石化裝置超年限壓力容器檢驗管理技術研究

朱愛娟 方 珍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

特種設備是國民經濟的重要基礎設施，與社會、經濟活動密切相關。特種設備的安全工作直接關系到廣大人民群眾的生命、財產安全，以及經濟發展和社會穩定的大局。壓力容器在一定溫度和壓力下工作，裝載介質復雜，且在十分苛刻的環境下運行，在石油化工裝置等領域被廣泛使用。壓力容器的主要危險是其密封介質的能力易失效，表現形式主要包括爆炸和泄漏兩種，常見的壓力容器事故有爆炸、泄漏、爆燃、火災、中毒以及設備損壞等類型。很多石油化工企業建立歷史已達30年以上，其各種生產裝置內存在較多的超年限服役的壓力容器，數量眾多，對于生產至關重要，如何保證其安全使用是一個值得深入研究的重要課題。

1 超年限服役壓力容器概述和研究現狀

超年限服役壓力容器是指超過設計使用年限的壓力容器。根據《中華人民共和國特種設備安全法》和《固定式壓力容器安全技術監察規程》(TSG 21—2016)之規定，超年限服役壓力容器是指使用超過20年或超過設計使用年限的壓力容器。根據國家質檢總局特設局歷年來全國特種設備事故發生環節的數據統計，約80%的事故發生在使用環節。可以預見，在未來相當長一段時期內，增強使用環節的管理和檢驗檢測將成為提高特種設備安全保障和降低事故發生率的重要對策之一。

目前，國內許多石化企業、發電廠、鋼廠等單位已運行了相當長一段時間，這些企業的壓力容器普遍存在超年限服役的現象。以某石化企業為例，據不完全統計，截止到2014年底，1 800多臺壓力容器的使用年限超過20年，其中超過25年的壓力容器有900多臺，超過30年的壓力容器有440多臺。在未來5年內，將增加1 000多臺使用年限超20年的壓力容器，總數可達近3 000臺，具體如圖1所示。

圖1 截至2014年底某石化廠超20年在役壓力容器統計

超年限服役壓力容器存在一定隱患，概括起來主要有以下幾點：(1)材料在長期的運行過程中產生的微觀結構變化導致在材料性能上的變化，如韌脆轉變溫度的提高、石墨化、珠光體球化等；(2)交變載荷的作用，早期的壓力容器規范未涉及疲勞設計，經常在高溫、壓力波動作用下運行，且經受頻繁開停車，經過長時間的運行，在不出現顯著的塑形變形時，很容易導致斷裂的出現；(3)材料在長期的高溫下運行，產生蠕變損傷或高溫斷裂，從而導致容器失效；(4)早期的設計制造規范、材料標準、冶金水平等存在許多局限性，如焊縫位置和焊接方式不合理等；(5)壓力容器長期服役情況下，由疲勞、蠕變、腐蝕等損傷交互作用累計的損傷導致容器失效；(6)于生產工藝改變或原料介質成分不同，導致出現設計時未能考慮的損傷機理，對原設計壽命周期產生影響。但是目前針對超年限服役壓力容器如何檢驗和管理的研究較少，還沒有建立一個行之有效的準則和方法體系。因此，對這些超年限壓力容器如何進行檢驗檢測和使用管理成了一個亟待解決的問題。雖然相關的法律和法規條文中對超年限服役壓力容器進行了一些規定和限制，但對于如何具體執行檢驗檢測并沒有詳細的條文說明，如過嚴可能造成過度檢驗和過嚴管理，但過松則可能造成檢驗不足和管理缺失。因此采用科學的方法研究超年限服役壓力容器的檢驗和管理是非常必要的。

目前，國內的石化行業已進入發展鼎盛期，其中許多石化企業建廠歷史均較長，許多壓力容器處于超年限服役狀態，這些壓力容器之所以還在繼續服役，與我國現階段的發展需求相關。

(1)對于超年限服役的壓力容器，國內的法律法規中如《中華人民共和國特種設備安全法》第四十八條、《固定式壓力容器安全技術監察規程》第7.1.7款、《特種設備使用管理規則》(TSG 08—2017)第2.14款中對此進行了相應的規定，在滿足一定條件下，可以繼續進行服役。

(2)壓力容器的設計壽命通常不等于實際使用壽命，它僅僅是設計者根據容器預期的使用條件而給出的估計，一般情況下采用的數值比較保守，許多壓力容器達到設計壽命后仍有富足的剩余壽命。如實際的腐蝕速率小于設計時的腐蝕速率，設計時采用的疲勞、高溫蠕變的試驗數據過于保守等。超年限壓力容器是否繼續服役不能搞“一刀切”，應當依據該容器實際使用情況、損傷機理及失效模式、檢驗檢測結果等各方面因素綜合考慮后來確定。

(3)由于石化企業的投資巨大，因此設備的使用壽命直接影響資源、能源和資金的利用。一個“短命工程”和一個“長壽工程”對資源和資金消耗的差別很大。因此，簡單地淘汰超年限壓力容器的做法不科學，與現行經濟發展要求相違背，科學的做法是采用高新技術方法挖掘這些設備的潛力，使之能繼續運行一段時間[1]。由此可見，盡可能延長石化裝置的使用壽命，是當前實施可持續發展戰略的重要需求。

