基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)在合成氨裝置壓力容器上的應(yīng)用

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(1.中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽 合肥 231600； 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

近年來(lái)，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(Risk-based Inspection，簡(jiǎn)稱RBI )技術(shù)在國(guó)內(nèi)石油、化工等行業(yè)得到了推廣及應(yīng)用，不但降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本和檢修費(fèi)用，而且能夠有效發(fā)現(xiàn)安全隱患，預(yù)防安全事故，確保企業(yè)生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)的很多合成氨裝置都采用了RBI技術(shù)并取得了較好效果[1-4]。因此，某公司于2017年5月委托中國(guó)特檢院對(duì)合成氨裝置進(jìn)行了RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

RBI是以設(shè)備破壞而導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏為分析對(duì)象，以設(shè)備檢驗(yàn)為主要手段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理過(guò)程。它是在科學(xué)分析評(píng)估設(shè)備的潛在損傷機(jī)理、失效模式、失效概率及失效后果等基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，找出主要問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，為制定有針對(duì)性的檢驗(yàn)方案提供參考[5]。

傳統(tǒng)檢驗(yàn)主要從保障容器的安全角度出發(fā)來(lái)確定相應(yīng)的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)周期，檢驗(yàn)的重點(diǎn)不突出。而采用RBI技術(shù)，可以依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果、考慮設(shè)備固有的或潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，制定針對(duì)性的檢驗(yàn)策略，合理分配檢驗(yàn)資源。

1 合成氨裝置概況

某公司合成氨裝置于2013年3月投入使用，生產(chǎn)能力為280 kt/a，日產(chǎn)約1 000 t，基本的生產(chǎn)方法是以煤為原料生產(chǎn)合成氨。原料煤經(jīng)多元料漿氣化工藝制備粗合成氣，粗合成氣經(jīng)耐硫?qū)挏刈儞Q、低溫甲醇洗及液氮洗后，進(jìn)入合成塔合成氨。合成氨裝置主要包括氣化系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)和合成系統(tǒng)，其中氣化系統(tǒng)由料漿制備工段、氣化工段及渣水工段組成；凈化系統(tǒng)由變換工段、脫硫/脫碳工段、液氮洗工段和硫磺回收工段組成;合成系統(tǒng)主要由合成氣壓縮工段、冰機(jī)工段和氨合成工段組成。

2 裝置損傷機(jī)理

合成氨裝置潛在的損傷機(jī)理主要為腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化和機(jī)械損傷。其中,腐蝕減薄主要包括高溫硫化物腐蝕、二氧化碳腐蝕、外部腐蝕及高溫氫腐蝕；環(huán)境開裂主要包括氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、氨應(yīng)力腐蝕開裂；材質(zhì)劣化主要包括回火脆化、再熱裂紋；其他損傷主要包括沖刷、襯里失效等。

2.1 腐蝕減薄

2.1.1 高溫硫化物腐蝕

高溫硫化物腐蝕通常在鐵基合金溫度超過(guò)260 ℃時(shí)發(fā)生，溫度越高，腐蝕越快。一般分為無(wú)氫氣環(huán)境中的高溫硫化物腐蝕和氫氣環(huán)境中的高溫硫化氫腐蝕。裝置中處理含硫物料的高溫設(shè)備易發(fā)生高溫硫化物腐蝕。

2.1.2 二氧化碳腐蝕

二氧化碳和水共存條件下，易對(duì)鋼鐵材料發(fā)生腐蝕，即二氧化碳溶于水形成碳酸(H2CO3)時(shí)會(huì)發(fā)生二氧化碳腐蝕。酸會(huì)降低pH值，足夠的量會(huì)促進(jìn)碳鋼的均勻腐蝕和點(diǎn)蝕。裝置中的鍋爐給水和蒸汽冷凝系統(tǒng)、二氧化碳吸收工段易發(fā)生二氧化碳腐蝕。

2.1.3 外部腐蝕

裸露設(shè)備管道的大氣腐蝕和有保溫材料覆蓋的設(shè)備管道的保溫層下腐蝕(CUI) 統(tǒng)稱為外部腐蝕。裝置中操作溫度為-12～121 ℃，無(wú)保溫層的碳鋼或低合金鋼容器，均可發(fā)生外部腐蝕，特別是漆層脫落部位、操作溫度在常溫附近波動(dòng)的部位及停工或長(zhǎng)期停用的壓力容器，易發(fā)生外部腐蝕。

2.1.4 高溫氫腐蝕

碳鋼或低合金鋼設(shè)備長(zhǎng)期暴露在高溫臨氫環(huán)境下工作，當(dāng)溫度高于204 ℃、氫分壓大于0.51 MPa時(shí)，活性的氫原子會(huì)向金屬基體內(nèi)擴(kuò)散，與金屬表面或內(nèi)部的碳化物反應(yīng)生成微量的甲烷，表現(xiàn)為鋼材表面或內(nèi)部脫碳;微量的甲烷氣體聚集形成很大的內(nèi)應(yīng)力，最終造成鋼材表面鼓包或開裂，削弱金屬材質(zhì)整體強(qiáng)度從而使設(shè)備發(fā)生失效。合成塔及其附近的進(jìn)料/出料換熱器易發(fā)生高溫氫腐蝕(HTHA)。

