基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)在P X裝置中的應(yīng)用

浦 江 謝 毅 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院

王郁林 任名晨 中石化金陵分公司

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI- Risk-based Inspection）技術(shù)是一種兼得安全性和經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。

PX（對(duì)二甲苯）裝置附屬于芳烴聯(lián)合裝置，芳烴聯(lián)合裝置是化纖工業(yè)的核心原料裝置之一。巨大的經(jīng)濟(jì)效益與安全性問(wèn)題使其成為石化生產(chǎn)的焦點(diǎn)，運(yùn)用RBI技術(shù)確定設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效機(jī)理為依據(jù)制定檢驗(yàn)計(jì)劃和方案，可以降低設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的安全性和可靠性，保障設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，降低維修檢驗(yàn)成本。

某公司委托江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院對(duì)其PX裝置內(nèi)壓力容器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備提出降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的措施并開(kāi)展降險(xiǎn)檢驗(yàn)，將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)，優(yōu)化檢驗(yàn)策略，為PX裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

1 裝置概況

PX裝置全部壓力容器分為歧化、吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯精餾、公用工程5個(gè)單元。共計(jì)114臺(tái)壓力容器，見(jiàn)表1。

表1 壓力容器分布

風(fēng)險(xiǎn)分析周期的起始時(shí)間一般設(shè)為設(shè)備的最近一次檢驗(yàn)?zāi)攴?，結(jié)束時(shí)間為設(shè)備的下次檢驗(yàn)?zāi)攴荨?/p>

該P(yáng) X裝置設(shè)置一套獨(dú)立的緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD)，為故障安全型。該系統(tǒng)可在發(fā)生事故的瞬間自動(dòng)采取措施，保護(hù)裝置設(shè)備不超溫、不超壓，保護(hù)重要機(jī)組不受損壞，避免事故擴(kuò)大，達(dá)到安全運(yùn)行的一種應(yīng)急措施。自投用運(yùn)行以來(lái)工藝狀況基本穩(wěn)定，無(wú)緊急停車(chē)及安全閥起跳記錄，未進(jìn)行過(guò)全面檢驗(yàn)，并按期進(jìn)行了年度檢查，以宏觀檢查為主，檢查結(jié)果合格。所屬安全附件按期校驗(yàn)合格，報(bào)告保存完好。申請(qǐng)?jiān)u估設(shè)備的制造資料、檢驗(yàn)資料、工藝資料均齊全，滿足進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各項(xiàng)基本要求。

2 工藝危害性分析

首先對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行了工藝危害性審查，識(shí)別裝置內(nèi)的高度危害介質(zhì)及其危害種類。

工藝危害性審查參照API 750《工藝安全管理》以及OSHA規(guī)范1910.119《高?；瘜W(xué)品的工藝安全管理》的基本原理和方法，并針對(duì)與裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)對(duì)評(píng)估對(duì)象設(shè)備內(nèi)物流組分的分析，據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA 325規(guī)范的定義典型流體的燃/爆性、毒性和易反應(yīng)性等級(jí)，裝置主要的典型流體見(jiàn)表2：

表2 裝置主要的典型流體

3 損傷機(jī)理分析

該P(yáng)X裝置主要以來(lái)自連續(xù)重整裝置的C8+餾分和芳烴抽提裝置的甲苯、原有芳烴抽提的甲苯、C8芳烴和C9芳烴為原料，生產(chǎn)純度不低于99.70%的對(duì)二甲苯和純度不低于96.0%的鄰二甲苯，同時(shí)副產(chǎn)燃料氣、C6餾分及重芳烴等。其中主要是高溫氫損傷、回火脆化和外部腐蝕。

3.1 高溫氫損傷

高溫氫損傷是由于材料長(zhǎng)期暴露于高溫高壓臨氫環(huán)境中引起的，氫與鋼內(nèi)的碳化物化學(xué)反應(yīng)形成甲烷(CH4)，甲烷無(wú)法通過(guò)鋼擴(kuò)散，壓力增大，形成氣泡或空腔、微裂隙，從而引發(fā)裂紋。本項(xiàng)目中受影響設(shè)備是部分高溫臨氫設(shè)備，選擇高Cr-Mo含量的合金鋼對(duì)于該類型的損傷具有較好的抗性，普遍的選材原則是遵循尼爾森曲線，當(dāng)所處工況落在所選材料對(duì)應(yīng)曲線之下，并離曲線有一定的緩沖溫度區(qū)。即認(rèn)為其選材是合適的，本案涉及該損傷的4臺(tái)設(shè)備牌號(hào)均為SA387Gr.11屬于1.25Cr-0.5Mo級(jí)別，在相對(duì)應(yīng)的溫度、氫分壓下，均遠(yuǎn)低于曲線。另根據(jù)API581中關(guān)于高溫氫損傷敏感性的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：PH2——?dú)浞謮海琈Pa;

