乙烯球罐風(fēng)險評估的定性與定量分析方法對比分析*

張子健，呂鐘杰，沈正祥，柴軍輝

(1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江寧波 315048；2. 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江寧波 315048)

球形儲罐具有整體受力均勻、相同體積條件下鋼材使用量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在石油化工企業(yè)[1]。但球罐的應(yīng)用過程也同樣存在安全隱患，球罐中通常為易燃易爆等危險性較大的介質(zhì)，若出現(xiàn)泄漏或者失穩(wěn)，會對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成一定的影響；同時，球罐的現(xiàn)場組焊安裝難度大，使用過程中的升壓和降壓還易產(chǎn)生疲勞裂紋[2-3]。因此，對球罐的風(fēng)險水平把控較為重要，目前針對球罐的風(fēng)險評估軟件的研發(fā)、購置與后期維護(hù)費(fèi)用相對較高，對于未購置相關(guān)計(jì)算軟件的單位，其風(fēng)險評估工作難度極高，GB/T 26610.3—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第3部分：風(fēng)險的定性分析方法》給出了風(fēng)險評估定性分析的思路，可以粗略計(jì)算球罐的風(fēng)險水平，一定程度上解決定量分析存在的難題。

1 球罐風(fēng)險評估定性分析方法

GB/T 26610.3—2014第1章指出該標(biāo)準(zhǔn)可用于石油化工裝置中壓力容器及其承壓零部件的風(fēng)險評估，第4.3.1節(jié)指出風(fēng)險的定性分析可以單獨(dú)計(jì)算并應(yīng)用，也可以與定量計(jì)算組合使用。因此，球罐風(fēng)險評估定性分析可以參考GB/T 26610.3—2014。

1.1 失效可能性定性評估

根據(jù)所評估球罐的具體情況，對以下6個因子進(jìn)行賦值或者計(jì)算：設(shè)備因子EF、損傷因子DF、檢驗(yàn)因子IF、維護(hù)狀態(tài)因子MCF、工藝因子PF、機(jī)械設(shè)計(jì)因子MDF。

根據(jù)被評估裝置中可能發(fā)生失效的設(shè)備總數(shù)對進(jìn)行設(shè)備因子EF賦值，單個球罐評估時一般取2；根據(jù)球罐損傷機(jī)理的可能性數(shù)量對DF進(jìn)行賦值；根據(jù)球罐的檢驗(yàn)情況對IF進(jìn)行賦值；根據(jù)企業(yè)管理水平、裝置設(shè)計(jì)制造水平和維修方案的有效性對MCF進(jìn)行賦值；根據(jù)停工次數(shù)、工藝穩(wěn)定性、保護(hù)裝置可靠性對PF進(jìn)行賦值；根據(jù)設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、工藝合規(guī)性對MDF進(jìn)行賦值。上述6個因子的值之和為失效可能性因子的值，失效可能性等級見表1。

表1 失效可能性等級

1.2 失效后果定性評估

失效后果的定性評估主要考慮燃燒與爆炸、中毒后果2個方面，評估原則為：①當(dāng)球罐介質(zhì)泄漏后僅產(chǎn)生單一后果時，直接對該后果進(jìn)行評估；②當(dāng)2種后果并存時，則需要判斷是否存在主導(dǎo)后果，若有主導(dǎo)后果則不必考慮另一種后果，若無主導(dǎo)后果，則需單獨(dú)評估后，確定較嚴(yán)重的后果進(jìn)行評估。

1.2.1 燃燒與爆炸后果評估

燃燒與爆炸后果評估中需對以下6個因子進(jìn)行賦值：化學(xué)因子CF、損傷量因子DQF、狀態(tài)因子SF、自燃因子AF、壓力因子PRF、安全防護(hù)因子CRF。

