化工壓力設(shè)備設(shè)計(jì)和使用中的安全可靠性因素

朱甜(江蘇焱鑫科技股份有限公司， 江蘇 江陰 214421)

0 引言

壓力設(shè)備就其性質(zhì)而言具有潛在危險(xiǎn)性，故需要足夠的安全系數(shù)以提供因設(shè)計(jì)、材料、制造、檢驗(yàn)和隨后運(yùn)行中的不確定性而導(dǎo)致的故障裕度。通常情況下，安全因素被認(rèn)為是設(shè)計(jì)過程的一部分，例如，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了材料強(qiáng)度與預(yù)期應(yīng)變之比，或材料強(qiáng)度與使用中預(yù)期最大應(yīng)力之比的限值。如果安全系數(shù)等于運(yùn)行的置信度，則部件所經(jīng)歷的運(yùn)行檢查間隔代表一個(gè)不同類型的安全系數(shù)[1]。

然而，在對(duì)現(xiàn)有壓力裝置的安全設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估中發(fā)現(xiàn)，壓力裝置發(fā)生事故或故障的許多情況是由于其設(shè)計(jì)和制造不合理，或其設(shè)計(jì)和制造在整個(gè)壽命周期內(nèi)偏離了使用環(huán)境的要求而導(dǎo)致的。雖然風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制可以提高設(shè)備安全性，但如果能夠在壓力裝置和設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造階段早期，預(yù)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)壽命期內(nèi)的故障模式和故障機(jī)制，則可以根據(jù)全壽命過程的可控風(fēng)險(xiǎn)水平和可能的風(fēng)險(xiǎn)增量。通過設(shè)計(jì)壽命選擇設(shè)計(jì)制造規(guī)范，以控制設(shè)備在使用中的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)保證長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有更重要的意義。

1 承壓設(shè)備設(shè)計(jì)和制造方法的要求

為了證明滿足基本安全要求，要求設(shè)備根據(jù)不同模塊的框架進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的一致性評(píng)估。如表1所示，為了了解這些模塊將如何應(yīng)用，第一步是將設(shè)備放置在五個(gè)符合性評(píng)估類別之一——良好工程實(shí)踐和I-IV類。制造商必須知道：設(shè)備類型、流體狀態(tài)、流體組、壓力和體積或標(biāo)稱尺寸。產(chǎn)品分類如表1所示。

表1 產(chǎn)品分類

當(dāng)前主流的化工承壓容器以及工業(yè)管道之設(shè)計(jì)依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)諸如GB150、GB50316、JB4732。它們的共同之處就在于其對(duì)設(shè)計(jì)壓力條件下和相關(guān)介質(zhì)所要求的滿足的溫度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性都是極其嚴(yán)苛的。

但是，當(dāng)下之設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和軟件在針對(duì)壓力裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中的失效機(jī)理以及相應(yīng)模式的支撐還缺乏完善的數(shù)據(jù)庫支持，對(duì)壓力設(shè)備在全生命周期過程的動(dòng)態(tài)使用環(huán)境中的多種風(fēng)險(xiǎn)因素還缺少更加充分的考量。例如，通常的應(yīng)對(duì)模式是留出一定的腐蝕裕量以應(yīng)對(duì)由于介質(zhì)的均勻腐蝕而造成的變薄現(xiàn)象，但由于針對(duì)失效機(jī)理和失效模式的考慮并不充分，因此，對(duì)如何準(zhǔn)確地提前明確承壓設(shè)備的使用壽命顯得心有余而力不足。

此外，由于在設(shè)計(jì)以及制造過程當(dāng)中，要求的預(yù)測(cè)機(jī)制難以有效發(fā)揮其應(yīng)當(dāng)?shù)淖饔?，就往往?huì)導(dǎo)致壓力設(shè)備在使用過程中突然發(fā)生故障，從而使得設(shè)備的安全性無法得到保障，或者由于對(duì)材料選擇或制造工藝的高要求，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)性不足[2]。

2 復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境中主要失效機(jī)制及其導(dǎo)致的事故

當(dāng)多個(gè)可能的故障共存時(shí)，便需要分析其主要原因。例如，石化廠1 000 m3液化石油氣球罐采用50 mg/L的淬火和烘烤鋼條，在制造過程中進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力。使用后，如圖1所示，在幾個(gè)位置發(fā)現(xiàn)了裂紋，工廠被確定為濕H2S SCC。裂紋消除并焊接修復(fù)后，再次采用熱處理控制系統(tǒng)。