T——熱力學(xué)溫度，℃;

t——時(shí)間，h。

帶入?yún)?shù)，計(jì)算敏感性參數(shù)Pv，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 敏感性參數(shù)Pv

根據(jù)Pv值參照API581-2008中相關(guān)原則選取高溫氫損傷敏感性，將其輸入風(fēng)險(xiǎn)分析軟件，可得出相應(yīng)技術(shù)模塊的子損傷系數(shù)，進(jìn)一步分析失效可能性。

3.2 回火脆化

回火脆化是某些鉻鉬鋼長(zhǎng)期暴露在大約343℃至593℃的溫度范圍，材料中的微量元素在晶界的偏析導(dǎo)致其韌性降低，致使夏比沖擊試驗(yàn)所測(cè)的脆性轉(zhuǎn)變溫度的上移。雖然韌性損失在操作溫度下并不明顯，但受回火脆化影響的設(shè)備在開(kāi)車(chē)和停車(chē)過(guò)程中可能容易受到脆性斷裂的影響。本案涉及該機(jī)理的為4臺(tái)鉻鉬鋼設(shè)備（R101、E101、R301、E301）。

使回火脆化的可能性和程度降到最低的最好方法是限制母材和焊材中的錳、硅、磷、錫、銻和砷的元素含量。根據(jù)如下的材料組成來(lái)限制母材的J系數(shù)和焊材的X系數(shù)：

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×104(元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）

X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100(元素質(zhì)量百萬(wàn)分?jǐn)?shù))

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院對(duì)1.25Cr-0.5Mo級(jí)別鋼的J、X系數(shù)普遍要求為J≤180, X≤15，

設(shè)計(jì)方中石化洛陽(yáng)院對(duì)于(Si+Mn)含量要求≤1.2，(Cu+Sn+As)×100≤10。

本次評(píng)估范圍內(nèi)4臺(tái)涉及該機(jī)理的設(shè)備相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 4臺(tái)涉及回火脆化設(shè)備的J、X系數(shù)

由此從材料元素含量來(lái)看，4臺(tái)設(shè)備的選材均符合行業(yè)一般要求。

根據(jù)API 581-2008第二部分第22.6.3節(jié)及 “有焊后熱處理部分的脆性開(kāi)裂損傷因子”計(jì)算回火脆損傷因子，見(jiàn)表5。

表5 回火脆性損傷因子相關(guān)數(shù)據(jù)

表中：Tmin——最低帶壓溫度；

Tref——沖擊試驗(yàn)溫度；

ΔFATT——脆性轉(zhuǎn)變溫度的變化值，根據(jù)保守經(jīng)驗(yàn)公式ΔFATT=0.6×J-20，且不大于66；

δ——設(shè)備主體壁厚；

Df——回火脆性損傷因子。

3.3 外部腐蝕

承壓部件的外部腐蝕主要分為兩類：大氣腐蝕及保溫層下腐蝕。

大氣腐蝕指的是未敷設(shè)保溫層等覆蓋層的金屬在大氣環(huán)境中發(fā)生的腐蝕，碳鋼和低合金鋼腐蝕時(shí)主要表現(xiàn)為均勻減薄或局部減薄；奧氏體不銹鋼腐蝕時(shí)可能發(fā)生表面應(yīng)力腐蝕。其主要影響因素為大氣成分、濕度、溫度。PX裝置均為碳鋼設(shè)備，根據(jù)各設(shè)備的操作條件，并參照API581-2008選取腐蝕速率參考值，并將其鍵入軟件，加權(quán)以若干修正參數(shù)，得出相應(yīng)的損傷因子。

