超設(shè)計使用年限設(shè)備的風(fēng)險控制

陳高俊，余王偉，鐘 杰，錢俊鋒，王芳芳

(1.合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗站有限公司，安徽合肥 230031； 2.中國石化燕山分公司，北京 102500)

0 引言

近年來，部分超設(shè)計使用年限設(shè)備[1]由于風(fēng)險控制措施不完善，造成了設(shè)備失效事故。本文以某石化企業(yè)超設(shè)計年限設(shè)備為例，通過半定量的風(fēng)險評估方式[2]，對設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險識別，構(gòu)建區(qū)別管理模式，同時通過開展基于檢驗的風(fēng)險隱患排查，有效控制設(shè)備風(fēng)險水平。

1 超設(shè)計使用年限設(shè)備的風(fēng)險管理

依據(jù)故障曲線理論，超設(shè)計年限設(shè)備大多數(shù)已經(jīng)進(jìn)入了耗損故障周期，不同于偶發(fā)故障周期的設(shè)備，該周期內(nèi)的部分設(shè)備具有著較高的故障風(fēng)險。設(shè)備使用單位可以引入半定量法風(fēng)險評估技術(shù)(如圖1所示)，進(jìn)行風(fēng)險識別和風(fēng)險管控。風(fēng)險評估技術(shù)是從失效概率和失效后果方面，量化了各項評估因子，以各因子綜合評估結(jié)果形成的風(fēng)險矩陣來代表設(shè)備風(fēng)險水平。失效后果是區(qū)分設(shè)備在裝置中的重要程度。失效概率是設(shè)備、管理等多種因素綜合的結(jié)果。企業(yè)可根據(jù)自身需求，調(diào)整設(shè)備評估體系中的評估因子量化值，構(gòu)建滿足自身需求的設(shè)備風(fēng)險管理制度。根據(jù)風(fēng)險識別結(jié)果劃分風(fēng)險區(qū)域，同時通過設(shè)置風(fēng)險控制線來確定不同風(fēng)險設(shè)備的管控措施，對風(fēng)險控制線上方區(qū)域的設(shè)備應(yīng)采取有效措施降低風(fēng)險。

圖1 超設(shè)計使用年限設(shè)備的風(fēng)險評估系統(tǒng)

2 超設(shè)計使用年限設(shè)備隱患排查及風(fēng)險控制

超設(shè)計使用年限設(shè)備的隱患排查(如圖2所示)是依據(jù)設(shè)備失效概率評估要求而設(shè)置的。以隱患排查及風(fēng)險控制為核心，對影響設(shè)備使用安全的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行評估。本文重點從設(shè)備檢驗及損傷傾向[3]方面，對超設(shè)計年限使用的設(shè)備進(jìn)行隱患排查。

圖2 超設(shè)計使用年限設(shè)備的風(fēng)險隱患排查

2.1 超設(shè)計使用年限設(shè)備檢驗項目

超設(shè)計年限服役的設(shè)備本體及其設(shè)備組成件、儀表及安全附件等設(shè)施的可靠性隨著服役時間增長而降低，導(dǎo)致設(shè)備事故的發(fā)生。超設(shè)計使用年限設(shè)備以隱患排查及風(fēng)險控制為目標(biāo)的檢驗，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行本體焊口、設(shè)備母材、設(shè)備組裝焊口、法蘭密封面、螺栓支吊架、組成件等進(jìn)行符合性驗證。即檢驗應(yīng)涵蓋設(shè)備在制造、安裝等各個環(huán)節(jié)所進(jìn)行的符合性驗證。另外，上次檢驗中所檢測的合格部位，在檢驗周期內(nèi)出現(xiàn)新增缺陷的概率較低，安全可靠性較高。因此超設(shè)計使用年限的設(shè)備應(yīng)重點關(guān)注前次檢驗未抽查部位。依據(jù)圖1中的風(fēng)險評估等級，制訂了不同的抽查的評估項目，如表1所示。

