煉化裝置超設(shè)計(jì)使用年限設(shè)備安全評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究

姜海一 藍(lán) 麒 錢正武 韓志遠(yuǎn) 陳思宇

（1.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢測研究院 烏魯木齊 830011）

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（3.國能新疆化工有限公司 烏魯木齊 831400）

超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器一般指使用時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，或者設(shè)計(jì)文件中未規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限、但實(shí)際使用超過20年的壓力容器[1]。當(dāng)前國內(nèi)煉油化工裝置老齡化問題日趨嚴(yán)重，2022年全國共排查老舊生產(chǎn)裝置1 410套，近年來國內(nèi)煉化裝置發(fā)生的多起火災(zāi)、爆炸事故均與裝置的老齡化相關(guān)。2020年江蘇省應(yīng)急管理廳發(fā)布《省應(yīng)急管理廳關(guān)于提升危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)本質(zhì)安全水平的指導(dǎo)意見》（蘇應(yīng)急〔2020〕1號(hào)），堅(jiān)決淘汰國家明確淘汰的工藝、設(shè)備和超期服役的高風(fēng)險(xiǎn)化工設(shè)備和設(shè)施。2022年新疆維吾爾自治區(qū)市場監(jiān)督管理局發(fā)布《關(guān)于印發(fā)<2022年自治區(qū)市場監(jiān)管領(lǐng)域危險(xiǎn)化學(xué)品安全風(fēng)險(xiǎn)集中治理實(shí)施方案>的通知》（新市監(jiān)辦質(zhì)監(jiān)〔2022〕5號(hào)），運(yùn)用自治區(qū)特種設(shè)備安全智慧監(jiān)管系統(tǒng)，排查達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限或未規(guī)定使用年限但實(shí)際投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間超過20年的壓力容器，對(duì)未進(jìn)行安全評(píng)估的，督促企業(yè)開展安全評(píng)估。2022年應(yīng)急管理部副部長孫廣宇在約談國內(nèi)某煉化集團(tuán)時(shí)指出：要實(shí)實(shí)在在深化老舊裝置安全排查整治，保質(zhì)保量完成現(xiàn)有老舊裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估整治，按照評(píng)估結(jié)果對(duì)安全沒有保障的，該退出退出，該改造改造，對(duì)運(yùn)行不穩(wěn)定的，要列出清單目錄，專題研究，徹底消除隱患、解決問題，深化整治，有效管控老舊裝置風(fēng)險(xiǎn)。

但目前超設(shè)計(jì)使用年限設(shè)備安全評(píng)估面臨一些問題，腐蝕、疲勞、蠕變、劣化等與時(shí)間相關(guān)的設(shè)備損傷累積和發(fā)展不容忽視，風(fēng)險(xiǎn)不斷提高，極大地增加了安全評(píng)估難度；超設(shè)計(jì)使用年限服役設(shè)備的檢驗(yàn)檢測項(xiàng)目和比例以及檢驗(yàn)周期等，尚無明確依據(jù)，對(duì)材質(zhì)劣化、累積損傷的檢測和安全評(píng)估缺乏有效方法；超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器，通過常規(guī)檢驗(yàn)無法滿足壓力容器使用登記證變更要求[2]；隨著時(shí)間的推移，越來越多的設(shè)備面臨超設(shè)計(jì)使用年限問題，按常規(guī)方法進(jìn)行逐臺(tái)安全評(píng)估的工作量巨大，企業(yè)成本過高，2022年中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)和中國特種設(shè)備安全與節(jié)能促進(jìn)會(huì)聯(lián)合發(fā)布了《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器評(píng)估與檢驗(yàn)導(dǎo)則》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)大批量老舊裝置整體安全評(píng)估具有指導(dǎo)意義，但該標(biāo)準(zhǔn)剛剛頒布，還未能在工程實(shí)際中得到檢驗(yàn)，亟待通過實(shí)踐形成成熟有效的安全評(píng)估方法。

國內(nèi)某大型煉化公司2019年催化裂化裝置的催化劑管道發(fā)生過爆炸著火事故，該裝置屬于老舊裝置，火進(jìn)一步研判全公司老舊裝置的安全使用狀況，對(duì)烯烴廠、煉油廠和合成橡膠廠的16套裝置中1 870臺(tái)服役時(shí)間超過10年的設(shè)備開展了安全評(píng)估工作，本文在此項(xiàng)工作基礎(chǔ)上提出設(shè)備基于時(shí)間相關(guān)性和預(yù)期使用壽命相關(guān)性的損傷模式篩查的安全評(píng)估方法，并對(duì)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用問題進(jìn)行了探討。

1 基于損傷模式篩查的安全評(píng)估方法及應(yīng)用

本文提出超設(shè)計(jì)使用年限服役壓力容器安全評(píng)估方法（如圖1所示），在時(shí)間相關(guān)性和預(yù)期使用壽命相關(guān)性兩方面對(duì)損傷模式進(jìn)行篩查，并對(duì)損傷機(jī)理與預(yù)期使用壽命高相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，最終得到裝置整體安全評(píng)估結(jié)論。具體技術(shù)流程如下：

