为操作压力，MPa；E为焊接接头系数；t为建造壁厚或测量壁厚，tmin为最小计算壁厚，tc为特殊结构时的最小要求壁厚，D为待计算结构件的内径(例如加氢反应器筒体内径、压力管道管子内径)，mm；α为形状因子(圆柱形取2，球形取4，封头取1.13)。

上述强度比参数SR的计算公式只反映了材料强度与设计压力、设备直径以及壁厚之间的关系。当设计压力、设备直径和壁厚在设计和制造时确定后，是不随设备使用时间变化的。实际上，材料强度可能随时间发生退化，尤其是在高温工况下，材料存在随时间力学性能下降的可能。因此，研究材料强度比参数SR随时间的变化关系可以促进计算更接近真实情况。

1.4 检验次数及检验方法的有效性

检验方法的有效性分为有效性差、一般有效、通常有效和高度有效，多次检验有利于提高检验有效性。在服役周期内，工艺运行参数决定了设备存在的损伤机理，同样的检验方法对于不同损伤机理的有效性不同。

1.5 修正因子

针对在线监测、注入点/混合点以及死角等特殊情况，引入了相应的修正因子。在线监测修正因子由腐蚀减薄损伤机理和在线监测手段确定。针对腐蚀减薄损伤机理，增加在线监测手段能有效监控损伤和修正损伤因子，有利于降低设备风险。例如增加装置中现有采样点的采样分析项目，易于实现且监测有效。

API RP 581中未考虑腐蚀减薄损伤形态对设备损伤失效的影响。实际上不同的腐蚀减薄损伤机理所造成的损伤形态是有不同的，不同的损伤形态产生的应力集中程度也是不同的[6-9]。针对不同损伤形态，检验手段的有效性也并不一样。例如，盐酸腐蚀环境对碳钢表现为全面均匀腐蚀，而对奥氏体不锈钢则表现为点蚀，形成蚀坑，甚至发展为穿透性蚀孔。一般很难确定点蚀的腐蚀速率，而且采用测厚手段也不易发现点蚀[10-11]。硫酸腐蚀大多为均匀腐蚀和点蚀，对碳钢焊缝热影响区腐蚀速率更大，易在焊接接头部位形成沟槽[10]。纵焊缝上形成的长条形腐蚀坑对设备的危害比其他的局部腐蚀凹坑更为严重[6-7]。所以针对GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》腐蚀减薄部分中可能发生点蚀，形成腐蚀沟槽和易腐蚀焊接接头的损伤机理，应更加引起重视。

2 内部减薄损伤因子影响因素

API RP 581中所给的减薄损伤因子定量计算公式比较繁杂，难以理清楚各参数对减薄损伤因子的影响。本文采用对比定量计算结果法分析各因素的影响。

不考虑检验次数及检验方法的有效性和修正因子的影响，减薄损伤因子定量计算主要受腐蚀速率、腐蚀速率置信度、材料强度、设计压力、设备直径和壁厚的影响。其中腐蚀速率、腐蚀速率置信度和材料强度反映的是损伤因素。设计压力、设备直径和壁厚在设计制造时已确定，不随时间改变，反映的是设备因素。

采用挪威船级社的Synergi Plant RBI Onshore 5.4.1软件对规格为Ø88.9 mm×5.6 mm的中压蒸汽管道和规格为Ø273 mm×8 mm的焦炉气管道进行减薄损伤因子定量计算，对影响损伤因子定量计算的3个损伤因素逐一进行探讨。该软件计算方法依据2016版API RP 581设计，管道参数见表1。

表1 管道参数

2.1 腐蚀速率

设置腐蚀速率为高置信度，选取腐蚀速率v分别为0.05 mm/a、 0.2 mm/a和0.8 mm/a进行计算。获得的减薄损伤因子Df，thin随服役时间t的变化曲线见图1。

