核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的應(yīng)用

張振華

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

0 引言

21世紀(jì)初以來，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)[1]（RBI）技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)，特別是石化行業(yè)得到了應(yīng)用。2006年，國(guó)家質(zhì)檢總局下發(fā)了在中國(guó)石化部分企業(yè)對(duì)壓力容器與管道等承壓設(shè)備進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè) (RBI)試點(diǎn)的通知[2],以承壓設(shè)備為對(duì)象的RBI技術(shù)開始得到了較為廣泛的工程應(yīng)用[3-4]。2007年,就我國(guó)多數(shù)壓力容器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)使用中的失效風(fēng)險(xiǎn)考慮不足，尤其是對(duì)因介質(zhì)環(huán)境影響考慮不足而導(dǎo)致設(shè)備過早失效的問題，有關(guān)專家和學(xué)者提出了開展基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)研究，希望在設(shè)計(jì)早期就能識(shí)別與控制設(shè)備在使用環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn),這一想法也得到國(guó)家科技部、全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)及中國(guó)石化等企業(yè)的支持[5]。

因此，TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)部分壓力容器提出了設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，在其設(shè)計(jì)部分的3.6節(jié)規(guī)定：“對(duì)于第Ⅲ類壓力容器，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)出具包括主要失效模式和風(fēng)險(xiǎn)控制等內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告”[6]。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，是國(guó)際上壓力容器界提出的基于失效模式設(shè)計(jì)理念的產(chǎn)物，是壓力容器設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，也越來越獲得各行業(yè)設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可。

作為核級(jí)承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)人員，在從事相關(guān)核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)的工作中，同樣也意識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)的重要性?？紤]到核級(jí)承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命或者使用壽命一般要遠(yuǎn)高于民用壓力容器，因此通過對(duì)民用壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來判斷，相信風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)也將在核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并起到十分重要的作用。本文闡述了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的一些基本特點(diǎn)和筆者的一些思考，供有關(guān)同行參考。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的產(chǎn)生和目的

通過對(duì)大量的在役生產(chǎn)裝置的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，很多設(shè)備發(fā)生事故或失效都是由于設(shè)計(jì)不合理或者設(shè)計(jì)的環(huán)境要求與壽命全過程中的實(shí)際使用環(huán)境相偏離而導(dǎo)致的。盡管在役設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)控制能夠提高設(shè)備的安全性，但這種方法依然只是被動(dòng)的預(yù)防。如果能在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就預(yù)測(cè)設(shè)備全壽命過程中的失效模式和失效機(jī)理，進(jìn)行基于失效模式的設(shè)計(jì)，事先就做好設(shè)備在使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制，這對(duì)保障設(shè)備的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行將產(chǎn)生重大意義。正因?yàn)槿绱?，設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)被提出來了，并越來越受到重視。

目前，民用壓力容器的設(shè)計(jì)是以GB 150、ASME等國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)而開展的，這些標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定承壓設(shè)備在工藝規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和介質(zhì)條件下，必須滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。然而現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)軟件缺乏壓力容器使用過程中失效機(jī)理與失效模式等數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐，沒有完全考慮壓力容器全壽命過程中動(dòng)態(tài)服役環(huán)境下的各種風(fēng)險(xiǎn)因素。在介質(zhì)危害性問題上往往考慮的是均勻腐蝕引起的減薄問題，而對(duì)于其他因服役環(huán)境引起的失效 （包括失效機(jī)理與失效模式）考慮甚少[7]。這就使得承壓設(shè)備要么由于設(shè)計(jì)不足造成在使用過程中發(fā)生突然失效或過早失效，要么由于選材或者制造工藝的要求過高，造成不必要的浪費(fèi)，缺乏經(jīng)濟(jì)性。

近十年來，國(guó)內(nèi)外在承壓設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)價(jià)與控制技術(shù)方面迅速發(fā)展，這就使得在承壓設(shè)備設(shè)計(jì)制造的早期預(yù)測(cè)全壽命過程中的風(fēng)險(xiǎn)、開展基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì) （RBD）成為可能。

在設(shè)計(jì)階段增加風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，肯定會(huì)增大設(shè)計(jì)難度，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員有更高的要求，同時(shí)也會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，但是從設(shè)備應(yīng)用的安全角度來看，這是完全合理的。

設(shè)計(jì)時(shí)要求的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告內(nèi)容主要包括容器可能的失效模式、風(fēng)險(xiǎn)控制等。設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的包括以下內(nèi)容：①分析壓力容器在使用過程中可能出現(xiàn)的失效，提出規(guī)避失效的方法和措施；②依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)工程的理論，評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)的水平，采取措施來控制風(fēng)險(xiǎn)水平；③告訴容器的用戶，容器可能出現(xiàn)的破壞形式，以及當(dāng)發(fā)生破壞時(shí)應(yīng)該采取的措施，便于用戶制定合適的應(yīng)急預(yù)案；④向壓力容器用戶提供足夠的信息，其最終目的是保證容器的安全使用。

