電站鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險評估方法研究*

李正剛，石端偉*，廖冬梅，李茂東

（1.武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.廣州市特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510100）

0 引 言

近年來，隨著高參數(shù)、大容量的大型火電機組及設(shè)備迅速發(fā)展，電站設(shè)備的安全可靠性越來越重要。目前，影響火電機組可靠性的主要原因集中反映在鍋爐設(shè)備上，電站鍋爐運行的可靠性直接影響到電廠的經(jīng)濟性和安全性。鍋爐的主要承壓部件是鍋爐受熱面管，包括過熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管等部件，長期在高溫高壓、煙氣飛灰等十分惡劣的使用環(huán)境介質(zhì)中運行，服役過程中會發(fā)生蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等一系列的老化損傷失效，由此可能出現(xiàn)嚴(yán)重的受熱面管爆漏事故。我國大型火電站鍋爐四管爆漏引起的停爐占機組非計劃停用時間約40%，占鍋爐設(shè)備非計劃停用時間約70%［1］。電站鍋爐受熱面爆漏失效是造成非計劃停運的主要原因，對機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行威脅極大。而且隨著老機組服役時間的增加及新增大型機組投產(chǎn)和參數(shù)的提高，這類事故還有逐年上升的趨勢。如能對電站鍋爐受熱面管損傷失效早分析、早判斷，并進行有效的預(yù)測與控制，對其存在的隱患進行分析，有針對性地防患于未然，將對合理安排檢修策略、縮短檢修時間、降低臨檢率及減少檢修費用具有重要意義。

基于風(fēng)險的檢驗與維修技術(shù)正是一項研究如何使設(shè)備運行更安全、更可靠、設(shè)備維修成本更低的新技術(shù)。在我國火力發(fā)電領(lǐng)域，基于風(fēng)險的檢驗與維修目前正處于起步階段，國內(nèi)學(xué)者和研究機構(gòu)對風(fēng)險檢驗方法及其在電站設(shè)備中的應(yīng)用研究越來越關(guān)注［2］。本研究將從現(xiàn)行電站鍋爐受熱面檢驗標(biāo)準(zhǔn)入手分析其存在的主要問題，探討電站鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險評估方法及過程，重點分析并確定風(fēng)險矩陣評估中概率與后果嚴(yán)重程度的量化，從而實現(xiàn)對鍋爐受熱面管損傷的風(fēng)險評估。

1 鍋爐受熱面管損傷與風(fēng)險評估

1.1 電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗依據(jù)及存在問題

現(xiàn)行的電站鍋爐受熱面管檢驗與判別標(biāo)準(zhǔn)有DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DLT 939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術(shù)導(dǎo)則》和DL 647-2004《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》等，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，對鍋爐受熱面管的檢驗與判別主要存在如下問題：

（1）所有檢驗與判別標(biāo)準(zhǔn)都是定性評判，這些標(biāo)準(zhǔn)僅從鍋爐受熱面管檢驗出發(fā)，從不同方面定性評判部件損傷失效與否，給出了“是”與“非”、“好”與“壞”的限值或門檻值；例如：合金鋼管外徑蠕變變形大于2.5%，碳素鋼管外徑蠕變變形大于3.5%，或腐蝕點深度大于壁厚的30%時，應(yīng)及時更換。

（2）對于“檢驗結(jié)果未達到判廢標(biāo)準(zhǔn)的損傷，但存在爆漏失效可能”的潛在危險及危害一律接受，處理方法單一，盲目性較大；例如，當(dāng)管子的腐蝕點坑深小于原壁厚的30%而大于原壁厚的20%的潛在危險性如何評判和控制，無據(jù)可查。

（3）在鍋爐受熱面管實際檢修和運行過程中，對于“未達到判廢標(biāo)準(zhǔn)的損傷，但卻存在失效可能”的潛在危險實際是允許存在的，由于研究者未進行量化分析，其潛在風(fēng)險的大小也就不能被準(zhǔn)確掌握，對這些潛在危險的控制與處理就存在盲目性。