圖1 SPV50Q LPG球罐再熱裂紋

然而，熱處理后，類似的裂紋再次出現(xiàn)，淬火鋼容易再熱開裂。最初的規(guī)范沒有規(guī)定此類鋼制容器應(yīng)增加熱處理后表面檢查的要求。由于缺乏仔細(xì)的分析，幾個(gè)再熱裂紋被投入使用。他們只是將再熱裂紋視為濕H2S SCC，采用了不當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果。在此示例中，仔細(xì)比較表明，再熱裂紋的金屬相與如圖2所示的SCC金屬相不同。在圖2的金屬相中，裂紋出現(xiàn)在晶界附近，且裂紋是隨機(jī)的。這也是確定主導(dǎo)機(jī)理的一條主要線索。濕H2S介質(zhì)的存在導(dǎo)致氫原子在裂紋尖端高應(yīng)力梯度位置積聚，并促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，這顯然不是裂紋的主要機(jī)制[3]。

圖2 LPG球罐焊縫SCC裂紋

在同一介質(zhì)環(huán)境中，裂紋受不同的破壞機(jī)制控制，相應(yīng)的控制方法可能不同。以濕H2S介質(zhì)為例，兩種主要的裂紋機(jī)制可由氫壓理論所描述的和Hb現(xiàn)象觸發(fā)，而如圖3所示，HIC和Hb的特征是表面附近的Hb或平行于表面的階梯狀裂紋。另一種是SOHIC或SSCC，其特征是垂直于焊接材料表面的裂紋(通常發(fā)生在焊縫處)。這主要取決于材料的純度和H2S的濃度。然而，即使出現(xiàn)此類裂紋，HIC和Hb也不會(huì)快速發(fā)展并與表面平行，故殘余缺陷可以作為參考，并在一段時(shí)間內(nèi)使用，因此剩余厚度滿足強(qiáng)度要求。如果裂紋機(jī)制為SOHIC和SSCC，剩余壽命仍然存在。它們與應(yīng)力(殘余應(yīng)力)有關(guān)，裂紋垂直于表面，因此很容易滲透到厚度方向，并迅速導(dǎo)致泄漏，十分危險(xiǎn)。

圖3 H2S引起的低碳鋼HIC(包括HB)

一旦發(fā)現(xiàn)，應(yīng)立即移除并修復(fù)。但是在過去幾年中，由于無法區(qū)分濕H2S問題的開裂機(jī)理，在許多情況下發(fā)生了HIC和Hb，設(shè)備也具有足夠的強(qiáng)度，可仍然得放棄它。

另一個(gè)類似的例子是不銹鋼原位腐蝕和原位應(yīng)力腐蝕之間的差異。在酸性Cl環(huán)境中，敏化不銹鋼經(jīng)歷了晶間腐蝕和晶界應(yīng)力腐蝕開裂。雖然晶間腐蝕會(huì)降低基體和焊縫顆粒的厚度，但不會(huì)形成大裂紋和深裂紋，故腐蝕速度并不很快。

另一方面，晶界應(yīng)力腐蝕裂紋通常出現(xiàn)在焊縫中或相對(duì)較大的應(yīng)力集中處，會(huì)導(dǎo)致大裂紋和分叉裂紋的出現(xiàn)，且增長(zhǎng)速度很快。如工廠動(dòng)力回收煙氣輪機(jī)動(dòng)力回收系統(tǒng)的膨脹節(jié)每三個(gè)月泄漏一次，材料為1Cr18Ni9Ti。這是因?yàn)槔鋮s和保護(hù)膨脹節(jié)的蒸汽供應(yīng)異常。膨脹節(jié)在500～600 ℃下長(zhǎng)時(shí)間加熱，導(dǎo)致膨脹節(jié)膨脹增加。蒸汽中的煙氣和水相中的SO2和SO3產(chǎn)生濕H2SO4，導(dǎo)致晶間腐蝕。開裂時(shí)間很短，幾十小時(shí)內(nèi)都是有害的[4]。

圖4 H2S引起的低碳鋼SOHIC

防止堿液混入管道是減少Cl-的重要預(yù)防措施。在實(shí)踐中，當(dāng)堿液不混合時(shí)，裂紋不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)。另一個(gè)例子是，工廠氫化系統(tǒng)的不銹鋼管在油氣、氫氣、H2S、硫磺和Cl-環(huán)境中的溫度為350～500 ℃，在停機(jī)期間未得到有效保護(hù)。高溫下產(chǎn)生的FeS與濕空氣接觸后產(chǎn)生聚硫酸，導(dǎo)致晶間腐蝕。其主要機(jī)制是聚硫酸的晶間腐蝕，這會(huì)加速開裂。如果在停機(jī)期間沒有加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的保護(hù)，以防止形成聚硫酸鹽，則無法通過控制Cl-來防止故障發(fā)生。

再一個(gè)例子是氨合成裝置運(yùn)行后焊接氣體管道焊縫區(qū)的開裂和泄漏。Cl-還原后會(huì)出現(xiàn)裂紋。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析表明，裂紋含有更多的Fe3O4和Na+灰色化合物，并含有少量Cl-。使用不同pH值的介質(zhì)進(jìn)行的對(duì)比研究表明，Cl-優(yōu)先使用堿脆化，并且在含有Cl-的堿性環(huán)境中發(fā)生腐蝕，生成時(shí)間很短。