化學(xué)因子CF主要與可燃次因子FF、反應(yīng)次因子RF相關(guān)；損傷量因子DQF與泄漏的可燃介質(zhì)的最大存量相關(guān)；狀態(tài)因子SF與介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)溫度相關(guān)；自燃因子AF與介質(zhì)工作溫度和自然溫度相關(guān)；壓力因子PRF與介質(zhì)的物性狀態(tài)相關(guān)；安全防護(hù)因子CRF主要與設(shè)備的安全防護(hù)裝置情況相關(guān)。上述6個因子的值之和為燃燒與爆炸后果因子的值，燃燒與爆炸后果等級見表2。

表2 燃燒與爆炸后果等級

1.2.2 中毒后果評估

中毒后果評估需要對以下4個因子進(jìn)行賦值：中毒量因子TQF、擴(kuò)散因子DI、安全防護(hù)因子CRF、人口因子PPF。

中毒量因子TQF與泄漏事件中可能存在損失的有毒介質(zhì)最大存量次因子TQF1、健康危害次因子TQF2相關(guān)；擴(kuò)散因子DI與介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)溫度相關(guān)；安全防護(hù)因子CRF與有毒介質(zhì)泄漏后相關(guān)安全防護(hù)措施是否到位相關(guān)；人口因子PPF與距離泄漏400 m半徑范圍內(nèi)的日間平均人口數(shù)量相關(guān)。上述4個因子的值之和為中毒后果因子的值，中毒后果等級見表3。

表3 中毒后果等級

1.3 風(fēng)險等級確定方法

將賦值完成的失效可能性等級和失效后果等級組合在5×5的風(fēng)險矩陣中，進(jìn)而確定被評估球罐的風(fēng)險等級。

2 球罐風(fēng)險評估定量分析方法

2.1 失效可能性定量評估

球罐的失效可能性定量計(jì)算是采用同類失效頻率法，失效可能性Pf計(jì)算公式如下：

式中，Pf是以時間t為函數(shù)的失效可能性；gff是同類失效頻率；FMS是管理系統(tǒng)系數(shù)；Df是破壞系數(shù)。

同類失效頻率gff是以同一公司內(nèi)多個工廠或同一行業(yè)內(nèi)各個工廠中、參考文獻(xiàn)和商業(yè)可靠性數(shù)據(jù)庫中的記錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到的失效數(shù)據(jù)，是通用部件的數(shù)據(jù)，具有代表性。標(biāo)準(zhǔn)里提供了4種離散孔尺寸，可對各種事件(小泄漏到破裂)的泄放情況進(jìn)行建模。

管理系統(tǒng)系數(shù)FMS是針對管理、工藝信息安全、工藝危害性分析、變更管理、操作規(guī)程、安全生產(chǎn)實(shí)踐規(guī)程、培訓(xùn)、機(jī)械完整性、投用前的安全審查、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查、承包商、管理系統(tǒng)評估等13個方面進(jìn)行評估，然后經(jīng)計(jì)算求得的，F(xiàn)MS適用于工廠內(nèi)所有的設(shè)備。

破壞系數(shù)Df是根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，用以評估隨使用時間變化可能出現(xiàn)的破壞機(jī)理和破壞量以及某一檢驗(yàn)活動的有效性。Df主要由與結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)的破壞機(jī)理、工藝水平、部件的物理狀態(tài)以及量化損傷的檢驗(yàn)方法來確定。其中破壞機(jī)理主要與減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、外部破壞、高溫氫腐蝕、機(jī)械疲勞、脆性斷裂等相關(guān)。失效可能性Pf等級劃分見表4。

表4 失效可能性等級劃分

2.2 失效后果定量評估

失效后果定量計(jì)算分為2種級別：①1級后果計(jì)算針對標(biāo)準(zhǔn)中所列出的代表性流體清單，該方法利用查表法和圖表，無需專用建模軟件便可計(jì)算出泄放介質(zhì)的后果；②2級后果計(jì)算準(zhǔn)確性更高，包含詳細(xì)的計(jì)算程序，更適用于廣泛的有毒有害介質(zhì)。