因此，壓力容器的設(shè)計(jì)文件其內(nèi)容較傳統(tǒng)的范圍有了擴(kuò)大，即除了常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算書或應(yīng)力分析報(bào)告、設(shè)計(jì)圖樣、制造技術(shù)條件等外，還增加了“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告”，這是設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段和方法。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用

目前國(guó)際上一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)把設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)分為三個(gè)部分，即危害識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制，其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則都已經(jīng)相當(dāng)完備，可以支撐設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的實(shí)施。

風(fēng)險(xiǎn)控制不僅僅涉及設(shè)備使用中的失效模式，同時(shí)也涉及設(shè)備建造過程中的起吊、運(yùn)輸、安裝、操作、檢驗(yàn)和維修等各個(gè)方面，包括壓力容器使用、維修和改造時(shí)須注意的事項(xiàng)。

我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)目前尚沒有完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的建設(shè)，基于失效模式的設(shè)計(jì)理念剛剛被引入到壓力容器的設(shè)計(jì)中，還沒有條件全面開展完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。目前，我國(guó)的設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是進(jìn)行危害識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)控制，主要的目的是提高設(shè)計(jì)的可靠性。

基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì) （RBD）理念就是承壓設(shè)備設(shè)計(jì)壽命 （預(yù)定的使用壽命）內(nèi)，考慮全壽命過程中動(dòng)態(tài)服役條件下可能出現(xiàn)的各種失效模式及其失效機(jī)理，考慮風(fēng)險(xiǎn)對(duì)設(shè)備安全性與壽命的影響，通過合理選材、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化制造工藝等措施，在設(shè)計(jì)、制造的早期控制和降低承壓設(shè)備在全壽命過程中的風(fēng)險(xiǎn)，并且結(jié)合工藝流程采取其他的有效措施，使其安全服役到預(yù)定的設(shè)計(jì)壽命。

在我國(guó)對(duì)所有的承壓設(shè)備都采用RBD方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，既不現(xiàn)實(shí)，也無可能，但對(duì)影響國(guó)家能源經(jīng)濟(jì)的重要行業(yè) （如石化、電力等企業(yè)）的大型、高參數(shù)、高危險(xiǎn)性重要承壓設(shè)備開展RBD方法研究卻是非常必要的。在這些設(shè)備上應(yīng)用RBD方法，在設(shè)計(jì)、制造階段就按預(yù)定的壽命進(jìn)行事先評(píng)估并控制設(shè)備在使用中的風(fēng)險(xiǎn)，將全過程風(fēng)險(xiǎn)和壽命要求與設(shè)備選材和設(shè)備制造工藝相結(jié)合，考慮設(shè)備系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的保障措施，考慮操作、開停車過程和維修的具體要求，用系統(tǒng)工程學(xué)來保證設(shè)備在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

3 核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的思考

核電是關(guān)系到國(guó)家能源經(jīng)濟(jì)的重要行業(yè)。核電因其存在著潛在的放射性危害，使得對(duì)核承壓設(shè)備的安全性、可靠性和有效性提出了比一般民用壓力容器更高的要求。也就是說，核電更需要考慮其壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的各種失效模式及其失效機(jī)理，從而有針對(duì)性地通過改進(jìn)設(shè)計(jì)來降低各種風(fēng)險(xiǎn)，以確保其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

3.1 核承壓設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)特征

核承壓設(shè)備的工作條件 (如工作壓力、工作溫度、中子輻射、介質(zhì)毒性和爆炸危害程度等)決定了其固有的危險(xiǎn)特性，其危險(xiǎn)程度取決于設(shè)備蘊(yùn)含的能量 (用設(shè)計(jì)壓力P和容積V或PV值表示)和介質(zhì)危害性的釋放 (介質(zhì)特性)。也就是說，核承壓設(shè)備作為危險(xiǎn)源具有其固有的危險(xiǎn)因素和潛在的危險(xiǎn)性?；瘜W(xué)介質(zhì)的毒性、化學(xué)介質(zhì)對(duì)金屬和非金屬材料的腐蝕性、火災(zāi)危險(xiǎn)性、物理性爆炸和化學(xué)性爆炸、噪聲等都是危險(xiǎn)因素[8]。此外，核承壓設(shè)備所特有的中子輻射危害更是需要十分重視和預(yù)防的危險(xiǎn)因素。這些危險(xiǎn)因素都可能引發(fā)人員傷亡、財(cái)物損毀、環(huán)境污染、能源浪費(fèi)等風(fēng)險(xiǎn)事件。