對于這部分未達到判廢標(biāo)準(zhǔn)但仍繼續(xù)使用的管子而言，的確存在很大的潛在風(fēng)險，繼續(xù)使用時如何對這些潛在的危險進行評估，進而經(jīng)濟、合理地預(yù)防和處理就顯得尤為重要。針對上述問題，對鍋爐受熱面管損傷，通過采用風(fēng)險評估方法對潛在的危險進行分析、評估、控制等，即分析損傷后鍋爐受熱面管發(fā)生失效的概率大小和后果嚴(yán)重程度，那么就可以根據(jù)風(fēng)險值，結(jié)合具體情況做出科學(xué)的決策，有計劃、有針對性、及時合理地進行預(yù)防和處理［3］。

1.2 風(fēng)險評估方法及應(yīng)用

風(fēng)險評估是對待評估系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生事故和危害的危險性進行定性和定量分析，評價系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生危險的可能性和后果嚴(yán)重程度，以尋求最小的事故發(fā)生率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益為目的，又稱為危險評價［4-5］。風(fēng)險評估是對危險的可能性和后果嚴(yán)重程度進行定性以及定量的分析，然后綜合確定出風(fēng)險的程度和風(fēng)險分布，并在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)的檢驗策略，對高風(fēng)險設(shè)備進行重點檢驗，可以達到在保證設(shè)備安全運行的基礎(chǔ)上顯著降低檢驗成本的目的，它是電站設(shè)備維修決策中的一個重要環(huán)節(jié)［6］。

風(fēng)險管理科學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運行檢修中的應(yīng)用最早起源于核工業(yè)，研究人員為了確定檢修的優(yōu)先次序，并做出基于風(fēng)險的決策，由此發(fā)展了概率風(fēng)險分析技術(shù)。挪威船級社在海洋石油平臺上采用了基于風(fēng)險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）技術(shù)，美國自1995年開始了基于風(fēng)險的檢測在石化裝置檢驗中的研究，并在2000年發(fā)布了API 580（基于風(fēng)險的檢驗）和API 581（基于風(fēng)險的檢驗的資源文件）兩個推薦標(biāo)準(zhǔn)［7-8］。2006年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了《關(guān)于開展基于風(fēng)險的檢驗（RBI）技術(shù)試點應(yīng)用工作的通知》，明確了基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)是在特種設(shè)備安全性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的一種優(yōu)化檢驗方案的方法，并于特種設(shè)備檢驗檢測領(lǐng)域試點［9］。

風(fēng)險評估技術(shù)方法一般可以分為以下3類：

（1）定性分析。定性分析一般只是被用來作為風(fēng)險的顯示，而不是對風(fēng)險進行評估。由于定性分析所需資料較少，其區(qū)別能力就非常有限，但它可以用于對設(shè)備迅速按重點進行排序，以便于作進一步的風(fēng)險分析。研究者一般采用專家打分方法、故障樹方法。

（2）半定量分析。半定量分析是介于定性和定量之間的一種分析方法，研究者采用比較簡化的假設(shè)，方法比較簡單，需要的資料較定性分析要多。主要是以風(fēng)險指數(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)險評價方法。

（3）定量分析。定量分析需要提供比較詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括工藝流程數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)計資料、歷年維（檢）修記錄、工藝介質(zhì)分析數(shù)據(jù)、失效分析記錄等。然后在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)理論方法進行分析。定量分析是制定詳細(xì)檢驗計劃的基礎(chǔ)，主要是概率風(fēng)險評價。

本研究以風(fēng)險理論為基礎(chǔ)，風(fēng)險是用事故可能性與損傷的程度來表達的經(jīng)濟損失與人員傷害的度量。這可以表明：①發(fā)生事故的概率，它是用來預(yù)測生產(chǎn)過程中某部件、設(shè)備等可能發(fā)生什么事故及其發(fā)生事故的可能性有多大；②生產(chǎn)過程中發(fā)生事故可能造成設(shè)備財產(chǎn)損失和人員安全損害的程度，即事故后果；③生產(chǎn)過程中發(fā)生事故的概率與事故后果，即生產(chǎn)系統(tǒng)的事故風(fēng)險。

風(fēng)險可用下式表示：

式中：R—系統(tǒng)事故風(fēng)險，F(xiàn)—系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性（概率），C—系統(tǒng)發(fā)生事故的嚴(yán)重程度（后果）。