圖1 超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器安全評(píng)估流程

1）查閱歷次檢驗(yàn)及相關(guān)設(shè)計(jì)，制造，使用，維護(hù)資料，明確設(shè)備狀態(tài)。重點(diǎn)查閱設(shè)備的檢驗(yàn)缺陷、事故檔案、老舊材質(zhì)、具有疲勞、蠕變、劣化等損傷機(jī)理設(shè)備的運(yùn)行記錄等情況，其中設(shè)備老舊材質(zhì)使用情況見表1。

表1 設(shè)備老舊材質(zhì)使用情況

2）對(duì)超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器進(jìn)行損傷模式識(shí)別，判定其損傷模式與時(shí)間相關(guān)性。以乙烯裝置火例，識(shí)別出來的損傷機(jī)理已括均勻腐蝕減薄、高溫硫化物腐蝕、鍋爐冷凝水腐蝕、堿腐蝕、酸性水腐蝕、煙氣露點(diǎn)腐蝕、氧化腐蝕、大氣腐蝕、層下腐蝕、點(diǎn)蝕、堿應(yīng)力腐蝕開裂、碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、材料劣化、低溫脆斷、回火脆化、高溫氫腐蝕、過熱、機(jī)械疲勞、熱疲勞、機(jī)械損傷和制造缺陷處發(fā)生彈塑性開裂等[4-11]。與時(shí)間相關(guān)損傷機(jī)理的設(shè)備已括下列情況：高溫蠕變、疲勞或材質(zhì)劣化；存在腐蝕機(jī)理且超過腐蝕裕量的腐蝕減??；存在應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理且發(fā)生過開裂；存在制造缺陷及彈塑性開裂機(jī)理。其他情況，對(duì)應(yīng)與時(shí)間無關(guān)損傷機(jī)理的設(shè)備。

注：本分析保守地將環(huán)境開裂以及存在制造缺陷且為彈塑性開裂機(jī)理列為與時(shí)間相關(guān)損傷模式，而《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器評(píng)估與檢驗(yàn)導(dǎo)則》并未把上述2項(xiàng)列為與時(shí)間相關(guān)損傷模式。

3）對(duì)存在與時(shí)間相關(guān)損傷的壓力容器進(jìn)行分類，判斷其與預(yù)期使用壽命低相關(guān)還是高相關(guān)。與時(shí)間相關(guān)損傷機(jī)理的設(shè)備中，篩選存在蠕變或疲勞損傷機(jī)理的、存在回火脆化或氫脆等材質(zhì)劣化且有明確劣化跡象的、存在腐蝕機(jī)理且超過檢規(guī)要求的、存在應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理且發(fā)生過嚴(yán)重開裂、存在制造缺陷且火彈塑性開裂機(jī)理的，火損傷機(jī)理與預(yù)期使用壽命高相關(guān)設(shè)備。與時(shí)間相關(guān)損傷機(jī)理的設(shè)備中，存在超過腐蝕裕量的腐蝕減薄或球化等材質(zhì)劣化但未達(dá)到TSG 21—2016[1]監(jiān)控使用或報(bào)廢要求的、發(fā)生輕微應(yīng)力腐蝕開裂或存在輕微制造缺陷并已經(jīng)修復(fù)不影響定級(jí)的，不屬于損傷機(jī)理與預(yù)期使用壽命高相關(guān)度的設(shè)備。16套裝置1 870臺(tái)老舊設(shè)備的損傷模式與時(shí)間相關(guān)和預(yù)期使用壽命高相關(guān)度的篩選情況見表2。

表2 各評(píng)估裝置的損傷機(jī)理與時(shí)間相關(guān)和預(yù)期使用壽命相關(guān)設(shè)備篩選情況

4）對(duì)于損傷機(jī)理與預(yù)期使用壽命高相關(guān)的壓力容器，進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。目前國內(nèi)外存在很多合于使用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如 GB/T 19624—2019[12]、GB/T 35013—2018[13]、API 579[14-15]、SY/T 6477、R6、SINTAP和BS 7910等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及JB 4732—1995、JB/T 4710—2005等各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方法和準(zhǔn)則不同，本文提出了不同損傷機(jī)理進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的技術(shù)路線，其中腐蝕減薄、環(huán)境開裂和材質(zhì)劣化量化評(píng)價(jià)技術(shù)路線如圖2～圖4所示。量化評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 量化評(píng)價(jià)結(jié)果

