基于RBI的環氧丙烷/苯乙烯裝置風險評估分析

石 凱 姜海一 李云振 趙文靜 路篤輝 中國特種設備檢測研究院

基于RBI的環氧丙烷/苯乙烯裝置風險評估分析

石 凱 姜海一 李云振 趙文靜 路篤輝 中國特種設備檢測研究院

本文介紹定量RBI分析方法在某石化公司環氧丙烷/苯乙烯裝置風險評估中的實施過程，對裝置中的容器和管道進行風險分析，并基于其潛在的損傷機理和風險等級給出適宜的大修檢驗策略。在保證檢驗有效性的前提下，優化檢驗資源，降低運行風險，以滿足裝置長周期安全穩定運行的需要。

1 環氧丙烷/苯乙烯裝置簡介及評估范圍

該石化公司位于我國東部沿海地區，環氧丙烷/苯乙烯裝置于2010年2月建成投用，年產28.5萬t環氧丙烷和62萬t苯乙烯。環氧丙烷/苯乙烯裝置包括氧化反應單元、濃縮單元、環氧化反應單元、精制單元、精餾單元、加氫單元以及乙苯單元。

本次評估采用由DNV（挪威船級社）開發的ORBIT ONSHORE軟件，能將風險后果以財產損失(具體金額)或破壞面積的形式表示，即將風險結果完全量化并進行排序，企業可以根據自身的實際情況自行設定風險可接受準則。評估對象為環氧丙烷/苯乙烯裝置中在用的所有418臺壓力容器和2915條壓力管道。評估過程中，根據設備不同部位材料、尺寸及操作參數，將設備劃分成不同的評價單元。例如換熱器可劃分為殼程、管程和換熱管三個評價單元。本次評估容器劃分1055個評價單元，管道2915個評價單元。

2 RBI技術的實施過程

2.1 物流回路、腐蝕回路的劃分和損傷機理分析

物流回路的劃分原則是當該回路中任一設備或者管道失效泄露時，僅該回路中物料才會泄露，而其它回路中的物料因有緊急切斷裝置而不發生泄露，即兩個緊急切斷裝置間的設備和管道可劃分為一個物流回路。腐蝕回路的劃分就是將失效機理相同且彼此相連的容器和管道劃定為一個腐蝕回路。本次風險評估共劃分物流回路42條，腐蝕回路31條。

損傷機理是設備失效可能性計算的基礎，通過對裝置設計資料（設備和管道的材質、規格、操作條件)、工藝資料（介質成分、污水分析報告等）與腐蝕的情況進行調查，并在參考國內外類似裝置失效分析案例的基礎上，由評估人員和廠里技術人員共同確定環氧丙烷/苯乙烯裝置中潛在的失效模式主要有：內部腐蝕減薄、應力腐蝕開裂和外部損傷三大類[1]。

● 2.1.1 內部腐蝕減薄

1）有機酸腐蝕。金屬與低分子有機酸（如甲酸、乙酸、乙二酸等）接觸時會發生全面腐蝕/局部腐蝕。當溫度低于120℃時，在含3%酸或更低的單相含有機酸物流中，碳鋼腐蝕速率小于0.127mm/a。但若物流有游離的水相存在時，會引起碳鋼材料的快速腐蝕，如當溫度大于等于38℃時，碳鋼材料腐蝕速率很容易達到1.27mm/a。丙烷/苯乙烯裝置中，有機酸主要在氧化反應和環氧化反應過程中形成，氧化反應單元、濃縮單元和環氧化反應單元塔頂物料以及精餾單元乙苯塔（T-10510)、精制單元苯乙烯輕組份塔（T-10640）等塔頂部位均出現有機酸腐蝕。

2）對甲基苯磺酸腐蝕。對甲基苯磺酸會在反應溫度下緩慢降解并釋放出二氧化硫。此外，對甲基苯磺酸中還含有可影響催化劑溶液（65%的對甲基苯磺酸水溶液）腐蝕性和堵塞趨勢的硫酸和磺酸雜質，對金屬材料進行腐蝕。丙烷/苯乙烯裝置中，對甲基苯磺酸作為催化劑引入，精制單元（堿洗工藝之前）的設備需考慮對甲基苯磺酸腐蝕。

