石化裝置靜設備動態風險計算方法淺析

孫國豪鹿 劍馬斌良莊法坤李建宏謝國山曹邏煒葛 良

（1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司 克拉瑪依 833600）

（2.新疆特種設備檢驗研究院 烏魯木齊 830002）

（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

石化裝置靜設備動態風險計算方法淺析

孫國豪1鹿 劍2馬斌良1莊法坤3李建宏1謝國山3曹邏煒3葛 良3

（1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司 克拉瑪依 833600）

（2.新疆特種設備檢驗研究院 烏魯木齊 830002）

（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

在役承壓設備運行時，工藝參數不可避免會發生波動，因而設備運行風險是動態變化的。本文基于靜設備風險計算方法，分析了靜設備失效可能性定量計算的組成因子，研究各因子的計算流程，辨識設備運行中的波動參數，分析了波動參數對設備風險的影響。通過配置工藝、腐蝕等系統的接口，把相關波動的參數值引入設備風險評價系統，計算設備的風險值，實現設備風險值的動態計算和跟蹤，為設備安全運行、風險評價和檢維修策略提供指導。

石化裝置 靜設備 動態風險 影響因素

實施基于風險的檢驗技術（RBI），優化檢驗策略，可以顯著的降低石化成套裝置設備停機時間和檢修成本，提升企業管理水平[1，2，3]。當企業生產計劃與檢驗周期存在矛盾時，通過實施RBI風險評估及相應的在線檢測、監控措施，可以解決兩者的矛盾[4，5]。因此，針對成套裝置全面實施基于風險的檢驗技術，不間斷長期動態開展RBI評估，形成與裝置長周期運行管理相適應的檢維修管理策略，有利于降低管理風險、減少安全隱患。

承壓設備的風險動態計算是不間斷長期開展RBI評估的基礎。在役承壓設備受裝置狀態和設備工況的影響，其風險具有顯著的動態屬性，如加工處理原料的變化、操作工藝條件的變化，均會引起參數波動，尤其是溫度、壓力、介質的變化，可能會使設備的損傷加劇，增大了設備失效的可能性[6，7]。目前的RBI技術可給出量化的風險及檢驗計劃，奠定了風險控制與管理的基礎，但在評估過程中，RBI計算設備風險時所用的設備介質、操作壓力、操縱溫度等參數均是設計時給出的值[8]，是一固定值。而設備實際運行中上述因素均在變化，即目前的RBI評估未考慮設備參數波動對風險的影響，與實際工況存在一定偏差。

因此，本文基于GB/T 26610分析靜設備風險定量計算過程，通過研究各因子的計算流程，辨識影響設備動態風險的因素，結合石化裝置的運行特點及數據管理方式，將各影響因素進行歸類，為石化裝置靜設備動態風險計算提供理論指導。

1 靜設備動態風險影響因素分析

1.1 靜設備RBI風險計算方法

由GB/T 26610.1《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第1部分：基本要求和實施程序》可知[9]，靜設備的風險是由兩方面的因素決定的：一是失效可能性；二是失效后果。

其中，失效可能性的定量計算參照GB/T 26610.4《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第4部分：失效可能性定量分析方法》[10]，分兩個步驟進行計算：

1）按照式（1）計算設備失效概率F：

式中：

FG——同類設備平均失效概率；

FE——設備修正系數，設備修正系數的組成如圖1所示；

FM——管理系統評價系數；

FL——超標缺陷影響系數。

2）依據設備失效概率和失效可能性等級劃分的原則，給出設備的失效可能性等級。

1.2 靜設備失效可能性影響因素分析

對于靜設備的失效可能性和失效后果：設備的失效后果由服役時的介質、溫度、壓力、有害物質的存量、周圍環境等因素決定，這些因素在設備設計建造階段已基本確定，一般不會改變[6]；但是，設備的失效可能性隨著材料、操作條件、服役時間和管理水平的影響，存在不確定性和隨機性，導致設備風險難以確定，也是設備風險動態計算中的關鍵問題。

同類設備平均失效概率FG，當設備類型確定后，可根據GB/T 26610.4中的表2選取該值。管理系統評價系數FM，按照GB/T 26610.4中附錄B對企業的管理系統進行評價。對于超標缺陷影響系數FL，當設備中存在超標缺陷時，應根據設備的原始制造質量及服役過程中是否存在與時間相關的退化機理，確定超標缺陷影響系數。設備修正系數FE由4個因子組成，如圖1所示，包含技術模塊因子、通用條件因子、機械因子和工藝因子，需分別確定這4個因子，再進行加和計算。由此可以看出，FG為一固定值，FM對于同一企業來說也是確定的，只有FL和FE同設備實際運行狀況關聯較大。因此，影響設備風險的主要系數是設備修正系數FE和超標缺陷影響系數FL。