表1 檢驗評估項目及風(fēng)險等級劃分

對超設(shè)計年限服役的設(shè)備進(jìn)行檢驗時，結(jié)合其設(shè)計安裝資料及當(dāng)前使用狀況，推斷出設(shè)備所面臨的主要損傷傾向。根據(jù)損傷傾向，選取具有代表性的檢驗部位進(jìn)行抽查，且與上次檢驗部位重合率不大于30%。大型容器的檢驗部位應(yīng)包含設(shè)備的上中下不同區(qū)域(即介質(zhì)不同狀態(tài)的部位)；抽查一定比例的母材質(zhì)量時，對容器抽查的鋼板應(yīng)在距離焊縫一定距離抽查不少于500 mm×500 mm的區(qū)域；對管道主體是對直管段的抽查，應(yīng)在直管一端抽查不少于500 mm。設(shè)備組成件和儀表及安全附件的檢驗，主體是對其進(jìn)行功能驗證(即其功能能滿足設(shè)備使用要求)，必要時對其進(jìn)行無損檢測，條件允許的應(yīng)對其電儀系統(tǒng)進(jìn)行SIL評估。

2.2 依托檢驗的隱患排查及風(fēng)險控制

基于上述研究，對某催化裝置[4-5]超設(shè)計使用年限的設(shè)備(90臺容器和420條管道)開展了依托于檢驗的隱患排查及風(fēng)險控制。發(fā)現(xiàn)各類隱患200余處，其中設(shè)備本體類隱患占46%，設(shè)備組成件類隱患占47.9%，儀表及其安全附件類隱患占6.1%。對這些隱患進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，約有30%的設(shè)備及其組成件存在腐蝕問題，其中部分設(shè)備存在嚴(yán)重的腐蝕減薄類隱患；約1%的設(shè)備存在不滿足最新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求；大約5%的設(shè)備存在裂紋隱患；約5%的設(shè)備存在其他問題，比如壓力表損壞、閥門操作不靈便、隔熱襯里損傷等。

2.2.1 不符合設(shè)計要求類問題隱患排查及風(fēng)險控制

對超設(shè)計使用年限的設(shè)備應(yīng)關(guān)注其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、使用條件等方面是否滿足最新的標(biāo)準(zhǔn)要求。例如本次隱患排查中存在法蘭尺寸與管道尺寸不匹配的強(qiáng)行組焊(如圖3所示)；碳鋼管道(20G)的使用溫度達(dá)到600 ℃；十字焊口或T字焊口上開孔等問題。對于此類的不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)項風(fēng)險控制，應(yīng)加強(qiáng)壁厚和焊口的質(zhì)量檢測，必要時應(yīng)做應(yīng)力分析。對于較弱風(fēng)險抵抗能力類問題(圖3)，應(yīng)進(jìn)行更換處理，從而降低系統(tǒng)風(fēng)險。對設(shè)備質(zhì)量及使用無影響類問題，可以不計入風(fēng)險控制措施中。其他類的應(yīng)參照腐蝕、裂紋等類問題要求進(jìn)行處理。

圖3 法蘭焊口強(qiáng)行組焊

2.2.2 腐蝕類問題隱患排查及風(fēng)險控制

近年來,由于原料油組分發(fā)生變化，使得煉油各流程中的P、S、污垢等有害組分超標(biāo)，導(dǎo)致介質(zhì)中腐蝕性成分超出設(shè)備原定的設(shè)計數(shù)值，使得整個系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的損傷,例如高溫硫化物腐蝕、磷酸腐蝕、沖刷、高溫氫損傷等?；趽p傷傾向識別及現(xiàn)場抽查結(jié)果，應(yīng)對提高對重點區(qū)域抽查比例。例如本次隱患排查中，對存在較嚴(yán)重的腐蝕減薄的分餾塔后冷卻區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域設(shè)備增加了抽查比例。發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕減薄多數(shù)都是沖刷加上介質(zhì)腐蝕性增強(qiáng)原因造成的。而部分容器設(shè)備不僅存在全面減薄，同時具有明顯的嚴(yán)重局部腐蝕減薄，特別是容器的底部。污泥長期在設(shè)備底部不流動區(qū)域聚集，加上本身介質(zhì)腐蝕性成分超標(biāo)，使得設(shè)備底部形成了垢下腐蝕環(huán)境。其中8臺浮頭式換熱器由于污垢在外浮頭處聚集(如圖4 所示)，使得外浮頭的壁厚減薄最高達(dá)規(guī)格壁厚的50%。因此對高齡設(shè)備進(jìn)行壁厚抽查時，一定兼具工藝的變化，選擇代表性區(qū)域(由于介質(zhì)成分不同，其腐蝕機(jī)理也不同，也會在設(shè)備頂部出現(xiàn)腐蝕減薄，例如濕H2S、HCl等腐蝕機(jī)理)，對介質(zhì)流動的死區(qū)務(wù)必做到抽查，例如集液包、液位計接管等區(qū)域。

