石化裝置超年限壓力容器檢驗管理技術(shù)研究

朱愛娟 方 珍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

特種設(shè)備是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與社會、經(jīng)濟活動密切相關(guān)。特種設(shè)備的安全工作直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命、財產(chǎn)安全，以及經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的大局。壓力容器在一定溫度和壓力下工作，裝載介質(zhì)復(fù)雜，且在十分苛刻的環(huán)境下運行，在石油化工裝置等領(lǐng)域被廣泛使用。壓力容器的主要危險是其密封介質(zhì)的能力易失效，表現(xiàn)形式主要包括爆炸和泄漏兩種，常見的壓力容器事故有爆炸、泄漏、爆燃、火災(zāi)、中毒以及設(shè)備損壞等類型。很多石油化工企業(yè)建立歷史已達30年以上，其各種生產(chǎn)裝置內(nèi)存在較多的超年限服役的壓力容器，數(shù)量眾多，對于生產(chǎn)至關(guān)重要，如何保證其安全使用是一個值得深入研究的重要課題。

1 超年限服役壓力容器概述和研究現(xiàn)狀

超年限服役壓力容器是指超過設(shè)計使用年限的壓力容器。根據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》和《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG 21—2016)之規(guī)定，超年限服役壓力容器是指使用超過20年或超過設(shè)計使用年限的壓力容器。根據(jù)國家質(zhì)檢總局特設(shè)局歷年來全國特種設(shè)備事故發(fā)生環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，約80%的事故發(fā)生在使用環(huán)節(jié)?？梢灶A(yù)見，在未來相當(dāng)長一段時期內(nèi)，增強使用環(huán)節(jié)的管理和檢驗檢測將成為提高特種設(shè)備安全保障和降低事故發(fā)生率的重要對策之一。

目前，國內(nèi)許多石化企業(yè)、發(fā)電廠、鋼廠等單位已運行了相當(dāng)長一段時間，這些企業(yè)的壓力容器普遍存在超年限服役的現(xiàn)象。以某石化企業(yè)為例，據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2014年底，1 800多臺壓力容器的使用年限超過20年，其中超過25年的壓力容器有900多臺，超過30年的壓力容器有440多臺。在未來5年內(nèi)，將增加1 000多臺使用年限超20年的壓力容器，總數(shù)可達近3 000臺，具體如圖1所示。

圖1 截至2014年底某石化廠超20年在役壓力容器統(tǒng)計

超年限服役壓力容器存在一定隱患，概括起來主要有以下幾點：(1)材料在長期的運行過程中產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致在材料性能上的變化，如韌脆轉(zhuǎn)變溫度的提高、石墨化、珠光體球化等；(2)交變載荷的作用，早期的壓力容器規(guī)范未涉及疲勞設(shè)計，經(jīng)常在高溫、壓力波動作用下運行，且經(jīng)受頻繁開停車，經(jīng)過長時間的運行，在不出現(xiàn)顯著的塑形變形時，很容易導(dǎo)致斷裂的出現(xiàn)；(3)材料在長期的高溫下運行，產(chǎn)生蠕變損傷或高溫斷裂，從而導(dǎo)致容器失效；(4)早期的設(shè)計制造規(guī)范、材料標(biāo)準(zhǔn)、冶金水平等存在許多局限性，如焊縫位置和焊接方式不合理等；(5)壓力容器長期服役情況下，由疲勞、蠕變、腐蝕等損傷交互作用累計的損傷導(dǎo)致容器失效；(6)于生產(chǎn)工藝改變或原料介質(zhì)成分不同，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計時未能考慮的損傷機理，對原設(shè)計壽命周期產(chǎn)生影響。但是目前針對超年限服役壓力容器如何檢驗和管理的研究較少，還沒有建立一個行之有效的準(zhǔn)則和方法體系。因此，對這些超年限壓力容器如何進行檢驗檢測和使用管理成了一個亟待解決的問題。雖然相關(guān)的法律和法規(guī)條文中對超年限服役壓力容器進行了一些規(guī)定和限制，但對于如何具體執(zhí)行檢驗檢測并沒有詳細的條文說明，如過嚴可能造成過度檢驗和過嚴管理，但過松則可能造成檢驗不足和管理缺失。因此采用科學(xué)的方法研究超年限服役壓力容器的檢驗和管理是非常必要的。

目前，國內(nèi)的石化行業(yè)已進入發(fā)展鼎盛期，其中許多石化企業(yè)建廠歷史均較長，許多壓力容器處于超年限服役狀態(tài)，這些壓力容器之所以還在繼續(xù)服役，與我國現(xiàn)階段的發(fā)展需求相關(guān)。