圖1 設備修正系數

當企業管理水平和設備的基礎資料健全時，FE中的通用條件因子、機械因子和工藝因子基本確定。其中：

1）通用條件因子，由工廠條件、寒冷氣候運行和地震活動三個次因子決定，對于同一企業來說，其管理水平、裝置運行狀況和所在環境等因素都是相對固定的，即通用條件因子不會發生變化。

2）機械因子由結構復雜性、建造規范、壽命周期、安全系數和振動監測共5個次因子組成，部分次因子還包含子因子，機械因子的確定受結構復雜性（如設備類型、接管數量、法蘭面數量等）、建造依據（設備制造時是否參照標準等）、設備服役年限、操作壓力、設計壓力、操作溫度、有無振動監測等因素的影響，其中，除了操作壓力和操作溫度外，其他影響因素在設備設計建造階段便已確定，除非投產后進行重大改造。

3）工藝因子由工藝連續性、工藝穩定性和安全閥狀態共3個次因子組成，工藝連續性和安全閥狀態子因子還包含子因子，工藝因子受計劃/非計劃停車次數、工藝過程復雜性、工藝過程的穩定性、工藝過程的成熟度、控制系統是否滿足現行標準、相關工藝操作人員是否經過了工藝培訓等因素影響，當企業的管理水平較高和未采取新工藝時，上述因素一般不會發生變化。

設備修正系數中，技術模塊用來評估特定失效機理對失效可能性的影響，該模塊可以篩選設備運行條件下的破壞機理，建立破壞速率，量化檢驗程序的有效性，該過程即設備損傷模式識別，這也是設備RBI分析計算的基礎。因此，技術模塊是設備修正系數中的關鍵要素。

設備修正系數中，技術模塊可以識別的損傷模式包括腐蝕減薄、應力腐蝕開裂、高溫氫蝕、爐管損傷、機械疲勞、設備襯里破壞、外部損傷和脆性斷裂。其中：

1）減薄技術模塊在RBI技術中是所有設備都要考慮的失效機理。腐蝕減薄包括均勻腐蝕減薄和局部腐蝕減薄兩種失效形式，具體腐蝕機理有鹽酸（HCl）腐蝕、高溫H2/H2S腐蝕等。腐蝕減薄可靠度的確定涉及材料、介質、溫度、服役時間、檢驗有效性、檢驗頻率等，RBI分析中失效可能性的確定過程如圖2所示。

圖2 腐蝕減薄失效可能性Pf減薄的確定過程

通過濃度、溫度、材料等從腐蝕速率庫中查得估計的腐蝕速率，再綜合考慮設備服役時間、壁厚、檢驗有效性和檢驗次數等因素最終確定腐蝕減薄失效可能性Pf減薄。但是，RBI分析中腐蝕減薄失效可能性的確定未考慮介質的濃度波動等因素對風險評估的影響。由圖2可以看出，實際運行過程中，受工藝波動的影響，介質的pH值、溫度、流速等發生變化，進而影響腐蝕速率；同時，隨著時間的推移，部分設備材料還會發生材質裂化，以及壁厚的減薄。因此，pH值、溫度、介質流速和壁厚值均是變量，均會影響到腐蝕減薄失效可能性的計算。

2）應力腐蝕開裂（SCC）是承壓設備腐蝕失效中最危險的腐蝕形式之一，在金屬材料整個腐蝕失效中所占比例高達40%以上，特別是對于不銹鋼材料的承壓設備[11]，SCC失效占55%。并且隨著設備的大型化、高強鋼的大量使用[4]，這個比例在不斷升高。在RBI技術中，應力腐蝕開裂是所有設備都要考慮的技術模塊。

根據工藝、材料、制造參數可以將敏感性分為高、中、低三個等級，通過SCC敏感性確定“嚴重度指數”，硫化氫腐蝕開裂的Pf_SCC的確定過程如圖3所示。

圖3 應力腐蝕開裂失效可能性Pf_SCC的確定過程

圖3可以看出，實際運行過程中，受工藝波動的影響，介質的pH值、溫度、壓力、流速、H2S濃度、氯離子濃度、碳酸根離子濃度等會發生變化，進而使環境嚴重度發生變化，進而影響SCC敏感性和應力腐蝕開裂失效可能性的確定。因此，計算設備的動態風險值時，應該采用介質的pH值、溫度、壓力、流速、H2S濃度、氯離子濃度、碳酸根離子濃度的運行數據。

