火電廠主蒸汽系統(tǒng)金屬部件隱患風(fēng)險評價

于程煒，劉文清，王淦剛，張 桐，王 震

(1.天津國能盤山發(fā)電有限責(zé)任公司，天津 301900；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

目前，電廠金屬監(jiān)督管理人員通常按照DL/T 438—2021《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行金屬監(jiān)督活動管理，以保證金屬部件受監(jiān)狀態(tài)。另外，傳統(tǒng)的破壞性取樣評估方法存在成本高，受限于檢修工期，且評價結(jié)果僅反映取樣區(qū)的性能狀態(tài)，無法客觀反映發(fā)電機組蒸汽管道系統(tǒng)整體健康水平的差異性等問題，因此研究一種能夠科學(xué)、合理評價火電廠主蒸汽系統(tǒng)管道金屬部件隱患的評價方法非常有必要。

1 概況

某發(fā)電廠采用前蘇聯(lián)成套引進(jìn)的500 MW超臨界燃煤發(fā)電機組，主蒸汽管道材質(zhì)為15x1МФ（俄方鋼號），相當(dāng)于我國的15Cr1MoV型鋼，設(shè)計壓力25.5 MPa，設(shè)計溫度545 ℃。至今機組已運營26年，已近壽命末期，部件材料性能出現(xiàn)了不同程度的老化。根據(jù)相關(guān)研究表明[1-5]，造成老化或加速老化的失效因素包括：碳化物沿晶界析出聚集粗化、長大以及碳化物類型轉(zhuǎn)變、珠光體球化、合金元素擴(kuò)散與再分配、微觀組織變化及制造質(zhì)量缺陷等，這些給機組安全運行造成了潛在的安全隱患。因此，下面采用一種數(shù)學(xué)分析方法對金屬隱患部件識別和在線評價，以掌握設(shè)備部件的安全狀態(tài)。

2 研究方法

2.1 隱患部件識別

該主蒸汽系統(tǒng)管道共分布12個焊口，焊縫一般為部件薄弱區(qū)域，因此將12個焊口視同于金屬部件作為研究對象。將部件安全性能的影響因素(硬度、組織、壁厚、應(yīng)力狀態(tài)、缺陷、啟停次數(shù)、運行參數(shù)及使用壽命)作為輸入變量(X1，X2，X3，…，Xn)，對輸入變量根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行4類賦值，分別為0、1、3、9分值，代表不同的相關(guān)程度。將X與X的重要度(Y)建立因果矩陣進(jìn)行計算分析。為保證Y值的權(quán)威性，組織行業(yè)專家參考DL/T 438和DL/T 868等標(biāo)準(zhǔn)對重要度賦予權(quán)重(Y1，Y2，Y3，…，Yn)進(jìn)行評分，Y值在1～10之間，10代表重要度最高，賦值結(jié)果如表1所示。將每一單元的相關(guān)程度得分值乘以該列的輸出變量的權(quán)重數(shù)，然后將每一行的乘積加起來，即∑Xi×Yi代表該輸入變量的權(quán)重[6]，根據(jù)權(quán)重數(shù)值的高低進(jìn)行隱患部件評價，分值越高其隱患風(fēng)險越高。

表1 輸入變量評分標(biāo)準(zhǔn)及重要度賦值

2.2 風(fēng)險評估

在隱患分析結(jié)果基礎(chǔ)上采用模糊FMEA進(jìn)一步開展風(fēng)險評估分析，模糊FMEA分析提供了一種利用模糊矩陣運算的科學(xué)方法[7]。對于主蒸汽系統(tǒng)管道，評價涉及的安全因素很多，各種因素所占的權(quán)重也不盡相同，對不同因素也很難進(jìn)行量化評價，只能用“很好”“較好”等進(jìn)行模糊評價。因此，利用模糊矩陣正好滿足了這類無法直接進(jìn)行定量評價的復(fù)雜系統(tǒng)的評價需求[8]，風(fēng)險評估之前，假設(shè)有n個風(fēng)險模式Fi(i=1，2，…，n)，m個專家Ej(j=1，2，…，m)；令Oij=(LOij，MOij，UOij)，Sij=(LSij，MSij，USij)，Dij=(LDij，MDij，UDij)分別是第i個風(fēng)險模式在專家j的評估下，關(guān)于發(fā)生度(O)、嚴(yán)重度(S)和可探測度(D)的模糊等級，L、M、U分別代表相應(yīng)的模糊數(shù)。wj(j=1，2，…，m)表示m個專家的權(quán)重，且wj∈［0，1］。則嚴(yán)重度(S)、發(fā)生度(O)、可探測度(D)對應(yīng)每個風(fēng)險模式的表達(dá)式為公式(1)～(3)。