圖4 外浮頭垢下腐蝕減薄

對于腐蝕量在腐蝕裕量內(nèi)的設(shè)備，可在不降低使用周期的條件下降低安全等級，同時標(biāo)注腐蝕區(qū)域方便下個周期進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。對于較嚴(yán)重的腐蝕優(yōu)先考慮修補(bǔ)。對于不滿足使用要求或不能修補(bǔ)的設(shè)備應(yīng)停止使用，同時根據(jù)腐蝕機(jī)理考慮是否需要對新設(shè)備在工藝、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化。做好對此類風(fēng)險的防控，可顯著降低設(shè)備的風(fēng)險水平。

2.2.3 裂紋類問題隱患排查及風(fēng)險控制

裂紋類問題主要集中在設(shè)備小接管內(nèi)壁焊口裂紋、設(shè)備主焊縫上的裂紋以及設(shè)備的母材裂紋。對裂紋類隱患的風(fēng)險控制，主要是及時進(jìn)行以可靠性為中心的維修(RCM)；對不具備返修條件的裂紋，在臨時使用的條件下，可經(jīng)過適應(yīng)性評估(FFS)合格后監(jiān)控使用，待具備返修條件，應(yīng)及時進(jìn)行返修或者更換相應(yīng)部件和設(shè)備。

早期I、II類設(shè)備的接管焊縫普遍未打坡口，直接內(nèi)外蓋面焊，使得接管焊縫中心存在未焊透。該未焊透空隙區(qū)使得接管角焊縫的應(yīng)力水平提高(碳鋼與空氣的膨脹系數(shù)不同，會提高應(yīng)力水平)，加上介質(zhì)的誘導(dǎo)，導(dǎo)致裂紋生成概率較高。本次檢驗過程中發(fā)現(xiàn)各類裂紋30余條，其中近60%的裂紋為內(nèi)壁角焊縫裂紋(如圖5所示)。因此加強(qiáng)超設(shè)計使用年限的設(shè)備的小接管焊口隱患排查，可顯著降低設(shè)備的失效風(fēng)險。

圖5 設(shè)備內(nèi)壁接管角焊縫裂紋

除上述接管裂紋外，也應(yīng)加強(qiáng)超設(shè)計使用年限設(shè)備對接焊縫的隱患排查。對接焊縫可能存在坡口未清理干凈、焊接條件環(huán)境不達(dá)標(biāo)等情況，使得焊口存在埋藏缺陷，這些埋藏缺陷在時間和應(yīng)力共同作用下，有一定概率形成較大安全隱患的冷裂紋，圖6所示為穩(wěn)定塔封頭拼縫上一條由埋藏缺陷引起的長20 mm、深10 mm的冷裂紋。因此超設(shè)計使用年限的設(shè)備焊縫的超聲抽查和磁粉抽查，可有效排查部分安全隱患。

圖6 穩(wěn)定塔封頭拼縫冷裂紋(未開口)

此外本次檢驗過程中發(fā)現(xiàn)一臺煙氣冷卻器上封頭存在12處橫穿焊縫的冷裂紋(如圖7所示)，其中部分裂紋延伸至法蘭頸，部分裂紋最深達(dá)15 mm，長度最長達(dá)100 mm。打開上封頭發(fā)現(xiàn)該部位內(nèi)襯破損，使得高溫氣竄入，焊縫和母材中原始缺陷在熱沖擊的作用下形成了裂紋，并且多次的開停車加速了裂紋的擴(kuò)張，也可能存在高溫氫損傷[6-7]，加速裂紋的擴(kuò)張。前2次定期檢驗時均未抽查該部位，且前2次抽查部位基本相同，未能及時排除隱患，最終導(dǎo)致該設(shè)備上封頭不能修復(fù)而整體更換。對超設(shè)計使用年限設(shè)備進(jìn)行隱患排查時，應(yīng)保證與前次抽查重合率應(yīng)不大于30%，盡可能排查未檢區(qū)域的質(zhì)量，從而使設(shè)備使用安全。