對于超年限服役壓力容器的檢驗檢測，國內外的規范和標準都進行了一些規定，如歐盟標準EN 13445-3—2009中，對超過設計期限的疲勞和蠕變條件下的壓力容器有一個推薦性規定：即重點在容器高應力區域進行無損檢測。我國的《固定式壓力容器安全技術監察規程》第7.1.7款中雖然提到“參照定期檢驗的有關規定對其進行檢驗”，但按照此有關規定是否能夠滿足超期服役的壓力容器的檢驗要求仍需進一步研究。另外，一些機構和學者也進行了有益的探討，如以剩余壽命的失效概率評價方法[2-3]，應用聲發射檢測、應力測定和超聲波探傷相結合的方法[4]，采用工程物探調查和軟件評估方法[5]，采用宏觀性能、微觀結構和失效機理相結合的方法[6-7]等。

對于超年限服役壓力容器監管方面，雖然我國在承壓類特種設備分類上已經取得了較大的進步，但是仍存在定量性差、較少考慮現實風險因素、較少涉及人員管理環境因素等缺點，不能把系統中多維度的風險影響因素納入其中，整體系統地進行分析評判[8-9]。因此，針對超年限服役壓力容器進行風險評價并分類分級，體現科學管理中“突出重點、分類管理、精準管理”的思想，是提升石化企業安全管理效能的重要手段。風險分級的方法按照表現形式有風險矩陣法、風險指數法等幾種。

2 超年限壓力容器損傷機理分析

根據可靠性理論，設備的失效都遵循浴盆曲線規律，由于曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個階段：早期失效期、正常使用期、耗損老化失效期。超年限服役的壓力容器是一種特殊的情況，如圖2所示，處于Ⅱ、Ⅲ階段之間，應對其進行專項研究。

超年限服役壓力容器由于受到環境、時間、工況、介質等因素的影響，會產生一定的損傷，這些損傷對超年限壓力容器的繼續安全服役會產生一定的安全隱患。因此，超年限壓力容器的檢驗及安全評價應針對這些損傷來進行，參照國內外標準和經驗，超年限壓力容器與時間相關的損傷機理及檢驗方法如表1所示。

圖2 浴盆曲線示意

表1 超年限壓力容器損傷機理與檢測手段對照

3 超年限服役壓力容器剩余壽命評估方法

通過對超年限服役壓力容器進行損傷機理和失效模式分析，找出最容易出問題的部位，在強度校核基礎上(必要時須進行有限元分析)，結合合于使用評價，建立基于“成本-效益”的3級超年限服役壓力容器剩余壽命評估方法。

3.1 基于設計參數的1級剩余壽命評估

在1級剩余壽命評估中，將采用設計標準中所提供的簡化應力分析(如環向的應力計算)和設計參數。該等級應系統地辨識那些需要進行剩余壽命分析的關鍵部件，并進行較為保守的篩選。

1級壽命評估主要包括設計計算的審查，以及部件關于服役壽命、溫度和循環載荷、所采用設計標準的再評價，以及其他類似或相關設備的經驗。該等級壽命評估是在獲得最少的檢驗和部件信息的情況下，最為基本和保守的篩選準則。該等級的剩余壽命評估也可初步確定設備需要維護或更換的時間點以及失效速率。

3.2 基于運行數據和操作歷程的2級剩余壽命評估

2級剩余壽命評估可通過采用實際運行數據，比如從現場儀表或現有的測試傳感器中獲得數據，以作出一個較為詳細的壽命預測，從而得到比1級評估更為精確的結果。在2級評估中，同樣需要1級評估的信息，但還需增補通過常規檢驗獲得的數據，以及通過應力計算分析獲得的數據。

2級剩余壽命評估中通常需要獲得以下的數據和信息：

(1)宏觀檢查或無損檢測，但對于初期的蠕變損傷以及那些未預料的微觀損傷，常規的無損檢測技術通常無法探測到；

(2)測量或審查當前實際運行的溫度、應力或應變，以及已知的缺陷；

(3)審查或估計壓力和溫度歷程，評價設計與服役之間溫度差和外力的影響；

(4)測量壓力容器本體重要的幾何尺寸，包括壁厚和不圓度；

(5)審查檢驗、維護、修理或更換記錄；

(6)通過現場金相或覆膜金相的方法進行容器表面微觀檢測；

(7)審查質量證明書等制造資料來確定實際建造材料的性能和化學成分。

3.3 基于試驗和現場檢驗的3級剩余壽命評估

在3級剩余壽命評估中，通常需要最為詳細的檢驗和部件信息，以及大量的和更加復雜的檢測數據，如金相和力學測試數據，并在1、2級數據的基礎上，仍需增補由監控(如熱電偶、應變計或振動監測)獲得的數據。該等級也可能需要復雜的應力分析(如有限元方法)以及蠕變加速試驗或斷裂韌性測試數據。該等級給出了一個最為詳細的剩余壽命評估，從而得出比2級評估更為精確的結果。

