柴軍輝 張子健 董曉冬 張小龍 陸建平 顧海云 徐 浩 袁時(shí)杰
(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司;2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)
安全閥是承壓類特種設(shè)備的重要安全附件之一,是防止壓力容器、壓力管道和鍋爐發(fā)生超壓的一種安全泄放裝置,也是確保設(shè)備安全運(yùn)行的一道重要防線。 安全閥在化工企業(yè)中的使用量極為龐大,僅寧波地區(qū)就有近10萬臺(tái)在役安全閥[1,2]。目前,國內(nèi)安全閥校驗(yàn)與管理工作主要是依據(jù)TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,兩者均要求安全閥每年至少校驗(yàn)一次,但同時(shí)也提到:符合相關(guān)條件時(shí)可以延長校驗(yàn)周期,最長可以延期5年,條件是必須全部滿足規(guī)范中的要求,具有一定的難度[3]。 例如,安全閥制造單位需要提供彈簧的相關(guān)測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)、能夠證明安全閥運(yùn)行的可靠性、使用單位需要建立安全閥校驗(yàn)站及安全閥需要進(jìn)行在線檢測等。 這些條件會(huì)在一定程度上限制安全閥使用單位實(shí)施校驗(yàn)延期, 并與化工企業(yè)需要生產(chǎn)裝置長周期連續(xù)運(yùn)行的目標(biāo)存在著矛盾[4]。筆者通過RBI分析,推算在役安全閥的失效可能性和失效后果,可得出風(fēng)險(xiǎn)的分布情況,進(jìn)而對在役安全閥進(jìn)行分類, 綜合考慮眾多影響因素后, 最終針對不同風(fēng)險(xiǎn)制定不同的校驗(yàn)周期和日常管理維護(hù)策略。
由于RBI計(jì)算所用的軟件是基于美國石油學(xué)會(huì)API 581《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法》編制的,因此對API 581中有關(guān)在役安全閥RBI分析原理做一介紹。
1.1.1 未能開啟的可能性
其中,ηupd計(jì)算過程與未能開啟失效的計(jì)算過程相同,但該過程中涉及的威布爾特種壽命參數(shù)ηmod不同于未開啟失效中的ηmod,應(yīng)按下式計(jì)算:
其中,軟閥座修正因子Fs、環(huán)境修正因子Fenv和威布爾參數(shù)ηdef均可通過查表獲得。
1.2.1 開啟失效后果
計(jì)算安全閥開啟失效后果的過程中, 需將超壓時(shí)的壓力p0代替所保護(hù)設(shè)備的操作壓力ps,而且p0需要根據(jù)超壓情況邏輯進(jìn)行判斷,然后查表獲取數(shù)值。 按設(shè)備失效后果的計(jì)算流程進(jìn)行, 最終以安全閥所保護(hù)的設(shè)備失效后果作為安全閥開啟失效后果。
API 581中開啟失效后果的劃分原則主要涉及影響面積 (Consequence Area) 和經(jīng)濟(jì)后果(Financial Consequence)兩方面,據(jù)此劃分的后果等級(jí)見表1。
表1 后果等級(jí)劃分
1.2.2 泄漏后果計(jì)算
安全閥泄漏分為輕度至中度泄漏和固定開路泄漏兩種情況, 泄漏后果計(jì)算需要考慮4種費(fèi)用:因泄漏產(chǎn)生的介質(zhì)損失費(fèi)用costinv、 環(huán)境清理費(fèi)用costenv、安全閥維修費(fèi)用costsd和因停機(jī)維修造成的停工費(fèi)用costprod。
擬對寧波地區(qū)某化工企業(yè)PTA裝置的64臺(tái)安全閥進(jìn)行基于API 581的RBI分析。 安全閥RBI計(jì)算前,需對安全閥所保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行RBI計(jì)算,即提取設(shè)備失效可能性和設(shè)備失效后果作為計(jì)算參數(shù)。 因此,本數(shù)據(jù)收集分為兩部分:
a. 安全閥數(shù)據(jù)。 主要包括安全閥投用日期、位號(hào)、通徑、整定壓力、材料、運(yùn)行溫度、操作工況、安裝方式、介質(zhì)、類型、上次校驗(yàn)日期及上次校驗(yàn)類型等關(guān)鍵參數(shù);
b. 被保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)備投用日期、編號(hào)、材料、介質(zhì)、內(nèi)徑、長度、壁厚、腐蝕裕量、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、操作溫度及操作壓力等關(guān)鍵參數(shù)。
本次RBI分析所采用的是DNV(挪威船級(jí)社)的Synergi Plant RBI Onshore 5.5軟件,是基于API 581開發(fā)設(shè)計(jì)的, 可以定量計(jì)算失效可能性和失效后果,該軟件具有安全閥計(jì)算專用模塊PRD,可連帶計(jì)算換熱器、反應(yīng)器、塔器及球罐等常見的安全閥所保護(hù)的設(shè)備。
在分析過程中, 部分基礎(chǔ)資料難以收集齊全,需提出合理假設(shè),其中主要的假設(shè)如下:
a. 所保護(hù)設(shè)備的材料可替換成相應(yīng)或相近的ASME材料牌號(hào)。例如,SA 283 Gr C代替Q235B,SA 516 Gr70 代替Q345R,閥門材料碳鋼C.S.由SA 283 Gr C代替。
b. 對于分析軟件數(shù)據(jù)庫中沒有收錄的介質(zhì)可近似代替,選取較為接近的介質(zhì)進(jìn)行后果計(jì)算。
c. 對于混合型介質(zhì),綜合考慮各部分含量與介質(zhì)的危害性,選取其一進(jìn)行計(jì)算。
將64臺(tái)安全閥數(shù)據(jù)與64臺(tái)安全閥所保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入軟件進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)前評(píng)估日期設(shè)置為2021年3月4日, 歷史校驗(yàn)周期均為 “一年一校”, 依據(jù)TSG 21—2016中規(guī)定的最長可延期5年, 將來風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置為2022年3月4日、2023年3月4日、2024年3月4日、2025年3月4日、2026年3月4日,RBI分析結(jié)果如圖1所示。