3）設備修正系數中的其他損傷模式，如高溫氫蝕、爐管損傷、機械疲勞、設備襯里破壞、外部損傷和脆性斷裂，均是針對特定環境和特殊結構的，對于成套裝置中大部分設備的動態風險計算影響較小。

對于超標缺陷影響系數FL，需要根據設備的原始制造質量及服役過程中是否存在與時間相關的退化機理來確定該系數。其中，超標缺陷可以分為兩類：

1）與時間無關的超標缺陷，根據設備定期檢驗規程或合于使用評價結果進行賦值，對設備動態風險無影響；

2）與時間相關的超標缺陷，隨著時間的演化發生退化，需要根據服役條件、可能存在的損傷機理、擬服役時間Tn和剩余壽命TSL進行賦值，見表1，因而隨著設備運行時間的變化，超標缺陷影響系數FL亦隨時間發生變化，進而影響設備風險水平。

表1 與時間相關的超標缺陷影響系數[10]

綜上，影響設備失效概率中的主要系數是設備修正系數FE和超標缺陷影響系數FL，相應的影響因素匯總見表2。

表2 靜設備失效概率計算影響因素

1.3 靜設備失效可能性影響因素歸納分析

影響設備失效可能性計算的主要因素見表2，結合石化裝置的運行特點及數據管理方式，將表2中的數據歸納為運行、工藝、腐蝕、故障/缺陷共四個大類，具體見表3。

表3 靜設備動態風險計算需考慮的主要因素分類

2 靜設備動態風險計算方法淺析

2.1 計算方法

靜設備動態風險的計算可以通過兩種方式實現：

1）依據設備的基礎資料（設計資料、工藝資料和檢驗數據），計算設備的風險值，然后通過數據監控獲取設備的運行數據、工藝數據、腐蝕數據和缺陷數據，對設備風險值進行修正，該過程可以按照設定的頻率不斷更新設備的風險值，實現風險的動態計算。

2）以設計資料和檢驗數據為基礎，依據設備的當前的實時數據（包括設備的運行、工藝、腐蝕和缺陷數據），不斷地計算設備的風險值，并按照一定的頻率進行更新，實現風險的動態計算。

比較上述兩種方法可以看出，當設備數量較少時，上述兩種方法并無明顯區別；當設備數量較多時，第一種方法的計算時間和穩定性明顯要優于第二種方法。尤其是對于成套裝置而言，容器和管道數量數以千計，數據量巨大，明顯采取第一種方法的優勢突出。采取第一種方法計算設備的動態風險如圖4所示。

圖4 靜設備動態風險計算流程

依托接口程序讀入設備運行數據，實現設備動態風險的計算。按照圖4中設備的動態風險計算流程，基于B/S架構開發動態風險計算軟件，采用ASP. NET開發環境，選用C#程序設計語言，使用SQL Server2008R2作為數據庫平臺以及Microsoft.NET Framework4.0作為應用系統的運行框架。軟件中數據接口如圖5所示，通過該接口可以及時把相關波動的參數值引入設備風險評價系統，計算設備的風險值，以實現設備風險值的實時動態跟蹤。

圖5 動態風險計算的軟件接口

2.2 應用實例

以某煉油廠加氫裂化裝置中F101主火嘴過濾器為例，示范設備動態風險的計算過程。

F101主火嘴過濾器的設備編號為A-102A，依據該設備的基礎數據計算出的靜態風險值如圖6所示，設備處于低風險水平。設備風險每隔一定周期變自動更新，某時刻設備的風險水平由低風險上升為中風險，如圖7所示，其失效可能性等級由1增大到4。

經系統原因分析，如圖7所示，引起設備失效可能性升高的原因是：設備的腐蝕速率由0.02mm/a變化為0.9mm/a。通過查找監控數據，如圖8所示，同時刻F101主火嘴過濾器的腐蝕速率監控顯示，該設備的腐蝕速率突然上升到0.9mm/a，導致設備風險水平升高。因此，本文所述設備動態風險計算方法，以及采用的數據接口方式實現風險計算，通過應用證明是可行的。