后果定量計(jì)算采用以下步驟：①采用事件樹計(jì)算可燃和爆炸性后果，確定各種結(jié)果的可能性(如液池火、閃燃和蒸氣云爆炸)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模型確定后果的嚴(yán)重程度，根據(jù)熱輻射和爆炸所造成的人員嚴(yán)重傷害和部件損壞確定后果面積，根據(jù)公布的受影響面積確定經(jīng)濟(jì)損失。②采用計(jì)算機(jī)模型計(jì)算毒性后果，確定由于人員過度接觸蒸氣云中毒性濃度所造成的后果面積的嚴(yán)重程度。若流體為可燃毒性流體，其毒性事件概率可假定為：泄放物點(diǎn)燃時，毒性后果忽略不計(jì)，根據(jù)公布的受影響面積確定經(jīng)濟(jì)損失。③考慮非可燃、非毒性泄放物。根據(jù)人員嚴(yán)重傷害確定化學(xué)品噴濺和高溫蒸汽燃燒的后果。物理爆炸和沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE)也會造成人員嚴(yán)重傷害和部件損壞。④經(jīng)濟(jì)后果包括業(yè)務(wù)中斷損失以及環(huán)境泄放物相關(guān)的費(fèi)用損失，分別根據(jù)可燃和非可燃后果面積的函數(shù)估算業(yè)務(wù)中斷后果，泄放有效質(zhì)量或泄放率確定環(huán)境后果。失效后果等級劃分見表5。

表5 失效后果等級劃分

2.3 風(fēng)險定量計(jì)算

風(fēng)險值R是時間t的函數(shù)，按式(2)計(jì)算。

式中，Cf假定為不隨時間改變的函數(shù)，但明顯的工藝變化可引起Cf改變，工藝變化包括介質(zhì)屬性的變化、設(shè)備使用壽命期間的產(chǎn)量變化、設(shè)備再利用或改造等情況。此外，泄漏探測、介質(zhì)隔離和泄漏減緩系統(tǒng)的變化也會影響Cf。

隨著時間延長，工藝操作上的改變也可導(dǎo)致Pf和Cf改變。工藝操作上的改變(如溫度、壓力或介質(zhì)腐蝕性的改變)可導(dǎo)致Pf增大，主要是由于工藝改變有可能導(dǎo)致腐蝕速率增大或產(chǎn)生了其他破壞導(dǎo)致的。因此，Pf或Cf出現(xiàn)重大變化時需重新進(jìn)行風(fēng)險評估。

3 乙烯球罐風(fēng)險評估應(yīng)用研究

以某化工企業(yè)3 000 m3乙烯球罐為研究對象，進(jìn)行風(fēng)險評估應(yīng)用研究，該球罐的基本參數(shù)見表6。

表6 乙烯球罐基本參數(shù)

3.1 定性分析

3.1.1 失效可能性賦值

針對該球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)和使用工況，對6個因子進(jìn)行賦值，結(jié)果見表7。

表7 失效可能性賦值結(jié)果

由表7可見：經(jīng)計(jì)算，失效可能性因子為16，失效可能性等級為2。

3.1.2 失效后果賦值

由于乙烯具有燃燒和爆炸的特性，且在不完全燃燒時會產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，因此分別對燃燒和爆炸、中毒后果進(jìn)行賦值，結(jié)果分別見表8和表9。

