完整性操作窗口管理方法及應(yīng)用意義

戴金輝

（盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute，API）制定的API 584《完整性操作窗口》主要是針對(duì)工藝防腐問(wèn)題的。它是一套被定義的操作參數(shù)界限，通過(guò)建立這些操作參數(shù)，以維持對(duì)系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢的控制。這些操作參數(shù)界限通常基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有材料、完整性風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，涉及到相對(duì)于窗口外在窗口內(nèi)的工藝持續(xù)不變的操作，超過(guò)這個(gè)已建立完整性操作窗口的操作應(yīng)當(dāng)要求考慮操作管理變化事項(xiàng)。

國(guó)內(nèi)外許多石油、化工、能源等行業(yè)或大型企業(yè)集團(tuán)，已經(jīng)依據(jù)完整性操作窗口理念，將其運(yùn)用到生產(chǎn)裝置設(shè)備的完整性管理中。例如，為了防止循環(huán)水冷卻器結(jié)垢，要求工藝操作中保證循環(huán)水最小流量大于0.5 m/s 等。

1 完整性操作窗口定義

完整性操作窗口（Integrity Operating Window，IOW）是通過(guò)在DCS 上設(shè)定設(shè)備失效的操作界限（如高報(bào)警、高高報(bào)警），一旦超出這個(gè)界限，IOW 將反饋一個(gè)警報(bào)，提示操作已超限，從而預(yù)防設(shè)備提前失效或事故的發(fā)生，確保設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。

超出操作邊界范圍的操作運(yùn)行，付出的當(dāng)前代價(jià)是可能的突然失效破裂泄漏。從設(shè)計(jì)壽命角度來(lái)看，長(zhǎng)遠(yuǎn)代價(jià)是裝置的提前裂化，即壽命縮短。

2 完整性操作窗口的類型

完整性操作窗口通常有物理型和化學(xué)型兩種類型。

（1）物理性。物理（機(jī)械或操作）限制本身并不具備化學(xué)的性質(zhì)，但是卻包含在設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)維持控制的關(guān)鍵工藝流程，如對(duì)于壓力和溫度的各種限制等。

（2）化學(xué)性?；瘜W(xué)型界限與工藝中的化學(xué)反應(yīng)和流體的含量有關(guān)，如pH、硫含量、鹽含量、總酸值、酸強(qiáng)度、緩蝕劑濃度、氧含量等。

3 完整性操作窗口的限定值

依據(jù)操作參數(shù)超限運(yùn)行的結(jié)果，操作參數(shù)限定值可劃分為標(biāo)準(zhǔn)限定值和臨界限定值兩種。

（1）標(biāo)準(zhǔn)限定值是指如果操作參數(shù)超出此限定值并持續(xù)一定的時(shí)間，就可能導(dǎo)致設(shè)備失效。超限時(shí)間的長(zhǎng)短由RBI（Risk Based Inspection，基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)）分析結(jié)果決定。

（2）臨界限定值是指如果操作參數(shù)超過(guò)臨界值，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效（圖1）。

4 完整性操作窗口的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

完整性操作窗口的建立工藝中，設(shè)備被分解為各種工藝變量的組合形式。針對(duì)每種類型每個(gè)指定的工藝變量，應(yīng)該應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)。這種風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)可以幫助操作員確定需要采取什么樣的措施、在事情到不可控之前操作員有多少時(shí)間來(lái)采取措施。例如，風(fēng)險(xiǎn)越高，操作員越需要盡快做出反應(yīng)，并且反應(yīng)更強(qiáng)烈。風(fēng)險(xiǎn)越高，就需要更高等級(jí)處理措施，以便在達(dá)到臨界風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之前獲得最好的重新控制機(jī)會(huì)。圖2 以簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明，可用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的矩陣和工藝是如何應(yīng)用于建立完整性操作窗口的。推薦用以確定完整性操作窗口措施和責(zé)任的風(fēng)險(xiǎn)表如表1 所示。

圖1 完整性操作窗口

圖2 用以評(píng)價(jià)完整性操作窗口風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的一般風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表1 推薦用以確定完整性操作窗口措施和責(zé)任的風(fēng)險(xiǎn)表