圖6 F101主火嘴過濾器風險值

圖7 設備風險變化及原因分析

圖8 主火嘴過濾器的腐蝕速率監控

通過本應用案例可以看出，企業設備人員通過本文所述方法及系統：

1）可以及時了解設備在運行過程中的風險等級水平，面對設備風險水平的變化及時做出應對措施。

2）可以了解設備動態風險計算原理，在設備日常管理中，重點監控影響設備風險的關鍵參量，提高設備管理的針對性、有效性。

3 結論

1）分析RBI計算方法發現，缺陷超標缺陷影響系數和設備修正系數同設備的實際運行狀況關聯較大，計算設備的動態風險時，需要采用設備在運行狀態下的設備修正系數和超標缺陷影響系數。

2）影響設備失效可能性的主要次因子有安全系數次因子、減薄次因子和應力腐蝕開裂次因子，相應的影響設備失效可能性的因素是pH值、操作溫度、操作壓力、設備壁厚值、介質流速、H2S濃度、氯離子濃度和碳酸根離子濃度等，結合石化裝置的運行特點及數據管理方式，將上述因素歸納為運行、工藝、腐蝕、故障/缺陷共四個大類。

3）采用風險計算、參數修正和風險自動更新的方式，計算成套裝置靜設備的動態風險具有可行性。依據設備的基礎資料計算設備的風險值，采用數據接口配置方法，及時把相關波動的參數值引入設備風險評價系統，修正風險，并以特定頻率更新設備的風險值，以實現設備風險值的實時動態跟蹤，為裝置長周期運行管理提供技術支撐。

[1] 李代兵，謝國山，李志峰．催化裂化裝置風險分析[J]．石油化工設備，2010，39(4)：13-16．

[2] 高建蘋，梁學福．基于風險的檢驗（RBI）技術在柴油加氫裝置中的應用[J]．甘肅科技，2012，28(20)：36-37．

[3] 任世科，劉雪梅，侯杰．基于風險的檢驗（RBI）技術在蘭州石化公司重油催化裂化裝置的應用[J]．腐蝕與防護，2006，27(11)：567-570．

[4] 陸秀群，陳煒，喬光譜，等．RBI技術在國內的發展狀況及在石化裝置中的應用[J]．化工機械，2014，41(2)：147-149．

[5] 羅廣輝，宋曉江，周敏，等．淺談煉化企業基于風險的檢驗管理模式及應用[J]．中國特種設備安全，2015，31(12)：77-80．

[6] 史進．石化過程裝置風險動態控制與管理[C]．第一次全國工程風險分析技術學術會議論文集，第一次全國工程風險分析技術學術會議，南京：2006．

[7] 李翔，王輝．成套裝置動態風險管理專家系統[J]．中國安全生產科學技術，2015(8)：192-196．

[8] 黃晨，劉旭峰，李靜，等．石化裝置綜合風險分析方法研究[J]．中國安全科學學報，2011，21(11)：109-114．

[9] GB/T 26610．1—2011 承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第1部分：基本要求和實施程序[S]．

[10] GB/T 26610．4—2014 承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第4部分：失效可能性定量分析方法[S]．[11] 姚文迪，游革新，吳璐瑩，等．一則液化石油氣管彎頭腐蝕失效的分析[J]．石油化工設備技術，2010，31(3)：54-57．

[12] 仇恩滄．石油化工設備的大型化-壓力容器行業的機遇和挑戰[J]．石油化工設備技術，2004，25(1)：6-10．

Discussion of Dynamic Risk Assessment Calculation Method for Petrochemical Static Equipment

Sun Guohao1Lu Jian2Ma Binliang1Zhuang Fakun3Li Jianhong1Xie Guoshan3Cao Luowei3Ge Liang3
(1. PetroChina Dushanzi Petrochemical Company Karamay 833600)
(2. Xinjiang Uygur Autonomous Region Inspection Institute of Special Equipment Urumqi 830002)
(3. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Fluctuation of the chemical process parameters is common for the equipments in-service. It results in that the risk of equipments is dynamic. For the in-service special equipments, the corresponding parameters and calculation of the dynamic risk should be paid more attention. The influence factors used in failure probability calculation are analyzed in detail, and the influence factors corresponding to the dynamic risk are summarized in this paper. Referred to the characteristic of process industrial management, the factors are divided into operation, process, corrosion and fault. Through computer network port, the corresponding factors are read into the risk assessment system. Then the equipment dynamic risk is calculated and monitored. The results can be referred to guide the equipment safety management.

Petrochemical plant Static equipment Dynamic risk Influence factors

X933.4

B

1673-257X(2017)04-0024-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.005

孫國豪(1968～)，男，博士，高級工程師，從事特種設備檢驗、失效分析及評價等工作。

2016-10-28）