表8 燃燒和爆炸后果賦值結(jié)果

表9 中毒后果賦值結(jié)果

由表8和表9可見：經(jīng)計(jì)算，燃燒和爆炸后果因子為24，后果等級為B；中毒后果因子為-15，后果等級為A。綜上分析，球罐的失效后果等級為B級。

3.1.3 風(fēng)險等級的確定

根據(jù)球罐的失效可能性等級為2級，失效后果等級為B級，判斷該球罐的風(fēng)險等級為低風(fēng)險。

3.2 定量分析

3.2.1 腐蝕機(jī)理識別

參考GB/T 30578—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》，該球罐存在的損傷機(jī)理有層下腐蝕(CUI)、介質(zhì)側(cè)腐蝕等，在風(fēng)險評估定量計(jì)算時選取內(nèi)部減薄和外部減薄損傷機(jī)理。

3.2.2 風(fēng)險評估定量計(jì)算

風(fēng)險評估定量計(jì)算采用Synergi Plant RBI Onshore 5.5軟件，在計(jì)算過程中對球罐壁板內(nèi)外壁腐蝕速率的選取較為關(guān)鍵，由于該球罐為首次定期檢驗(yàn)，暫無測厚數(shù)據(jù)，因此腐蝕速率的設(shè)定采用理論計(jì)算值，最終計(jì)算結(jié)果見表10和表11。

表10 失效可能性定量計(jì)算結(jié)果

表11 失效后果定量計(jì)算結(jié)果

由表10和表11可見：該球罐目前風(fēng)險等級和 未來風(fēng)險等級均為低風(fēng)險，失效可能性由目前的0.000 527 836上升至0.000 539 991(2年后)，但失效后果均為83 216.1，未發(fā)生變化，該結(jié)果與之前分析的失效后果定量計(jì)算結(jié)果一致，總體風(fēng)險由目前的43.924 5上升至44.935 9(2年后)，呈小幅上升趨勢。

3.3 定性與定量結(jié)果對比分析

將上述風(fēng)險定性和定量分析評估結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表12。

表12 定性分析和定量分析評估結(jié)果對比

由表12可見：①定性和定量分析的總體結(jié)果一致，均為低風(fēng)險，主要差別為定性分析的失效可能性等級為2級，定量分析的失效可能性等級為3級，定量分析結(jié)果高于定性分析結(jié)果；②定量分析中腐蝕速率的確定較為關(guān)鍵，其取值關(guān)系到整個風(fēng)險評估的結(jié)果，該研究中采用軟件內(nèi)嵌的理論算法，具有較高的可靠性；③定性分析采用賦值法，一定程度上減少了腐蝕速率和后果參數(shù)設(shè)置過程中存在的難題，操作簡單易行；④定性分析法適合現(xiàn)場快速的風(fēng)險評估，無需依賴商業(yè)化軟件；⑤當(dāng)受條件限制，無法全部采用定量計(jì)算時，可以通過定性分析篩選出高風(fēng)險設(shè)備，再對所篩選的設(shè)備進(jìn)行定量分析，進(jìn)而采用相應(yīng)的檢驗(yàn)策略；⑥若能精準(zhǔn)測定腐蝕速率，如采用腐蝕掛片試驗(yàn)或者定點(diǎn)測厚等技術(shù)，推薦采用定量分析；⑦當(dāng)設(shè)備材料或儲存介質(zhì)未收錄在計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)庫中，假設(shè)代替存在一定難度時，可采用定性分析。

4 結(jié)論

對某臺3 000 m3乙烯球罐進(jìn)行風(fēng)險的定性和定量評估，對比分析了2種評估方法的差異，確定了定性和定量評估方法的使用原則，得到以下結(jié)論。

1)風(fēng)險評估的定性分析步驟操作簡單易行，當(dāng)定量分析存在困難時，定性分析可以在一定程度上代替定量分析，為風(fēng)險的合理把控提供一種切實(shí)可行的方法。

2)定性和定量分析的結(jié)果會存在一定的差異，但該差異在可接受范圍內(nèi)。

3)風(fēng)險的定性或定量分析均可為球罐的風(fēng)險評估提供科學(xué)的評估結(jié)果，應(yīng)合理利用2種風(fēng)險評估方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險評估資源利用最大化。