● 2.1.2 應力腐蝕開裂

1）CO+CO2+H2O應力腐蝕開裂。在CO+CO2+H2O混合氣的環境中，會產生應力腐蝕裂紋。英國城市煤氣裝置(含CH4：35%、H2：45%、CO2：15%、CO：5%及微量殘余O2)和美國油井管道都證實了這種裂紋。環氧丙烷/苯乙烯裝置中，環氧化反應單元，環氧化反應之后，堿洗工藝之前的碳鋼設備非流動部位需考慮CO+CO2+H2O應力腐蝕開裂。

2）氯化物應力腐蝕開裂。奧氏體不銹鋼及鎳基合金在拉應力和氯化物溶液的共同作用下會發生表面開裂。氯離子通過吸附取代鈍化膜表面的氧原子后與鈍化膜中的陽離子結合形成可溶性氯化物，導致致密鈍化膜破壞，顯露出的新鮮金屬會遭腐蝕形成一個小坑。坑內氯離子通過聚集，濃度升高，并水解使得pH值下降，加快腐蝕向蝕坑的深度方向發展，形成深蝕孔，直至形成穿孔泄漏。環氧丙烷/苯乙烯裝置中，環氧化反應單元的氧化反應器、濃縮單元和精制單元的堿洗之前系統的設備均需考慮氯化物應力腐蝕開裂。

● 2.1.3 外部腐蝕

外部腐蝕包括大氣腐蝕和層下腐蝕(CUI)兩大類。該石化廠位處我國東部沿海地區，氣候潮濕，大氣中的酸度及鹽分均較高，設備容易發生CUI。CUI是由于保溫層與金屬表面間的空隙內容易集聚水而產生的，一般只形成局部腐蝕，導致小范圍面積內的壁厚減薄，多發生在-12℃～120℃溫度范圍內，尤以50℃～93℃區間最嚴重。

2.2 風險計算和結果分析

● 2.2.1 風險分布

以2014年12月為風險評估時間點，將采集數據輸入到ORBIT ONSHORE軟件，對環氧丙烷/苯乙烯裝置進行定量風險分析計算，容器與管道的風險矩陣圖分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可以看出，截止2014年12月，環氧丙烷/苯乙烯裝置中沒有高風險的評估單元；中高風險的容器單元為91個，管道單元為196個；中風險的容器單元為656個，管道單元為1368個；低風險的容器單元為308個，管道單元為1351個。

圖1 容器風險矩陣圖

圖2 管道風險矩陣圖

圖3為裝置的Pareto關系圖(總風險百分率-設備百分率曲線)。從圖3中可以看出，裝置中大部分的風險由較少的設備單元承擔，6%的容器與管道占據了裝置98%的總風險。因此，如果注重于該6%的容器和管道，就能有效地控制成套裝置98%的風險，可以極大地優化資源并保障裝置的安全穩定運行。表1和表2所列分別為環氧丙烷/苯乙烯裝置中風險居前的5設備單元和管道單元，這些設備在日常維護和監控過程中應給予重點關注。

圖3 裝置Pareto關系圖

表1 風險居前的5個容器單元及主要原因

表2 風險居前的5個管道單元及主要原因

● 2.2.2 風險的影響要素

在資產完整性管理中，將風險定義為潛在事件對人員/環境和經濟財產所造成的損害，即失效可能性和失效后果的乘積。因此，風險的影響要素可分為兩大類，一類是以失效可能性為主導，環氧丙烷/苯乙烯裝置中失效可能性在4以上(包括4)的設備單元數量多達479個，主要集中在氧化反應、濃縮和環氧化反應3個單元，主要的損傷機理有減薄、應力腐蝕開裂和外部損傷，其中減薄所占的百分比最高。對于以失效可能性較高的設備，可以通過分析其損傷機理，實施有針對性的防腐、檢驗或監測手段，即可防患于未然，如利用掛片失重對腐蝕速率大的設備進行腐蝕監測，采用先進無損檢測手段對應力腐蝕開裂可能性較高的設備進行在線降險，必要時進行材質升級等。

風險的影響要素另一類是以失效后果為主導，例如本次風險評估中的白土處理器（R-10805A/B)，其工作介質是苯，腐蝕性弱，設備因腐蝕發生的失效可能性低（1級)，但由于苯易燃且有毒，同時也是一種致癌物質，一旦發生泄漏爆炸，其負面后果很大（E級)，因此設備的風險等級綜合評定為“中高”。對于這種類型的風險，企業可通過建立完善應急、報警和消防體系，并定期進行應急消防演練等，將事故萬一發生時產生的傷害降低到最小的程度[9]。