保溫層下腐蝕與外部腐蝕類似，碳鋼和低合金鋼腐蝕時(shí)主要表現(xiàn)為覆蓋層下局部減薄，主要因素有：大氣成分、保溫層質(zhì)量、溫度。如果覆蓋層防護(hù)不嚴(yán)密，覆蓋層的間隙處或破損處容易容易滲水，水可能來(lái)自雨水的泄漏、冷卻水塔的噴淋、蒸汽伴熱管泄漏冷凝等。滲水可導(dǎo)致碳鋼和低合金鋼的腐蝕，多發(fā)生在-12℃～120℃溫度范圍內(nèi)，尤以50℃～93℃區(qū)間最為嚴(yán)重。結(jié)合PX裝置的相關(guān)設(shè)備參數(shù)，參照API581-2008選取腐蝕速率參考值，并將其鍵入軟件，加權(quán)以若干修正參數(shù)，得出相應(yīng)的損傷因子。

4 評(píng)估過(guò)程及風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程主要包括裝置數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)歷、腐蝕回路和物流回路的劃分、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算及排序、檢驗(yàn)策略的制定等。

起作用的損傷主要是腐蝕減薄和外部損傷（保溫層下腐蝕），其中損傷因子大于1的設(shè)備所占比例均不超過(guò)20%。

4臺(tái)高溫臨氫設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高溫臨氫設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)詳細(xì)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，該P(yáng)X裝置中114臺(tái)壓力容器共194個(gè)設(shè)備項(xiàng)的總體風(fēng)險(xiǎn)分布矩陣如圖1所示。本次風(fēng)險(xiǎn)分析的對(duì)象為PX裝置共114臺(tái)壓力容器，194個(gè)設(shè)備項(xiàng)。定量風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明，其中中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備項(xiàng)6個(gè)，占3.09%；中風(fēng)險(xiǎn)153項(xiàng)，占78.87%；低風(fēng)險(xiǎn)35項(xiàng)，占18.4%。所有設(shè)備項(xiàng)失效可能性均不高于2級(jí)，設(shè)備整體風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)因素主要是失效后果。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果和裝置運(yùn)行情況，鑒于本裝置未進(jìn)行過(guò)全面檢驗(yàn)，對(duì)于設(shè)備下次檢驗(yàn)參考原則見(jiàn)表7。

表7 推薦性檢驗(yàn)策略

5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)論

1）由于本案主要介質(zhì)—苯及苯的同系物具有一定的毒性和燃爆性，應(yīng)完善事故應(yīng)急預(yù)案和監(jiān)控措施，嚴(yán)格控制設(shè)備的工藝操作參數(shù)，嚴(yán)禁超溫、超壓和不穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢和運(yùn)行安全管理措施，提高管理水平，避免嚴(yán)重的失效后果。

2）本此評(píng)估前提條件為穩(wěn)定汽油、混芳等裝置原料的總硫、總氮含量不大于1mg/L，總氯不大于2mg/L，一旦以上雜質(zhì)超標(biāo)，不僅會(huì)造成催化劑、吸附劑的中毒，影響轉(zhuǎn)化率，增加原料損失。另一方面還形成新的腐蝕環(huán)境，影響設(shè)備的安全穩(wěn)定使用，如氯化銨腐蝕，濕硫化氫腐蝕環(huán)境的形成等。因此應(yīng)嚴(yán)格控制物料各項(xiàng)雜質(zhì)指標(biāo)不超過(guò)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，杜絕不合格物料進(jìn)入裝置。

3）本案4臺(tái)高溫臨氫Cr-Mo鋼制設(shè)備具有一定的回火脆敏感性，應(yīng)盡量保持開(kāi)停車(chē)期間的帶溫升降壓，設(shè)置合理的最低升壓溫度，在低于該升壓溫度時(shí)，壓力不宜大于設(shè)計(jì)壓力的1/4，一方面可以減少回火脆導(dǎo)致開(kāi)裂的可能，另一方面還可滲出鋼材中的溶解氫，避免氫致開(kāi)裂。

4）根據(jù)定量風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果制定了本案114臺(tái)壓力容器的推薦檢驗(yàn)策略原則，該原則可作為下次檢驗(yàn)時(shí)制訂檢驗(yàn)方案的參考依據(jù)。

1 API 571－2003,Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment in the Re fining Industry

2 API 581－2008,Risk－Based Inspection Technology