圖1 RBI分析結(jié)果
由圖1可見, 風(fēng)險(xiǎn)矩陣中包含128個(gè)評(píng)價(jià)單元,這是計(jì)算軟件將安全閥和保護(hù)設(shè)備一并計(jì)算后所顯示的結(jié)果, 將安全閥數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選并統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表2。
表2 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)安全閥風(fēng)險(xiǎn)分布情況
由表2可知,在無校驗(yàn)的情況下,從第3年開始,大部分安全閥為中高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),中低風(fēng)險(xiǎn)安全閥占比較少, 這與PTA裝置操作工藝有密切關(guān)系,安全閥大多處在高壓下(不低于10 MPa),高溫工況也較為普遍,最高可達(dá)510 ℃,同時(shí)還普遍處于強(qiáng)腐蝕性環(huán)境。
參考TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定,將安全閥校驗(yàn)周期劃分為1、3、5年。 根據(jù)安全閥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定下次檢驗(yàn)日期,重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)高的安全閥,適當(dāng)縮短其校驗(yàn)周期,而對于風(fēng)險(xiǎn)低的安全閥可適當(dāng)延長其校驗(yàn)周期。另外,由于RBI分析具有一定的局限性,風(fēng)險(xiǎn)的量化過程不能保證與實(shí)際情況完全等同[5],因此還需要結(jié)合安全閥的服役工況、介質(zhì)性質(zhì)、日常檢查情況和企業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),制定出3個(gè)校驗(yàn)周期的確定原則:
a. 符合所列條件之一的, 可實(shí)行 “一年一?!?。 下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)狀況為高風(fēng)險(xiǎn);下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)安全閥失效可能性等級(jí)為4級(jí)或者5級(jí)的;介質(zhì)存在有嚴(yán)重堵塞傾向的安全閥;有明顯應(yīng)力腐蝕開裂傾向的安全閥;歷年離線校驗(yàn)時(shí)均發(fā)現(xiàn)存在明顯腐蝕的安全閥;在日常檢查中,發(fā)現(xiàn)安全閥存在異常起跳或泄漏的情況;盛裝介質(zhì)毒性危害程度為極度或高度危害的。
b. 符合所列條件之一的, 可實(shí)行 “三年一?!薄?基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間,3年后的風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn);基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間,3年后的風(fēng)險(xiǎn)為中高風(fēng)險(xiǎn),但失效可能性等級(jí)不大于3級(jí)的。
c. 符合所列條件的,可實(shí)行“五年一?!薄?基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間,5年后的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)的。
將以上安全閥校驗(yàn)周期的確定原則,應(yīng)用于本次所評(píng)估的64臺(tái)安全閥,以2021年3月4日為起點(diǎn),確定其校驗(yàn)周期的統(tǒng)計(jì)表(表3)。
表3 某PTA裝置安全閥校驗(yàn)周期統(tǒng)計(jì)
由表3可知,PTA裝置的安全閥因苛刻的操作工況,其中大部分需進(jìn)行“一年一?!保瑑H有8臺(tái)可進(jìn)行延期校驗(yàn),而這8臺(tái)安全閥基本處于常溫、中低壓且無腐蝕性介質(zhì)的工作環(huán)境。
基于前述校驗(yàn)周期的確定原則,對于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的安全閥,在兩次校驗(yàn)周期間仍需進(jìn)行日常管理維護(hù), 維護(hù)管理?xiàng)l例應(yīng)參考TSG ZF001—2006,在線檢查頻率可按表4執(zhí)行。
表4 安全閥在線檢查頻率
“一年一?!钡?6臺(tái)安全閥,可基于當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 依據(jù)表4確定在線檢查頻率;“三年一校”的8臺(tái)安全閥,應(yīng)基于3年后達(dá)到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(選其中最高等級(jí)),依據(jù)表4確定在線檢查頻率,確保所有風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍內(nèi)。
基于API 581的RBI分析方法,綜合考慮影響安全閥風(fēng)險(xiǎn)的一系列重要因素,給出了在役安全閥延期校驗(yàn)周期的確定原則和在線檢查頻率的推薦值,可供安全閥的使用單位、校驗(yàn)單位和監(jiān)察部門參考,為今后安全閥技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的修訂提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。