(1)對于超年限服役的壓力容器，國內(nèi)的法律法規(guī)中如《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》第四十八條、《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第7.1.7款、《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》(TSG 08—2017)第2.14款中對此進行了相應(yīng)的規(guī)定，在滿足一定條件下，可以繼續(xù)進行服役。

(2)壓力容器的設(shè)計壽命通常不等于實際使用壽命，它僅僅是設(shè)計者根據(jù)容器預(yù)期的使用條件而給出的估計，一般情況下采用的數(shù)值比較保守，許多壓力容器達到設(shè)計壽命后仍有富足的剩余壽命。如實際的腐蝕速率小于設(shè)計時的腐蝕速率，設(shè)計時采用的疲勞、高溫蠕變的試驗數(shù)據(jù)過于保守等。超年限壓力容器是否繼續(xù)服役不能搞“一刀切”，應(yīng)當(dāng)依據(jù)該容器實際使用情況、損傷機理及失效模式、檢驗檢測結(jié)果等各方面因素綜合考慮后來確定。

(3)由于石化企業(yè)的投資巨大，因此設(shè)備的使用壽命直接影響資源、能源和資金的利用。一個“短命工程”和一個“長壽工程”對資源和資金消耗的差別很大。因此，簡單地淘汰超年限壓力容器的做法不科學(xué)，與現(xiàn)行經(jīng)濟發(fā)展要求相違背，科學(xué)的做法是采用高新技術(shù)方法挖掘這些設(shè)備的潛力，使之能繼續(xù)運行一段時間[1]。由此可見，盡可能延長石化裝置的使用壽命，是當(dāng)前實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要需求。

對于超年限服役壓力容器的檢驗檢測，國內(nèi)外的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都進行了一些規(guī)定，如歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445-3—2009中，對超過設(shè)計期限的疲勞和蠕變條件下的壓力容器有一個推薦性規(guī)定：即重點在容器高應(yīng)力區(qū)域進行無損檢測。我國的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第7.1.7款中雖然提到“參照定期檢驗的有關(guān)規(guī)定對其進行檢驗”，但按照此有關(guān)規(guī)定是否能夠滿足超期服役的壓力容器的檢驗要求仍需進一步研究。另外，一些機構(gòu)和學(xué)者也進行了有益的探討，如以剩余壽命的失效概率評價方法[2-3]，應(yīng)用聲發(fā)射檢測、應(yīng)力測定和超聲波探傷相結(jié)合的方法[4]，采用工程物探調(diào)查和軟件評估方法[5]，采用宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)和失效機理相結(jié)合的方法[6-7]等。

對于超年限服役壓力容器監(jiān)管方面，雖然我國在承壓類特種設(shè)備分類上已經(jīng)取得了較大的進步，但是仍存在定量性差、較少考慮現(xiàn)實風(fēng)險因素、較少涉及人員管理環(huán)境因素等缺點，不能把系統(tǒng)中多維度的風(fēng)險影響因素納入其中，整體系統(tǒng)地進行分析評判[8-9]。因此，針對超年限服役壓力容器進行風(fēng)險評價并分類分級，體現(xiàn)科學(xué)管理中“突出重點、分類管理、精準(zhǔn)管理”的思想，是提升石化企業(yè)安全管理效能的重要手段。風(fēng)險分級的方法按照表現(xiàn)形式有風(fēng)險矩陣法、風(fēng)險指數(shù)法等幾種。

2 超年限壓力容器損傷機理分析

根據(jù)可靠性理論，設(shè)備的失效都遵循浴盆曲線規(guī)律，由于曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個階段：早期失效期、正常使用期、耗損老化失效期。超年限服役的壓力容器是一種特殊的情況，如圖2所示，處于Ⅱ、Ⅲ階段之間，應(yīng)對其進行專項研究。

超年限服役壓力容器由于受到環(huán)境、時間、工況、介質(zhì)等因素的影響，會產(chǎn)生一定的損傷，這些損傷對超年限壓力容器的繼續(xù)安全服役會產(chǎn)生一定的安全隱患。因此，超年限壓力容器的檢驗及安全評價應(yīng)針對這些損傷來進行，參照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗，超年限壓力容器與時間相關(guān)的損傷機理及檢驗方法如表1所示。

圖2 浴盆曲線示意

表1 超年限壓力容器損傷機理與檢測手段對照

3 超年限服役壓力容器剩余壽命評估方法

通過對超年限服役壓力容器進行損傷機理和失效模式分析，找出最容易出問題的部位，在強度校核基礎(chǔ)上(必要時須進行有限元分析)，結(jié)合合于使用評價，建立基于“成本-效益”的3級超年限服役壓力容器剩余壽命評估方法。