總體來說，核承壓設(shè)備的危險(xiǎn)源的種類主要有毒物釋放 （放射性物質(zhì)歸類為毒物）、火災(zāi)、爆炸、泄漏窒息等四類。

核承壓設(shè)備存在著風(fēng)險(xiǎn)。核承壓設(shè)備的失效形式就是其風(fēng)險(xiǎn)的直接表現(xiàn)。核承壓設(shè)備的失效是由于壓力或其他載荷超過許用極限而喪失正常工作能力導(dǎo)致的。失效必將產(chǎn)生危害，盡管其失效形態(tài)多種多樣。核承壓設(shè)備的失效主要表現(xiàn)為強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和腐蝕失效四種失效形態(tài)，這些失效形態(tài)不僅從承壓設(shè)備的功能和盛裝介質(zhì)的固有危險(xiǎn)性分析有可能出現(xiàn)，人為的或環(huán)境的因素也能增加危險(xiǎn)事件出現(xiàn)的概率。只有危險(xiǎn)成因得到控制，風(fēng)險(xiǎn)才能降低到預(yù)期程度。

3.2 核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段應(yīng)關(guān)注的失效模式

核承壓設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)會(huì)造成一定程度上的危害，降低風(fēng)險(xiǎn)是設(shè)計(jì)階段應(yīng)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。首先應(yīng)基于核承壓設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)分析產(chǎn)生危害的要素和發(fā)生危害的可能性，然后分析產(chǎn)生危害的原因，再者確定消除危害的措施并評(píng)價(jià)措施的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。核承壓設(shè)備在完工后和運(yùn)行期間，由于人員、設(shè)備、材料、方法和環(huán)境等各種因素的影響，也會(huì)產(chǎn)生危害性后果。因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分預(yù)測(cè)并向用戶提供充分的安全保障信息。

核承壓設(shè)備所承受的載荷不同，其失效模式是不同的，主要的失效模式有壁厚減薄、焊縫表面開裂、尺寸變化、機(jī)械損傷等多種。如果說對(duì)一臺(tái)在特定工況條件下的承壓設(shè)備的主要失效模式還可以進(jìn)行理論上的分析判斷的話，那么對(duì)其失效可能性的預(yù)測(cè)則更加困難。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制的措施有許多種，如設(shè)計(jì)上的周密考慮、生產(chǎn)中嚴(yán)格的設(shè)備工藝操作規(guī)程和日常巡檢維護(hù)措施、定期檢驗(yàn)措施等。對(duì)危險(xiǎn)性較高的核承壓設(shè)備而言，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估無疑是十分重要的和完全必要的。這也是貫徹國(guó)家關(guān)于安全、環(huán)保等方面政策的具體舉措。但對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)人員而言，在具體的實(shí)施過程中可能還有許多困難，比如風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告的格式、內(nèi)容、深度等都需在具體的實(shí)施過程中不斷完善。當(dāng)然，這些都可以借鑒民用壓力容器領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)核電領(lǐng)域的特殊要求和工況進(jìn)行調(diào)整。

我國(guó)目前正在制定 《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》標(biāo)準(zhǔn)，擬提出一套比較完整的、合適我國(guó)承壓設(shè)備現(xiàn)狀的損傷模式和識(shí)別方法，其內(nèi)容主要包括承壓設(shè)備主要損傷模式、失效機(jī)理、影響因素、敏感材料、可能發(fā)生失效的設(shè)備或構(gòu)件、檢測(cè)方法等。此套標(biāo)準(zhǔn)的完善，必將有效地促進(jìn)我國(guó)核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估受到了越來越多設(shè)計(jì)者的重視，也漸漸地在各種場(chǎng)合被提及，各核電設(shè)計(jì)院包括國(guó)家核安全局都在關(guān)注此問題。核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)對(duì)提高核電安全，保證設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，都具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。相信在各方不斷地努力下，在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)認(rèn)知的不斷加深下，核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將逐步地引入和實(shí)施，從而提高核承壓設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的能力。

[1] 陳學(xué)東，王冰，楊鐵成，等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè) （RBI）在 中國(guó)石化企業(yè)的實(shí)踐及若干問題討論 [J].壓力容器，2004，21 （8）： 39-45.

[2] 國(guó)家質(zhì)檢總局國(guó)質(zhì)檢特 [2006]198號(hào).關(guān)于開展基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn) （RBI）技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用工作的通知 [S].

[3] 艾志斌，楊鐵成，陳學(xué)東，等.應(yīng)用RBI技術(shù)提高我國(guó)石化裝置承壓設(shè)備安全性保護(hù)的水平 [A].見：第一次全國(guó)工程風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 [C].南京，2006：21-31.

[4] 陳學(xué)東，楊鐵成，艾志斌，等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè) （RBI）在實(shí)踐中若干問題討論 [J].壓力容器，2005，22（7）： 36-44.

[5] 陳學(xué)東，艾志斌，李景辰，等.壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在國(guó)家安全技術(shù)規(guī)范中的采用 [J].壓力容器，2008，25 （12）：1-4.

[6] TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2010.

[7] 陳學(xué)東，艾志斌，楊鐵成，等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè) （RBI）中以剩余壽命為基準(zhǔn)的失效概論評(píng)價(jià)方法 [J].壓力容器，2006，23 （5）： 1-5.

[8] 馬德金.壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的初步研究 [J].廣州化工，2010，38 （8）：247-249.