因此，在這種情況下，淬火的主要機(jī)制是堿脆化，而Cl-促進(jìn)堿脆化。所以不僅存在鹽度腐蝕導(dǎo)致的酸性水腐蝕環(huán)境，還存在與硫化物和氯化物相關(guān)的SCC環(huán)境。經(jīng)分析，酸性水的腐蝕不太可能導(dǎo)致不銹鋼變薄。操作期間發(fā)生的泄漏破裂是一種顆粒裂紋，被認(rèn)為是氯應(yīng)力腐蝕。然而，停機(jī)后重啟時(shí)的泄漏故障以晶界開裂為特征，SCC占主導(dǎo)地位。H2S在氯化物SCC過程中起著特殊作用[5]。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)和壽命的設(shè)計(jì)和制造方法

基于風(fēng)險(xiǎn)和壽命的設(shè)計(jì)(RBD)的概念，考慮在壓力裝置的整個(gè)壽命過程中，由各種故障模式和損壞機(jī)制引起的設(shè)備安全，以及對(duì)設(shè)計(jì)壽命(即預(yù)期壽命)中壽命的風(fēng)險(xiǎn)影響。通過選擇合理的材料，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，并結(jié)合工藝流程采取了其他保證措施。

發(fā)達(dá)國(guó)家壓力設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的理念與中國(guó)的理念基本一致，如ASME VI-I和中國(guó)的GB150、ASME VI ii與JB4732。但它們也非常重視應(yīng)用一種有效的方法來理解，在壓力裝置設(shè)計(jì)和制造的早期階段，評(píng)估和控制整個(gè)使用壽命過程中的風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)和壽命要求，其關(guān)鍵壓力容器通常具有不同的設(shè)計(jì)壽命，并且針對(duì)設(shè)計(jì)和制造提出了不同的技術(shù)要求。例如，歐洲壓力設(shè)備指令要求在壓力容器設(shè)計(jì)期間提交風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，該報(bào)告應(yīng)解釋主要失效模式和機(jī)制、主要失效模式的失效概率等。服務(wù)過程中應(yīng)注意的問題是，中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在投資原則、技術(shù)基礎(chǔ)、質(zhì)量觀念和運(yùn)營(yíng)管理水平方面存在差異，盡管發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)還不能直接應(yīng)用于中國(guó)，但我們變革的基礎(chǔ)是引進(jìn)和消化它們[6]。

加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是典型的RBD。例如，考慮到35 年壽命期內(nèi)的各種正常和意外停機(jī)，我們根據(jù)高溫氫侵蝕機(jī)理的Nelson曲線，提前分析了全壽命期內(nèi)各種失效機(jī)制引起的過程風(fēng)險(xiǎn)。

并且，根據(jù)回火脆化機(jī)理(x、J系數(shù))控制材料的成分，并根據(jù)襯里材料的熱硫化物腐蝕和氫致開裂機(jī)理合理選擇材料和結(jié)構(gòu)。通過對(duì)局部疲勞和蠕變損傷機(jī)理的應(yīng)力分析，改善局部結(jié)構(gòu)來減少應(yīng)力集中。

關(guān)于鉻鉬鋼回火脆化的機(jī)理，提出了熱啟動(dòng)停機(jī)要求，并對(duì)聚硫酸腐蝕機(jī)理提出了停機(jī)和中和清洗的維護(hù)要求。為了減少各種損壞機(jī)制對(duì)使用中的反應(yīng)堆的影響，不僅會(huì)在制造過程中采取盡可能最好的措施(如鐵素體含量控制)，而且會(huì)注意使用過程(如啟動(dòng)和停止程序)。加氫反應(yīng)器成為一種嚴(yán)重失效概率較低的壓力容器，在壽命期內(nèi)未發(fā)生損壞事故。

將RBD方法應(yīng)用于中國(guó)所有壓力設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造是不現(xiàn)實(shí)的。然而，在中石化、電力和其他影響能源和經(jīng)濟(jì)的行業(yè)，有必要研究重要企業(yè)的大型、高參數(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、重要壓力設(shè)施。RBD方法應(yīng)用于這些設(shè)備，并對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備的安全措施進(jìn)行了審查，以評(píng)估和管理設(shè)備在使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合基于預(yù)期壽命的制造過程，通過將整個(gè)過程的風(fēng)險(xiǎn)和生活條件與設(shè)計(jì)相結(jié)合來選擇材料。從系統(tǒng)工程的角度考慮操作、啟動(dòng)、關(guān)閉和維護(hù)的具體要求，以確保設(shè)備的長(zhǎng)期安全使用。

4 結(jié)語

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)督局(SESA)正在組織修訂承壓設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，此次修訂工作的一個(gè)重要特點(diǎn)是考慮到了安全與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一，它不僅旨在將研究成果應(yīng)用于工程風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，還旨在適當(dāng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。在降低安全設(shè)計(jì)系數(shù)后，承壓設(shè)備的厚度變薄將節(jié)省資源，但相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造要求將更加精確。