5 完整性操作窗口的建立步驟

完整性操作窗口的一般建立步驟如圖3 所示。

建立完整性操作窗口要特別重視以下3 點(diǎn)。

（1）確定承壓設(shè)備的操作界限。通過(guò)物理和化學(xué)控制，控制承壓設(shè)備的使用壽命及可靠性。

（2）完整性操作窗口建立操作界限后，必須要有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段。

（3）確定預(yù)警線，提示誤操作或不合格操作。一旦操作值超過(guò)完整性操作窗口設(shè)置的界限，系統(tǒng)報(bào)警，提示操作人員調(diào)整工藝。

圖3 建立完整性操作窗口的流程

6 完整性操作窗口的應(yīng)用意義

完整性操作窗口主要的應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是腐蝕防護(hù)；二是規(guī)范操作行為，從而確保所有在基層從業(yè)人員的工作環(huán)境是安全的。

完整性操作窗口作為設(shè)備完整性管理運(yùn)行操作層面的重要組成部分，通過(guò)對(duì)工藝條件、操作條件的監(jiān)測(cè)，識(shí)別設(shè)備的早期風(fēng)險(xiǎn)，以預(yù)防與干預(yù)設(shè)備提前劣化和事故的發(fā)生為目的，設(shè)定工藝條件和操作條件的邊界值，確保設(shè)備的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。因此，可以認(rèn)為完整性操作窗口主要用于工藝偏離設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)。

雖然目前完整性操作窗口的應(yīng)用還不廣泛，但是可以根據(jù)完整性操作窗口定義過(guò)程，通過(guò)DCS 以及其他監(jiān)控手段，將其理念運(yùn)用到生產(chǎn)裝置的完整性管理中。

某乙二醇裝置設(shè)計(jì)每年連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8000 h，操作彈性為設(shè)計(jì)能力的50%～110%，在100%負(fù)荷下乙烯進(jìn)料量28 t/h，按照生產(chǎn)要求，乙二醇裝置需在超設(shè)計(jì)高負(fù)荷運(yùn)行，將乙烯進(jìn)料量提到33.6 t/h，即在120%負(fù)荷下運(yùn)行。根據(jù)目前的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)運(yùn)用完整性操作窗口管理理念，可以對(duì)這裝置部分設(shè)備的完整性做一個(gè)粗略的評(píng)估：

在目前運(yùn)行狀態(tài)下，乙二醇裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)入口壓力為1.5 MPa（G），而設(shè)計(jì)壓力為1.45 MPa（G），高報(bào)警壓力為1.46 MPa（G）。按照完整性操作窗口理念，可以建立如下模型：壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓力為完整性操作窗口的目標(biāo)值，在不考慮其他參數(shù)變化的情況，處于此條件下，設(shè)備能長(zhǎng)周期運(yùn)行。高報(bào)警值為目標(biāo)值上限，目前的入口壓力已超出目標(biāo)值上限，可能處于標(biāo)準(zhǔn)限定值上限，那么，如果持續(xù)在此壓力下操作，在將來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)失效。

另外，乙二醇裝置由于在高負(fù)荷下運(yùn)行，多塊流量表流量出現(xiàn)高報(bào)警以及超量程現(xiàn)象，管線振動(dòng)加大，調(diào)節(jié)閥振動(dòng)加大。按照完整性操作窗口理念，流量已超過(guò)目標(biāo)值上限，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將大大增加管線、管件失效的風(fēng)險(xiǎn)。

類似的實(shí)際值偏離設(shè)計(jì)值的情況在運(yùn)承壓設(shè)備還有很多，長(zhǎng)期運(yùn)行下去將會(huì)產(chǎn)生難以估計(jì)的不良后果。最終通過(guò)完整性窗口模型的建立分析，將裝置負(fù)荷調(diào)整到正常設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

7 結(jié)束語(yǔ)

完整性操作窗口的內(nèi)容豐富，簡(jiǎn)單明了，根據(jù)其理念可以建立工藝操作與運(yùn)行設(shè)備完整性之間的關(guān)聯(lián)，尋找工藝改變對(duì)設(shè)備完整性的影響，提前預(yù)測(cè)設(shè)備失效的發(fā)生，為生產(chǎn)裝置的安全、可靠及長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保障。