傳統(tǒng)的鍋爐受熱面管檢測技術(shù)與判廢標(biāo)準(zhǔn)往往是定期大范圍的普查。在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，研究者對影響鍋爐受熱面管風(fēng)險的各種因素做定量化評估，對鍋爐受熱面管的風(fēng)險等級做出判斷，并根據(jù)設(shè)備的風(fēng)險等級確定要重點關(guān)注的部件，優(yōu)先對重要設(shè)備和部件進行檢驗，做到既減少檢修成本，又可以降低系統(tǒng)的整體風(fēng)險水平。目前國際上采用基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)對在役設(shè)備進行維護和檢驗已成為發(fā)展方向［10-13］。

2 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險評估過程

對鍋爐受熱面管損傷進行風(fēng)險評估，就是考慮鍋爐受熱面管在高溫、高壓的環(huán)境中氧化、腐蝕、減薄以及組織性能變化的不確定性，因而需要對其存在的風(fēng)險進行概率和后果嚴(yán)重程度分析，進而評價鍋爐受熱面的安全狀況，為安全運行、合理檢修提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

鍋爐受熱面管的風(fēng)險評估的基本過程包括：資料收集、現(xiàn)場檢驗、損傷特征識別、對危險發(fā)生頻率的評估、對危險產(chǎn)生后果的評估和風(fēng)險評估等過程，示意圖如圖1所示。

風(fēng)險矩陣是將風(fēng)險發(fā)生概率與后果影響程度這兩個量綱綜合考慮的一種常用方法。該方法通過將風(fēng)險發(fā)生概率與后果影響程度以矩陣的形式表示，并以此為依據(jù)評定項目的風(fēng)險等級，如極低、低、中、高、極高等風(fēng)險級別。

圖1 鍋爐受熱面管風(fēng)險評估的基本過程

以下介紹鍋爐受熱面管風(fēng)險矩陣評估過程中的概率分析、后果嚴(yán)重程度分析和損傷風(fēng)險矩陣評估。

2.1 概率分析

概率分析就是要確定鍋爐受熱面管因出現(xiàn)各種損傷后發(fā)生失效的概率。在風(fēng)險矩陣中，風(fēng)險發(fā)生概率標(biāo)度（F）取值范圍在0～1之間，既可以采用序數(shù)標(biāo)度，如從可能性極低到幾乎確定無疑的相對概率值來表示的風(fēng)險發(fā)生概率標(biāo)度，也可以采用普通標(biāo)度，如0.1、0.3、0.5等，為具體的風(fēng)險發(fā)生概率賦值。

對各指標(biāo)的標(biāo)度確定遵循兩個原則：①風(fēng)險評估結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)評判結(jié)果一致，即按照風(fēng)險矩陣評估后的判廢等級應(yīng)該與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的定性評判的結(jié)果一致；②比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)致合理，即用風(fēng)險評估方法對鍋爐受熱面管損傷潛在危險分析，有針對性、有目的性地加以預(yù)控，相對經(jīng)濟合理地防患于未然。鍋爐受熱面管風(fēng)險發(fā)生概率標(biāo)度如表1所示。

2.2 后果嚴(yán)重程度分析

后果嚴(yán)重程度分析就是分析鍋爐受熱面管因為出現(xiàn)各種損傷后在高溫、高壓環(huán)境的作用下可能導(dǎo)致的各種事故后果及損失。后果嚴(yán)重程度取值范圍也是在0～1之間，取值為0表示風(fēng)險損失較小，取值為1表示風(fēng)險損失大。風(fēng)險影響標(biāo)度可反映某項風(fēng)險發(fā)生后所造成的后果嚴(yán)重程度，風(fēng)險影響標(biāo)度（衡量后果嚴(yán)重程度的水平）可以用相對比例來描述，如“很低”、“低”、“中等”、“高”、“很高”，同時也可以采用數(shù)字比例為風(fēng)險影響標(biāo)度來賦值。這些數(shù)值可以是線性值，例如，0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，或非線性值，例如，0.05、0.1、0.2、0.4、0.8，非線性值反映了回避高影響風(fēng)險的愿望。