分析步驟如下：

1) 失效風(fēng)險模式分析。隱患部件可能會產(chǎn)生的失效風(fēng)險模式共有5種，如表2所示。

2)S、O及D評估賦值。S、O及D值位于1～10之間，如表3所示。S數(shù)值越高到，其影響程度就越高；O數(shù)值越高，發(fā)生頻率越高，危害越大；D數(shù)值越大，探測難度越大。

表3 S、O及D賦值標(biāo)準(zhǔn)

3) 風(fēng)險優(yōu)先級(RPN)計算。計算各種失效模式的RPN，其值PRPN=SOD，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行分險評價。

3 分析結(jié)果

3.1 隱患識別

主蒸汽系統(tǒng)金屬部件隱患識別結(jié)果如表4所示，從表中可看出系統(tǒng)部件整體計算分值較高(大于100)，金屬部件的安全性能普遍呈下降趨勢。其中：部件12的權(quán)重值高達(dá)303，其風(fēng)險隱患處于高水平；部件7和部件9的權(quán)重值略高于200，其風(fēng)險隱患位于較高水平；其他部件的權(quán)重值位于100～200之間，其風(fēng)險隱患位于一般水平。

表4 矩陣分析結(jié)果

3.2 風(fēng)險分析

組織行業(yè)內(nèi)2名焊接、1名應(yīng)力結(jié)構(gòu)及1名失效分析領(lǐng)域技術(shù)人員組成專家組，對高風(fēng)險和較高風(fēng)險隱患部件按照表3的模糊等級和模糊數(shù)定義，對每種風(fēng)險模式進(jìn)行評估分析，結(jié)果見表5所示。將表5進(jìn)行模糊化處理，并根據(jù)公式(1)～(3)進(jìn)行模糊數(shù)計算，計算結(jié)果見表6。將表6采用對比平均法解模糊化后進(jìn)行風(fēng)險優(yōu)先值計算，計算結(jié)果見表7。風(fēng)險優(yōu)先級RPN綜合評價某隱患對事故產(chǎn)生的影響，RPN數(shù)值越高，越應(yīng)該當(dāng)作預(yù)防控制風(fēng)險的重點，從結(jié)果可看出，在各失效故障下風(fēng)險程度為：R2＞R3＞R1＞R4＞R5，表明性能老化和缺陷擴(kuò)展引發(fā)的管道失效泄漏風(fēng)險較高，其次是設(shè)計不當(dāng)引發(fā)的管道失效泄漏風(fēng)險，再次是應(yīng)力(焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及附加應(yīng)力等)和人因失誤引發(fā)的管道失效泄漏風(fēng)險。

表5 失效風(fēng)險模式專家評估結(jié)果

表6 各失效風(fēng)險模式的模糊數(shù)

表7 模糊FMEA評估結(jié)果

4 結(jié)論

隨著機組運行時間的增加，主蒸汽系統(tǒng)管道的安全狀態(tài)日益降低，管道發(fā)生爆破等惡性事故的概率將大大增加。傳統(tǒng)的金屬監(jiān)督檢驗并不能完全反映管道健康狀態(tài)，以上通過一種非破壞性在線評價方法對管道進(jìn)行隱患識別與風(fēng)險評價，評價結(jié)果表明了主蒸汽系統(tǒng)管道整體安全狀態(tài)呈下降趨勢，其安全狀態(tài)呈高風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)及一般風(fēng)險區(qū)的分布特征。針對整個系統(tǒng)管道，建議電廠金屬監(jiān)督檢驗應(yīng)全面覆蓋，并建立設(shè)備分級管理策略，使得維修活動引入的風(fēng)險維持在最小范圍內(nèi)，實現(xiàn)風(fēng)險管理活動資源投入最優(yōu)化。

具體分級管理方法為：

1) 對于高風(fēng)險的隱患部件應(yīng)高度關(guān)注，應(yīng)全面進(jìn)行金屬監(jiān)督檢驗，優(yōu)先安排更換處理。

2) 對于較高風(fēng)險的隱患部件應(yīng)重點關(guān)注，按實際情況制定金屬監(jiān)督計劃。重點關(guān)注失效泄漏易造成人員傷亡的部件，盡早更換處理。

3) 對于一般風(fēng)險的隱患部件應(yīng)一般關(guān)注，按電廠實際情況制定金屬監(jiān)督計劃，必要時進(jìn)行更換處理。