圖7 煙氣冷卻器上封頭冷裂紋

考慮超設(shè)計使用年限設(shè)備面臨的環(huán)境損傷因素外，也應(yīng)關(guān)注其時間效應(yīng)對設(shè)備安全的影響。由于粗晶碳鋼及C-0.5Mo 等低合金鋼存在應(yīng)變時效(應(yīng)變老化)，使得設(shè)備母材本身制造缺陷更容易誘變成裂紋。因此對超設(shè)計使用年限的設(shè)備應(yīng)考慮增加母材質(zhì)量的抽查。本次在容器和管道的母材上均發(fā)現(xiàn)了因設(shè)備母材上原始制造缺陷引起的裂紋(如圖8所示)。開停車期間壓力和溫度的突變會導(dǎo)致設(shè)備的應(yīng)力水平激變，原始制造缺陷被誘變成裂紋，部分設(shè)備的裂紋生成源于開停車期間。因此基于風(fēng)險控制，應(yīng)對關(guān)鍵的超設(shè)計使用年限設(shè)備提高母材和焊縫的抽查比例，同時嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備開停車的程序，將會降低設(shè)備的安全風(fēng)險，避免造成較嚴(yán)重的安全事故[8-10]。

圖8 母材裂紋打磨前后圖

2.2.4 組成件類問題隱患排查及風(fēng)險控制

雖然組成件不能直接影響設(shè)備本體安全，但其是保障設(shè)備正常運行的關(guān)鍵因素。本文提出關(guān)注組成件對設(shè)備使用安全的影響。本次對裝置內(nèi)80%閥門進(jìn)行了一次隱患排查，累計更換各類問題閥門100臺。更換的閥門涉及的隱患問題主要有閥體裂紋、閥門泄漏、閥門卡塞、外表面銹蝕嚴(yán)重、閥門內(nèi)漏嚴(yán)重等。在裝置生產(chǎn)工作中，只有部分閥門處于頻繁操作狀態(tài)，大部分閥門僅在特殊情況下使用。周期內(nèi)缺乏維護(hù)的閥門，很容易出現(xiàn)卡塞、內(nèi)漏、泄漏等問題。此外還存在螺栓銹蝕、螺栓斷裂、支吊架損壞、儀表損壞、法蘭密封面開裂等隱患，都間接影響設(shè)備安全。例如，螺栓斷裂影響密封效果甚至導(dǎo)致泄漏；支吊架損壞影響設(shè)備的應(yīng)力分布，會誘導(dǎo)部分應(yīng)力過大的區(qū)域產(chǎn)生裂紋；儀表的損壞影響對設(shè)備工藝狀態(tài)的監(jiān)控等。超設(shè)計使用年限設(shè)備的組成件，也與設(shè)備一樣面臨老化、失效、損傷等問題，排查組成件的隱患情況，將有效保障設(shè)備的安全運行，降低設(shè)備的失效風(fēng)險。

2.2.5 其他隱患排查及風(fēng)險控制

風(fēng)險排查過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的材料退化問題，但是對于一些高溫設(shè)備，即使其溫度未達(dá)到當(dāng)下材料金相檢驗的要求溫度，也應(yīng)對其進(jìn)行材料性能的驗證。材料長時間服役條件下，設(shè)備可能還存在超溫超壓、內(nèi)構(gòu)件損壞/損傷、襯里損傷、應(yīng)變時效、熱疲勞、蠕變、腐蝕疲勞等損傷傾向。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況及時調(diào)整檢驗方法及策略，制訂針對性的隱患排查方案，有效保障設(shè)備運行安全。

3 結(jié)論

超設(shè)計年限服役的設(shè)備，其設(shè)備本體、設(shè)備組成件、儀表及其安全附件等設(shè)施的可靠性將隨著服役時間增長而降低，應(yīng)針對性地對其進(jìn)行系統(tǒng)性的隱患排查，降低設(shè)備失效風(fēng)險。本文對超設(shè)計使用年限設(shè)備提出了在設(shè)備重新注冊前，應(yīng)開展以風(fēng)險控制為核心的檢驗，參照設(shè)備驗收過程中涉及的質(zhì)控要求，對設(shè)備的母材、焊縫、組成件等方面進(jìn)行全面的隱患排查，發(fā)現(xiàn)超出風(fēng)險控制線的安全隱患，應(yīng)進(jìn)行以可靠性為中心的維修(RCM)或經(jīng)過適應(yīng)性評估(FFS)合格后，采取有效的監(jiān)控措施，降低設(shè)備風(fēng)險。較全面評估設(shè)備的風(fēng)險，從而有效控制設(shè)備風(fēng)險。