2.2 環(huán)境開裂

2.2.1 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

氯化物應(yīng)力腐蝕開裂是在拉應(yīng)力與氯離子聯(lián)合作用下形成的一種材料開裂，是應(yīng)力腐蝕開裂的一種形式。一般來(lái)說(shuō)，氯離子濃度越高，越易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。合成氨裝置中的奧氏體不銹鋼設(shè)備易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2.2 氨應(yīng)力腐蝕開裂

一般情況下，碳鋼、低合金鋼在無(wú)水液氨中只發(fā)生輕微的均勻腐蝕，但在充裝、排料及檢修過(guò)程中，氧、二氧化碳和氨反應(yīng)生成的氨基甲酸銨對(duì)碳鋼、低合金鋼有強(qiáng)烈腐蝕作用，加上焊縫處殘余應(yīng)力較高，從而使鋼材表面的鈍化膜產(chǎn)生破裂，造成應(yīng)力腐蝕。裝置中接觸液氨的碳鋼、低合金鋼容器易發(fā)生氨應(yīng)力腐蝕開裂。

2.3 材質(zhì)劣化

2.3.1 回火脆化

裝置中的低合金鋼(如鉻-鉬鋼)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露在343～593 ℃時(shí)，會(huì)使材料金相組織改變而導(dǎo)致材質(zhì)韌性下降，引起韌性—脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，產(chǎn)生回火脆化。在操作溫度下這種脆化并不明顯，但在環(huán)境溫度下就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，并能夠造成材料脆性斷裂。

2.3.2 再熱裂紋

金屬在焊后熱處理或高溫服役期間，高應(yīng)力區(qū)發(fā)生應(yīng)力消除或應(yīng)力松弛，粗晶區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域的晶界滑移量超過(guò)該部位塑性變形能力而發(fā)生開裂。裝置中高強(qiáng)度低合金鋼制造的設(shè)備及厚壁容器的接管焊接接頭等高拘束區(qū)容易產(chǎn)生再熱裂紋。

2.4 其他損傷

2.4.1 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是指固體、液體、氣體及其混合物的運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)在流體與金屬之間產(chǎn)生切應(yīng)力造成的損傷。沖刷腐蝕能剝離金屬表面層，造成表面材料的損耗。裝置中所有暴露在流動(dòng)介質(zhì)環(huán)境下的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生沖刷腐蝕，嚴(yán)重沖刷腐蝕主要發(fā)生在合成氨裝置的進(jìn)料部位、高流速部位等。

2.4.2 襯里失效

襯里和基材熱膨脹系數(shù)差別較大(差值可達(dá)30%甚至更大)，由于焊接后變形不協(xié)調(diào)，可產(chǎn)生局部高應(yīng)力，甚至引發(fā)襯里開裂。因此，裝置中使用襯里的設(shè)備存在襯里失效的可能。

3 RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

該次評(píng)估范圍為合成氨裝置的61臺(tái)壓力容器，其他容器、管道、安全閥不在該次評(píng)估范圍之內(nèi)。評(píng)估范圍內(nèi)設(shè)備類型見表1。評(píng)估采用中國(guó)特檢院自主開發(fā)的石化設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件，首先對(duì)61臺(tái)容器的原始資料(設(shè)計(jì)資料、工藝資料和檢驗(yàn)資料等)進(jìn)行收集、整理及錄入，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；然后將61臺(tái)容器共劃分了101個(gè)評(píng)估單元，根據(jù)裝置的工藝流程劃分了33條物流回路。由于只是對(duì)部分容器進(jìn)行評(píng)估，沒(méi)有劃分腐蝕回路。對(duì)61臺(tái)容器涉及的15種原材料牌號(hào)，選取軟件提供的相應(yīng)材料牌號(hào)進(jìn)行替代；最后參考中國(guó)特檢院提供的腐蝕速率專家數(shù)據(jù)庫(kù)選取腐蝕速率，所有涂層、保溫層狀況均設(shè)定為一般，采用溫和性氣候的腐蝕環(huán)境來(lái)計(jì)算外部腐蝕速率。

表1 評(píng)估范圍內(nèi)的設(shè)備類型

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

根據(jù)某公司的檢修計(jì)劃，選擇2017年5月30日作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)間點(diǎn)，評(píng)估結(jié)果見圖1。

圖1 壓力容器安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

由圖1可見，評(píng)估單元中有5個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，占整個(gè)評(píng)價(jià)單元的比例為4.95%；中高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元有18個(gè)，占整個(gè)評(píng)價(jià)單元的比例為17.82%；中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元55個(gè)，占整個(gè)評(píng)價(jià)單元的比例為54.46%；低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元23個(gè)，占整個(gè)評(píng)價(jià)單元的比例為22.77%。失效可能性等于5的評(píng)估單元有1個(gè)，失效可能性等于4的評(píng)估單元有7個(gè)，其余評(píng)估單元的失效可能性都小于3。