图1 不同腐蚀速率下减薄损伤因子Df，thin随服役时间t的变化曲线

由图1可知，Df，thin-t曲线先是缓慢增长，然后快速增长。根据减薄损伤因子随时间增长的速率，可将Df，thin-t曲线分成孕育期和快速增长期2部分。孕育期内Df，thin数值和数值的增长都很小，可以认为孕育期内损伤的累积是可接受的。

由图1还可知，腐蚀速率不影响减薄损伤因子的曲线形状。不同腐蚀速率孕育期长度不同，孕育期长短与腐蚀速率成反比。相同腐蚀速率下，2条管道的孕育期大不相等，例如腐蚀速率为0.05 mm/a时中压蒸汽管道孕期约为16 a，而焦炉气管道约为24 a,分析原因是设备因素不同所引起的。

Df，thin-t曲线孕育期损伤因子很小，这说明主导失效的是偶然因素，符合浴盆曲线的偶然失效期。只考虑腐蚀减薄这一种损伤时，浴盆曲线寿命损耗期主要由腐蚀减薄所引起。Df，thin-t曲线与浴盆曲线的偶然失效期和寿命损耗期是相符合的。由于损伤因子的计算未考虑制造质量的问题，所以不存在早期失效期部分。

2.2 腐蚀速率置信度

设置腐蚀速率v=0.2 mm/a，分别计算低置信度、中置信度和高置信度3种腐蚀速率置信度的减薄损伤因子，计算结果见图2。

图2 不同腐蚀速率和置信度对2种管道减薄损伤因子Df，thin的影响

图2a和图2b表明，腐蚀速率置信度影响快速增长区的增长速率，腐蚀速率置信度越低，减薄损伤因子增加速率越大。但腐蚀速率置信度对Df，thin-t曲线孕育期影响很小。

2.3 材料强度

高温且长时间服役运行的设备，材料的强度易发生退化，退化的机理很多，以常见的材料球化为例进行讨论。

根据DL/T 674—1999 《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》[12]和DL/T 787—2001《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》[13]可知，球化级别分为1级-未球化、2级-倾向性球化、3级-轻度球化、4级-中度球化和5级-完全球化。

取上述2个标准中的数据，绘制300 ℃下20钢和450 ℃下15CrMo钢各球化级别与高温短时强度性能的关系曲线，见图3。

图3 不同球化级别状态材料的高温短时强度性能曲线

由图3可以知道，随球化级别的增加，材料的抗拉强度和屈服强度均呈现下降趋势，材料的断面收缩率和延伸率则呈现升高趋势[14-15]。

设置腐蚀速率v=0.2 mm/a，腐蚀速率置信度设为高。应用DL/T 674—1999和DL/T 787—2001中提供的抗拉强度σb和屈服强度σs数据，在Synergi Plant RBI Onshore 5.4.1软件中创建对应的不同球化级别的材料，计算不同球化级别状态下腐蚀损伤因子，见图4。

图4 不同球化级别对减薄损伤因子的影响

由图4可知，2级-倾向性球化对应的FS参数变化明显，20钢下降25%，15CrMo钢下降18%，球化导致的材料力学性能退化严重。但材料强度的降低对减薄损伤因子的影响并不大，Df，thin-t曲线孕育期变化很小。

3 结语

API RP 581—2016未考虑损伤形态对设备损伤失效的影响。应用API RP 581定量计算内部减薄损伤因子时，应当依据GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》将腐蚀减薄部分中可能发生点蚀形成腐蚀沟槽和易腐蚀焊接接头的损伤机理纳入考虑。

内部减薄损伤因子Df，thin随服役时间t的增长曲线存在着缓慢增长的孕育期，孕育期内可认为内部减薄损伤的累积是可接受的。该孕育期的时间可以做为制定下次全面检验的参考时间。

腐蚀速率置信度和材质强度对孕育期影响很小，腐蚀速率与孕育期大小成反比。腐蚀速率是内部减薄损伤因子计算最关键的变量因素之一，腐蚀速率和设备设计制造所确定的设备因素共同决定了Df，thin-t曲线的孕育期大小。