3.1 基于設(shè)計參數(shù)的1級剩余壽命評估

在1級剩余壽命評估中，將采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中所提供的簡化應(yīng)力分析(如環(huán)向的應(yīng)力計算)和設(shè)計參數(shù)。該等級應(yīng)系統(tǒng)地辨識那些需要進行剩余壽命分析的關(guān)鍵部件，并進行較為保守的篩選。

1級壽命評估主要包括設(shè)計計算的審查，以及部件關(guān)于服役壽命、溫度和循環(huán)載荷、所采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的再評價，以及其他類似或相關(guān)設(shè)備的經(jīng)驗。該等級壽命評估是在獲得最少的檢驗和部件信息的情況下，最為基本和保守的篩選準(zhǔn)則。該等級的剩余壽命評估也可初步確定設(shè)備需要維護或更換的時間點以及失效速率。

3.2 基于運行數(shù)據(jù)和操作歷程的2級剩余壽命評估

2級剩余壽命評估可通過采用實際運行數(shù)據(jù)，比如從現(xiàn)場儀表或現(xiàn)有的測試傳感器中獲得數(shù)據(jù)，以作出一個較為詳細的壽命預(yù)測，從而得到比1級評估更為精確的結(jié)果。在2級評估中，同樣需要1級評估的信息，但還需增補通過常規(guī)檢驗獲得的數(shù)據(jù)，以及通過應(yīng)力計算分析獲得的數(shù)據(jù)。

2級剩余壽命評估中通常需要獲得以下的數(shù)據(jù)和信息：

(1)宏觀檢查或無損檢測，但對于初期的蠕變損傷以及那些未預(yù)料的微觀損傷，常規(guī)的無損檢測技術(shù)通常無法探測到；

(2)測量或?qū)彶楫?dāng)前實際運行的溫度、應(yīng)力或應(yīng)變，以及已知的缺陷；

(3)審查或估計壓力和溫度歷程，評價設(shè)計與服役之間溫度差和外力的影響；

(4)測量壓力容器本體重要的幾何尺寸，包括壁厚和不圓度；

(5)審查檢驗、維護、修理或更換記錄；

(6)通過現(xiàn)場金相或覆膜金相的方法進行容器表面微觀檢測；

(7)審查質(zhì)量證明書等制造資料來確定實際建造材料的性能和化學(xué)成分。

3.3 基于試驗和現(xiàn)場檢驗的3級剩余壽命評估

在3級剩余壽命評估中，通常需要最為詳細的檢驗和部件信息，以及大量的和更加復(fù)雜的檢測數(shù)據(jù)，如金相和力學(xué)測試數(shù)據(jù)，并在1、2級數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仍需增補由監(jiān)控(如熱電偶、應(yīng)變計或振動監(jiān)測)獲得的數(shù)據(jù)。該等級也可能需要復(fù)雜的應(yīng)力分析(如有限元方法)以及蠕變加速試驗或斷裂韌性測試數(shù)據(jù)。該等級給出了一個最為詳細的剩余壽命評估，從而得出比2級評估更為精確的結(jié)果。

3級剩余壽命評估通常需要增補下面的數(shù)據(jù)和信息：

(1)從在役設(shè)備上取樣進行力學(xué)試驗和金相檢測，包括加速蠕變試驗和斷裂韌性試驗；

(2)其他的專門試驗，如腐蝕或磨蝕加速試驗；

(3)采用更加詳細的應(yīng)力信息進行評估，如應(yīng)變儀和有限元分析。

4 超年限服役壓力容器檢驗方法及步驟

對于超年限服役壓力容器檢驗檢測方法的選擇，主要依據(jù)以下幾個方面進行：根據(jù)損傷機理來確定應(yīng)檢查的缺陷類型；根據(jù)損傷發(fā)生的部位來選擇檢驗部位；根據(jù)需檢測的缺陷類型選擇采用何種檢測方法；根據(jù)風(fēng)險等級和剩余使用壽命確定檢驗有效性。

檢驗評估過程共分兩個階段：第一階段是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、軟件錄入、風(fēng)險評價；第二階段為制定檢驗策略、現(xiàn)場檢驗、評估服役適應(yīng)性、制定監(jiān)控措施、制定檢驗周期。

風(fēng)險評價階段主要針對：容器部件損傷機理以及腐蝕速率或敏感性分析，確定容器部件失效的可能性、失效后果、風(fēng)險等級。制定檢驗策略主要針對設(shè)備的失效模式進行制定，將較多的檢驗資源投入到高風(fēng)險部件。