3.2 高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備分布及原因

表2列出了風(fēng)險(xiǎn)居前的5臺(tái)容器，分別為V-2101，E-2101，R-2101，E-2102和E-2103。這幾臺(tái)設(shè)備失效可能性高的原因是涉及的破壞模式較多，如E-2101，R-2101和E-2103都有幾種破壞模式疊加，說(shuō)明這些設(shè)備的腐蝕速率高、應(yīng)力腐蝕敏感性高。失效后果嚴(yán)重的原因是因?yàn)榻橘|(zhì)易燃、易爆、有毒且處于高溫高壓狀態(tài)，設(shè)備一旦破壞后，泄漏速率大，造成影響的面積大。另外，建議這些設(shè)備在年度檢查、日常維護(hù)和監(jiān)控過(guò)程中給予重點(diǎn)關(guān)注。

表2 風(fēng)險(xiǎn)居前的壓力容器單元

4 檢驗(yàn)策略的制訂

RBI評(píng)估是為了指導(dǎo)和優(yōu)化檢驗(yàn)，檢驗(yàn)計(jì)劃和檢驗(yàn)方案的制訂主要依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果、GB/T 26610.2—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第2部分：基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)策略》及GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》。

4.1 檢驗(yàn)范圍的確定

容器的檢驗(yàn)范圍確定原則見表3。建議首次檢驗(yàn)時(shí)按照較高保守程度確定檢驗(yàn)范圍，優(yōu)先抽檢失效可能性大于等于3、材質(zhì)劣化和環(huán)境開裂敏感性較高的、有襯里的及超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的設(shè)備。

表3 容器的檢驗(yàn)范圍

4.2 檢驗(yàn)方法的確定

(1)失效模式為均勻腐蝕、局部腐蝕減薄或外部腐蝕的，檢驗(yàn)方法以宏觀檢查與超聲測(cè)厚為主。宏觀檢查主要包括外觀、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸等檢查；壁厚測(cè)定應(yīng)當(dāng)按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求選有代表性的位置。

(2)失效模式為應(yīng)力腐蝕開裂的，在宏觀檢查和超聲測(cè)厚的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超聲波探傷、聲發(fā)射檢測(cè)。

(3)失效可能性大于3的壓力容器，檢驗(yàn)比例按GB/T 26610.4—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第4部分：失效可能性定量分析方法》中列出的“高度有效”或“中高度有效”選擇;失效可能性小于或等于3的按“中高度有效”或“中度有效”選擇。

4.3 開罐檢驗(yàn)建議

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)合成氨裝置壓力容器是否需要開罐檢驗(yàn)提出如下建議：

(1)在能進(jìn)入內(nèi)部檢驗(yàn)的情況下，高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備一定要開罐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)；低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備一般無(wú)需開罐檢驗(yàn)。中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備失效可能性等級(jí)為1和2的，如果無(wú)內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕開裂或局部腐蝕環(huán)境，一般可不開罐檢驗(yàn)；失效可能性為3的，視設(shè)備具體情況決定是否需要開罐檢驗(yàn)；失效可能性為4或5的，通常應(yīng)安排開罐檢驗(yàn)。

(2)根據(jù)工藝需要，如更換催化劑、工藝變更、設(shè)備改造或操作時(shí)有異常情況的容器，通常應(yīng)開罐檢驗(yàn)；內(nèi)部有特殊介質(zhì)，開罐后反而會(huì)造成腐蝕的設(shè)備可不開罐，但應(yīng)增加對(duì)內(nèi)壁腐蝕環(huán)境有效的檢驗(yàn)手段。

(3)根據(jù)裝置管理人員的經(jīng)驗(yàn)，以及裝置多年的運(yùn)行情況與歷次檢驗(yàn)情況，認(rèn)為有必要的均應(yīng)開罐檢驗(yàn)。對(duì)于首檢設(shè)備，從工藝角度考慮需要開罐的，均應(yīng)進(jìn)行開罐檢驗(yàn)。

5 結(jié)論與建議

(1)該次評(píng)估對(duì)象為合成氨裝置的61臺(tái)壓力容器。所涉及的主要損傷機(jī)理有高溫硫化物腐蝕、二氧化碳腐蝕、外部腐蝕、高溫氫腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、氨應(yīng)力腐蝕開裂、回火脆化、再熱裂紋、沖刷腐蝕及襯里失效。

(2)該次評(píng)估結(jié)果中有5個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，18個(gè)中高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，55個(gè)中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，23個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元。失效可能性為5的評(píng)估單元有1個(gè)，失效可能性為4的評(píng)估單元有7個(gè)，其余評(píng)估單元的失效可能性都小于3。

(3)分析了設(shè)備高風(fēng)險(xiǎn)的原因，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，給出了容器的檢驗(yàn)范圍、檢驗(yàn)方法和開罐檢驗(yàn)建議，為后期的定期檢驗(yàn)提供參考。

(4)建議定期檢驗(yàn)實(shí)施后，將檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與該次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，實(shí)施再評(píng)估，進(jìn)一步掌握設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)情況。另外，公司應(yīng)做好日常巡檢，并制訂好突發(fā)事故的應(yīng)急預(yù)案與搶險(xiǎn)措施，降低設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。