后果嚴(yán)重程度數(shù)字比例可以根據(jù)項目具體需要自行選擇其可能產(chǎn)生的后果（C）。本研究參考國家電網(wǎng)安監(jiān)［2005］145號《國家電網(wǎng)公司電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》、國電發(fā)［2000］643號《電業(yè)生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》等相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，電力行業(yè)事故（障礙）劃分方式如下：電力行業(yè)事故大致分為人身事故、電網(wǎng)事故和設(shè)備事故3類。設(shè)備事故的等級劃分如下：特大設(shè)備事故、重大設(shè)備事故、一般設(shè)備事故、設(shè)備一類障礙、設(shè)備二類障礙［14］。對于電站鍋爐這樣發(fā)電機組主設(shè)備，受熱面管發(fā)生爆漏失效往往造成主設(shè)備被迫停運和非計劃檢修等一般設(shè)備事故。例如，當(dāng)鍋爐受熱面管檢查發(fā)現(xiàn)一處損傷，其風(fēng)險發(fā)生概率很高（F=0.8），造成的事故后果嚴(yán)重程度通常為一般設(shè)備事故（C=0.4），按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)需要更換處理，風(fēng)險評估的結(jié)果應(yīng)該與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的定性評判結(jié)果一致，為高度危險，立即換管。

表1 鍋爐受熱面管風(fēng)險發(fā)生概率標(biāo)度分級

由此，本研究可以得到鍋爐受熱面管的事故后果嚴(yán)重程度分級，分級表如表2所示。

表2 鍋爐受熱面管事故后果嚴(yán)重程度分級表

3 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險評估的方法

根據(jù)鍋爐受熱面檢查項目的具體情況及檢查結(jié)果，本研究首先估算出每項風(fēng)險發(fā)生概率和后果嚴(yán)重程度，然后將兩者相乘，得到一個風(fēng)險值。然后采用風(fēng)險概率影響程度矩陣的形式，對每項風(fēng)險的等級進行評定，最終得出每項風(fēng)險的重要性及其緊迫程度。

一個典型的概率影響風(fēng)險矩陣如圖2所示，黑色區(qū)域表示風(fēng)險值較大，陰影區(qū)域表示風(fēng)險值較?。?5］；風(fēng)險值介于兩者之間的灰色、白色區(qū)域表示中等風(fēng)險。風(fēng)險值可以為設(shè)備運行和檢修人員提供指導(dǎo)，如果風(fēng)險發(fā)生概率較高，且會產(chǎn)生不利影響程度，即處于風(fēng)險概率影響程度矩陣的灰色區(qū)域，則需要積極地對其采取風(fēng)險應(yīng)對措施；對于處于低風(fēng)險區(qū)域的風(fēng)險事件，則只需對其進行觀察，并準(zhǔn)備應(yīng)急儲備，而無須采取積極的措施。

圖2 風(fēng)險矩陣

風(fēng)險等級是依據(jù)表2中后果嚴(yán)重程度分級并結(jié)合鍋爐管損傷概率和實際情況來定義的，鍋爐受熱面管損傷經(jīng)過風(fēng)險評估后，各種損傷情況按風(fēng)險高低排序，研究者在監(jiān)督、運行和檢修中就可以區(qū)別對待，突出重點，根據(jù)風(fēng)險評估等級，采取不同預(yù)控措施，具體措施如表3所示。

表3 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險等級表

4 結(jié)束語

本研究將風(fēng)險評估應(yīng)用于電站鍋爐受熱面管損傷評估中，提出并討論了電站鍋爐受熱面管損傷狀態(tài)風(fēng)險評估基本方法和基本過程，分析了電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗標(biāo)準(zhǔn)存在問題，提出了電站鍋爐受熱面管風(fēng)險評估的必要性和可行性。通過用風(fēng)險評估方法對電站鍋爐受熱面管損傷潛在危險進行分析、評估、控制，可以根據(jù)具體情況做出科學(xué)的決策，有計劃、有針對性、經(jīng)濟合理地進行預(yù)防和處理；結(jié)合電站鍋爐受熱面檢驗標(biāo)準(zhǔn)，討論并確定了風(fēng)險矩陣評估過程中概率標(biāo)度和后果嚴(yán)重程度的賦值及量化取值范圍；利用鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險評估方法，科學(xué)地反映了鍋爐受熱面損傷的風(fēng)險等級，制定了不同預(yù)控措施，并為電站設(shè)備狀態(tài)維修決策提供了依據(jù)。

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