3 檢驗策略的制定

風險評估的最終目的是在滿足國家技術法規要求的前提下，綜合考慮裝置運行狀況以及設備的風險水平，指導和優化檢驗，避免出現傳統檢驗 “過度檢驗”和“檢驗不足或無效”的現象。針對此次風險評估的具體情況，檢驗策略的制定可遵循以下幾方面的原則：

1）檢驗方式的選取：檢驗方式的選取是為了保證檢驗方案具有可行性和針對性。對于壓力容器，如果是失效機理發生在內壁且需要實施檢驗，優先選擇內部檢驗；如果存在較高外部破壞風險的，應同時對外部進行檢驗。

2）檢驗范圍的選取：根據評估結果，將檢驗的重點放在風險比較高的設備上，對于低風險的設備，適當降低檢驗比例。在檢驗過程中發現有缺陷的設備，需進行擴檢，以查清缺陷的分布和性質。

3）檢驗方法的選取：根據具體的損傷機理，在滿足風險降低要求的原則下，選擇適當的檢驗方法。參考API檢驗有效性（1）針對有腐蝕減薄有效的檢測手段為宏觀檢查結合壁厚測定，檢驗的重點放在腐蝕減薄易發生的部位，如容器的變徑、進出料附近等部位，管道的彎頭、大小頭和三通等部位；(2）針對應力腐蝕開裂有效的檢測手段為宏觀檢查和表面磁粉檢測或滲透檢測，檢驗的重點為焊縫接頭等應力集中部位； (3）針對外部損傷，對于碳鋼和低合金鋼，拆除部分保溫進行宏觀檢查和壁厚測量，對于奧氏體不銹鋼，拆除部分保溫進行宏觀檢查和滲透檢測。

4 結論與建議

1）采用定量RBI分析方法對環氧丙烷/苯乙烯裝置中418臺壓力容器和2915條壓力管道進行評估分析，裝置中約6%的設備單元占據了整套裝置98%的風險。

2）環氧丙烷/苯乙烯裝置中潛在的失效模式主要有腐蝕減薄、應力腐蝕開裂和外部損傷，損傷機理主要有腐蝕有機酸腐蝕、對甲基苯磺酸腐蝕、CO+CO2+H2O應力腐蝕開裂、氯化物應力腐蝕開裂和層下腐蝕(CUI)。

3）通過風險評估，為大修檢驗策略的制定提供科學合理的參考依據。將檢驗的重點放在風險等級較高的設備和管道上，根據不同失效機理，在滿足風險降低要求原則下，選擇相應的有效檢驗方法，降低檢驗成本，實現科學性和經濟性的統一。

4）建議在對評估范圍內容器和管道進行首次停車檢驗后，將檢驗數據與風險分析結果進行對比，對其風險值進行評估、修正，進一步完善本次風險分析給出的基礎數據庫，便于風險的動態管理。

1 T.L.WilIke,U.S.Risk Management can Reduce Regulation, Enhance Safety.Oil＆Gas Journal,1997,95(24)：37－46

2 J.T.Reynolds.The Application of Risk-based Inspection methodology in the petroleum and Petrochemical Industry, ASME PVP,1996,Vol(336)：1 25－134

3 American Petroletma Institute,Risk-based inspection Base Resource Document API 581,First Edition,2000,5

4 American Petrolemn Institute,Risk-based inspection API 580,First Edition 2002,5

5 杜志明,范軍政.安全欲度研究與應用進展.中國安全科學學報,2004,14(6)：7～10

6 姜海一,賈國棟.基于風險的檢驗(RBI)在國內合成氨裝置中的應用,中國安全科學學報,2007,17(11)：119～123

7 楊振林,RBI技術在特種設備檢驗中的應用,中國質量技術監督,2007(12)：48

8 American Petrolemn Institute,Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry API 571,Second Edition 2011,4

9 張超,陳曉,陳建國,等.考慮應急救援的危化品泄露事故后果風險評估.清華大學學報(自然科學版),2009,49(5)：1－5

2013－07－30）