續(xù)表

圖2 腐蝕減薄合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)路線

圖3 環(huán)境開裂合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)路線

圖4 材質(zhì)劣化合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)路線

5）根據(jù)安全評(píng)估結(jié)果確定超設(shè)計(jì)使用年限服役的檢維修周期，提供超設(shè)計(jì)壽命服役設(shè)備管理、修復(fù)、延壽等方面的技術(shù)建議。對(duì)腐蝕減薄等損傷模式與使用壽命高相關(guān)的壓力容器，按最近一次定期檢驗(yàn)及本次量化評(píng)價(jià)結(jié)果綜合確定下次檢驗(yàn)周期，到期后按TSG 21—2016要求檢驗(yàn)并再次進(jìn)行安全評(píng)估。對(duì)于不存在與時(shí)間相關(guān)和與使用壽命低相關(guān)損傷模式的壓力容器，可按照TSG 21—2016進(jìn)行檢驗(yàn)，并確定安全狀況等級(jí)和下一次檢驗(yàn)周期。設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)工況操作運(yùn)行，控制工藝波動(dòng)的幅度，注意工藝波動(dòng)可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成的影響。

6）出具安全評(píng)估報(bào)告，火超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器注冊(cè)登記變更及使用維護(hù)提供技術(shù)支撐。

2 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用問題的探討

1）針對(duì)不銹鋼設(shè)備，在對(duì)腐蝕減薄損傷機(jī)理進(jìn)行篩查時(shí)，因腐蝕裕量往往火0，應(yīng)關(guān)注此類設(shè)備的制造減薄，避免對(duì)大量不銹鋼設(shè)備進(jìn)行量化評(píng)價(jià)；

2）對(duì)于不銹鋼襯里存在裂紋的情況，應(yīng)考慮襯里的防護(hù)作用，當(dāng)襯里的作用是防止腐蝕時(shí)，可以不關(guān)注裂紋情況；但當(dāng)襯里的作用是防止高溫高壓氫損傷時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裂紋情況；

3）考慮到《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器評(píng)估與檢驗(yàn)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)是最低要求，推薦對(duì)出現(xiàn)過開裂的應(yīng)力腐蝕以及還未出現(xiàn)損傷跡象的疲勞和高溫蠕變對(duì)應(yīng)的超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器也進(jìn)行量化評(píng)價(jià)；

4）GB/T 35013—2018和 API 579采用三級(jí)評(píng)價(jià)，一級(jí)評(píng)價(jià)較火簡單，可實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)，而GB/T 19624—2019沒有分級(jí)評(píng)價(jià)的設(shè)置；

5）局部凹坑缺陷的評(píng)價(jià)結(jié)果一般比裂紋類缺陷更保守，當(dāng)采用局部減薄評(píng)價(jià)不通過時(shí)，可以采用等效裂紋類缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)；

6）存在高溫蠕變和疲勞機(jī)理設(shè)備的評(píng)價(jià)部位實(shí)際應(yīng)力水平對(duì)其量化評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，對(duì)于存在幾何不連續(xù)等應(yīng)力集中部位的設(shè)備，應(yīng)慎重考慮設(shè)備實(shí)際尺寸；GB/T 35013—2018和API 579提供的高溫蠕變量化評(píng)價(jià)拉爾森米勒和Ω蠕變數(shù)據(jù)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出入較大，必要時(shí)取試樣進(jìn)行高溫蠕變加速試驗(yàn)，得出更精確結(jié)果；

7）對(duì)于裂紋類缺陷評(píng)價(jià)方法，在主應(yīng)力計(jì)算方面，API 579給出了詳細(xì)的計(jì)算方法，而GB/T 19624—2019除了提供錯(cuò)邊和棱角度二次應(yīng)力的計(jì)算方法外，未提供其他詳細(xì)計(jì)算方法；在殘余應(yīng)力計(jì)算方面，API 579提供了四階似合計(jì)算方法，也提供了公式計(jì)算方法，殘余應(yīng)力與焊接線能量、耐壓試驗(yàn)直接相關(guān)，殘余應(yīng)力分火表面殘余應(yīng)力和壁厚截面殘余應(yīng)力2種，較火精確，而GB/T 19624—2019公提供了公式計(jì)算方法，較火簡單；在安全系數(shù)確定方面，GB/T 19624—2019提供了一般和嚴(yán)重2種選項(xiàng)，而API 579可以根據(jù)缺陷尺寸、設(shè)備失效概率、應(yīng)力計(jì)算方法、材料斷裂性能和屈服強(qiáng)度綜合確定。

3 結(jié)束語

當(dāng)前我國面臨大量煉化裝置老舊設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限問題，針對(duì)大批量老舊設(shè)備安全評(píng)估的工作還沒有大范圍開展。本文在《超設(shè)計(jì)使用年限壓力容器評(píng)估與檢驗(yàn)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出基于損傷模式篩查的安全評(píng)估方法并開展了試點(diǎn)應(yīng)用，還對(duì)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用問題進(jìn)行了探討。本方法對(duì)國內(nèi)解決大量老舊設(shè)備批量安全評(píng)估問題提供了思路，該方法的推廣將火企業(yè)和評(píng)估機(jī)構(gòu)節(jié)省大量評(píng)估成本，提高與時(shí)間和預(yù)期使用壽命相關(guān)設(shè)備評(píng)估的有效性，保障了企業(yè)老舊裝置安全運(yùn)行。