3級剩余壽命評估通常需要增補下面的數據和信息：

(1)從在役設備上取樣進行力學試驗和金相檢測，包括加速蠕變試驗和斷裂韌性試驗；

(2)其他的專門試驗，如腐蝕或磨蝕加速試驗；

(3)采用更加詳細的應力信息進行評估，如應變儀和有限元分析。

4 超年限服役壓力容器檢驗方法及步驟

對于超年限服役壓力容器檢驗檢測方法的選擇，主要依據以下幾個方面進行：根據損傷機理來確定應檢查的缺陷類型；根據損傷發生的部位來選擇檢驗部位；根據需檢測的缺陷類型選擇采用何種檢測方法；根據風險等級和剩余使用壽命確定檢驗有效性。

檢驗評估過程共分兩個階段：第一階段是基礎數據采集、軟件錄入、風險評價；第二階段為制定檢驗策略、現場檢驗、評估服役適應性、制定監控措施、制定檢驗周期。

風險評價階段主要針對：容器部件損傷機理以及腐蝕速率或敏感性分析，確定容器部件失效的可能性、失效后果、風險等級。制定檢驗策略主要針對設備的失效模式進行制定，將較多的檢驗資源投入到高風險部件。

評估服役適應性主要根據其腐蝕速率來確定其剩余壽命和未來服役狀態。未來服役狀態包括符合要求、基本符合要求和不符合要求3個方面。

(1)符合要求：風險評估結果為中、低風險，或通過檢驗未發現或發現只有輕度不影響安全的缺陷，可以按照預測的剩余使用壽命繼續使用。

(2)基本符合要求：風險評估結果為中高風險以上(包括中高風險)及失效可能性不小于4，且通過檢驗后無法進行降級的；或通過檢驗僅發現一般缺陷；或雖然發現嚴重缺陷，但經過合于使用評價并修復后認為可以延期使用的情況，可以按預測的剩余使用壽命監控使用或降級使用。

(3)不符合要求：檢驗中發現嚴重缺陷，經過合于使用評價后，認為不能保證安全運行的情況；或已到達預測的剩余使用壽命末期的情況，應當修復、報廢或更換。

制定監控措施主要對具有以下情況的壓力容器實施監控：一種情況為風險評價結果為中高風險及以上且失效可能性等級大于等于4；另一種情況為檢驗員出具的檢驗報告中已判定為基本符合要求。

檢驗周期的確定主要考慮以下幾個方面因素：國內相關法律規范的要求；設備的風險等級與檢驗歷史；含缺陷設備完整性評估與壽命預測結果等。具體執行過程如圖3所示。

圖3 超年限服役壓力容器檢驗評估過程示意

5 超年限服役壓力容器風險管理方法

運用風險評價的基本理論，研究超年限壓力容器事故發生的可能性以及后果的嚴重程度，全面系統地考慮多維度的風險因素，建立超年限服役壓力容器風險分類分級模型。以超年限服役壓力容器為分析“點”，服役時間為分析“線”，“人、機、環、管、法”為分析“面”，構建多維度風險因素辨識分析體系。將超年限服役壓力容器分為不同的風險等級，采取合理有效的檢驗及管理手段，最終可以降低事故發生率，保障設備的安全運行。

根據事故預防的3E(技術、教育、管理)要素理論以及安全系統4M(人、機、環、管)要素理論，確定超年限服役壓力容器發生事故的可能性及后果嚴重程度影響因素。超年限服役壓力容器發生事故的可能性主要從設備本體技術情況、管理、使用運行3個方面進行考慮，從不同的角度以預防的思路尋找影響事故發生可能性大小的因素；發生事故后果嚴重程度主要考慮人員、經濟、環境和社會四個方面，全面綜合考量可能造成的后果嚴重程度。并建立超年限服役壓力容器分類分級數學模型，最終將可能性和后果嚴重性以風險矩陣的方式輸出。

超年限服役壓力容器管理方法將采用風險分級方法，利用上述風險模型進行風險排序，主要分為低、中、高三級風險，并利用ABC管理方法，對不同的風險采用不同類別的管理策略(A、B、C類)。

A類：低風險，實行常規管理為主、安全監控為輔的模式；

B類：中度風險，即重點監控設備，實施常規管理和安全監控并重的管理方式，在常規管理的基礎上，適當投入一定資源加強對其進行安全管理；

C類：高風險，包括設備存在重大安全隱患、不符合法律法規要求等，實行全面重點管理，要投入大量的資源有效監控，加強管理的動態性、時效性，防止事故發生。

6 結語

通過分析超年限服役壓力容器相關的潛在損傷機理，建立了針對超年限服役壓力容器的檢驗方法，引進風險檢驗和合于使用對超年限服役的壓力容器進行評價；同時，針對超年限服役壓力容器提出一種分類分級管理方法，以保障超年限壓力容器安全可靠的運行。