評估服役適應(yīng)性主要根據(jù)其腐蝕速率來確定其剩余壽命和未來服役狀態(tài)。未來服役狀態(tài)包括符合要求、基本符合要求和不符合要求3個方面。

(1)符合要求：風(fēng)險評估結(jié)果為中、低風(fēng)險，或通過檢驗未發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)只有輕度不影響安全的缺陷，可以按照預(yù)測的剩余使用壽命繼續(xù)使用。

(2)基本符合要求：風(fēng)險評估結(jié)果為中高風(fēng)險以上(包括中高風(fēng)險)及失效可能性不小于4，且通過檢驗后無法進行降級的；或通過檢驗僅發(fā)現(xiàn)一般缺陷；或雖然發(fā)現(xiàn)嚴重缺陷，但經(jīng)過合于使用評價并修復(fù)后認為可以延期使用的情況，可以按預(yù)測的剩余使用壽命監(jiān)控使用或降級使用。

(3)不符合要求：檢驗中發(fā)現(xiàn)嚴重缺陷，經(jīng)過合于使用評價后，認為不能保證安全運行的情況；或已到達預(yù)測的剩余使用壽命末期的情況，應(yīng)當(dāng)修復(fù)、報廢或更換。

制定監(jiān)控措施主要對具有以下情況的壓力容器實施監(jiān)控：一種情況為風(fēng)險評價結(jié)果為中高風(fēng)險及以上且失效可能性等級大于等于4；另一種情況為檢驗員出具的檢驗報告中已判定為基本符合要求。

檢驗周期的確定主要考慮以下幾個方面因素：國內(nèi)相關(guān)法律規(guī)范的要求；設(shè)備的風(fēng)險等級與檢驗歷史；含缺陷設(shè)備完整性評估與壽命預(yù)測結(jié)果等。具體執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 超年限服役壓力容器檢驗評估過程示意

5 超年限服役壓力容器風(fēng)險管理方法

運用風(fēng)險評價的基本理論，研究超年限壓力容器事故發(fā)生的可能性以及后果的嚴重程度，全面系統(tǒng)地考慮多維度的風(fēng)險因素，建立超年限服役壓力容器風(fēng)險分類分級模型。以超年限服役壓力容器為分析“點”，服役時間為分析“線”，“人、機、環(huán)、管、法”為分析“面”，構(gòu)建多維度風(fēng)險因素辨識分析體系。將超年限服役壓力容器分為不同的風(fēng)險等級，采取合理有效的檢驗及管理手段，最終可以降低事故發(fā)生率，保障設(shè)備的安全運行。

根據(jù)事故預(yù)防的3E(技術(shù)、教育、管理)要素理論以及安全系統(tǒng)4M(人、機、環(huán)、管)要素理論，確定超年限服役壓力容器發(fā)生事故的可能性及后果嚴重程度影響因素。超年限服役壓力容器發(fā)生事故的可能性主要從設(shè)備本體技術(shù)情況、管理、使用運行3個方面進行考慮，從不同的角度以預(yù)防的思路尋找影響事故發(fā)生可能性大小的因素；發(fā)生事故后果嚴重程度主要考慮人員、經(jīng)濟、環(huán)境和社會四個方面，全面綜合考量可能造成的后果嚴重程度。并建立超年限服役壓力容器分類分級數(shù)學(xué)模型，最終將可能性和后果嚴重性以風(fēng)險矩陣的方式輸出。

超年限服役壓力容器管理方法將采用風(fēng)險分級方法，利用上述風(fēng)險模型進行風(fēng)險排序，主要分為低、中、高三級風(fēng)險，并利用ABC管理方法，對不同的風(fēng)險采用不同類別的管理策略(A、B、C類)。

A類：低風(fēng)險，實行常規(guī)管理為主、安全監(jiān)控為輔的模式；

B類：中度風(fēng)險，即重點監(jiān)控設(shè)備，實施常規(guī)管理和安全監(jiān)控并重的管理方式，在常規(guī)管理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)投入一定資源加強對其進行安全管理；

C類：高風(fēng)險，包括設(shè)備存在重大安全隱患、不符合法律法規(guī)要求等，實行全面重點管理，要投入大量的資源有效監(jiān)控，加強管理的動態(tài)性、時效性，防止事故發(fā)生。

6 結(jié)語

通過分析超年限服役壓力容器相關(guān)的潛在損傷機理，建立了針對超年限服役壓力容器的檢驗方法，引進風(fēng)險檢驗和合于使用對超年限服役的壓力容器進行評價；同時，針對超年限服役壓力容器提出一種分類分級管理方法，以保障超年限壓力容器安全可靠的運行。