RBI技術在煤制甲醇廠壓力容器上的應用

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

隨著世界石油資源的減少，發展使用甲醇等新的替代燃料，已成為一種趨勢。中國擁有相對豐富的煤炭資源，而煤制甲醇工藝的發展，能充分合理利用國內的煤炭資源。因此大力發展煤化工，合理開發利用煤炭資源意義重大[1]。

在煤制甲醇生產中，由于甲醇的理化特性及其生產儲存過程中的危險因素，甲醇廠壓力容器的安全運行具有重大的安全隱患，一旦發生事故將導致巨大的人員傷亡和財產損失[2]。

基于風險的檢驗(RBI)追求安全與經濟效益的平衡，實施依據API 580—2002《基于風險的檢驗》和API 581—2000《基于風險的檢驗基本資源文件》等系列標準,主要以石油化工行業的生產設備為對象而建立。本文按照GB/T 26610.2—2011《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》，在API581的基礎上，運用風險分析系統軟件，結合定期檢驗數據、國內化工行業風險評估積累的經驗以及檢驗檢測技術方面的優勢，對某煤制甲醇廠壓力容器進行了風險評估[3]。

1 煤制甲醇廠裝置及工藝流程

某甲醇廠設計生產能力為0.7 Mt/a，設計運轉時間為每年7 600 h，以粗煤氣為原料生產甲醇,于2011年5月建成投產。2012年7月首次停工檢修，2017年3月進行了年度檢查，多次停工檢驗均未發現有腐蝕減薄、應力腐蝕開裂和材質劣化等情況。煤制甲醇主要生產工藝流程為：(1)水煤漿制備。原料煤中加入添加劑、助溶劑和水磨制成水煤漿。(2)氣化。在特定的設備內及一定溫度、壓力下，使煤中有機物質燃燒，轉化為含有CO，H2和CH4等可燃氣體,或CO2和N2等可燃氣體的合成氣(粗煤氣)。(3)變換。將合成氣通過水煤氣變換調整CO/H2，得到合適碳氫比，最佳碳氫比為1∶2。(4)低溫甲醇洗。變換氣通過低溫甲醇洗工藝凈化，脫碳脫硫，得到凈化氣。(5)甲醇合成。凈化氣與富氫氣及循環氣進入循環壓縮機加壓并送至合成塔，在催化劑的作用下反應生成甲醇[4]。甲醇生產工藝流程見圖1。

圖1 甲醇生產工藝流程

2 RBI技術的應用

針對煤制甲醇廠空分、氣化和合成車間共196臺壓力容器實施基于風險的檢驗。采用風險

分析系統軟件計算2020年9月的風險水平。

為保證評估的順利進行，制定了詳細的工作流程，甲醇廠RBI評估工作流程見圖2。

圖2 RBI評估流程

2.1 現場數據采集

對甲醇廠內壓力容器的基本數據信息進行收集、整理，建立風險評估(RBI)數據庫。數據庫內容主要包括：企業情況、裝置情況、裝置工藝儀表流程圖、設備基礎數據及最近定檢報告、物流平衡表、裝置設計說明書、裝置原料及產品分析報告、裝置操作規程和裝置近期技術年報等。

2.2 劃分裝置區域

裝置根據工藝生產流程來劃分區域，見表1。

表1 RBI評估裝置區域劃分

2.3 單元危險性分析

在RBI分析過程中，物流數據收集相當關鍵。物料首先根據單元工藝生產流程及所使用的原料、中間產品等進行劃分，物流組分主要通過單元初始工藝設計資料、物料平衡表以及分析數據等來確定，對于有些不能直接確定含量的雜質元素則必須經采樣分析獲得。分析可知，煤制甲醇各裝置中主要危險物質有CH3OH，H2，CO和H2S等，主要分布在氣化、變換和合精等生產工段，見表2。

表2 甲醇廠各單元典型流體分析

2.4 裝置腐蝕定性分析

腐蝕分析是RBI工作中的一個重要步驟。根據對象設備和管道內的物流種類及腐蝕介質成分進行分析，同時考慮設備和管道的操作工況、材質的腐蝕敏感性，綜合分析該甲醇廠壓力容器存在的腐蝕機理，并與定量分析軟件的結果進行對比，確定主要存在以下損傷機理：大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂和高溫硫化氫/氫腐蝕[8]。

2.4.1 大氣腐蝕及保溫層下腐蝕

大氣腐蝕在海洋環境或潮濕的工業氣體污染環境下程度更嚴重，表現為均勻或局部腐蝕。保溫層下腐蝕發生在保溫層下積水時，關鍵因素包括環境條件、潮濕度、溫度、鹽或硫化物的存在以及保溫層的類型等。保溫層下腐蝕對于碳鋼和低合金鋼表現為松散的、薄片狀的氧化皮，具有高度的局部腐蝕特征。對300系列不銹鋼，保溫層下腐蝕表現為凹坑或氯化物應力腐蝕開裂。

針對大氣腐蝕及保溫層下腐蝕，檢驗的重點在于壓力容器和管道的易積液處、保溫層穿透破損部位以及管件的保溫層端口等敏感部位。檢驗方法：對于奧氏體不銹鋼材料而言，通常采用拆除保溫層，進行宏觀檢查和滲透檢測;對于碳鋼和低合金鋼材料而言，采用拆保溫層，進行宏觀檢查和壁厚測量。

2.4.2 氯化物應力腐蝕開裂

氯離子應力腐蝕開裂敏感性取決于壓力容器和管道中氯離子的濃度、溫度和pH值。當壓力容器和管道內部溫度在60 ℃以上，pH值為2～10時易發生氯化物應力腐蝕開裂。氧的存在促進氯化物應力腐蝕開裂。對于管程介質為蒸汽或冷卻水的換熱器而言，如果管束選材為0Cr18Ni9，則易在管束縫隙富集氯離子，造成氯離子應力腐蝕開裂。

氯化物應力腐蝕開裂的檢驗重點在300系列不銹鋼制成的壓力容器、水冷器及常壓塔頂冷凝器工藝介質側。檢驗時通常先進行宏觀檢查，對檢查中發現的可疑部位做進一步滲透檢測；對管道、換熱管和壓力容器表面的檢測可采用渦流檢測；存在微裂紋部位主要采用金相檢測。

2.4.3 高溫硫化氫/氫腐蝕

碳鋼或低合金鋼等在高溫且臨氫條件下與硫化物反應發生腐蝕。通常表現為均勻腐蝕，同時生成硫化亞鐵銹皮，金屬表面的銹皮附著牢固。通常在鐵基合金溫度超過260 ℃時開始發生高溫硫化氫腐蝕。隨著溫度升高，腐蝕速率增大。一般而言，材料鉻含量越高，耐硫化物腐蝕能力越強。

針對高溫硫化氫/氫腐蝕的檢驗,重點在接觸含高溫氫氣/硫化氫介質的壓力容器中，如脫硫裝置。

有效的檢測手段：宏觀觀察、超聲波測厚和射線成像檢測壁厚變化。

2.5 RBI風險分析結果

以2020年9月為風險評估時間點，對煤制甲醇廠壓力容器進行風險評估計算，評估結果采用風險矩陣來表示。在矩陣中，縱坐標為失效可能性，共分為5個等級：1，2，3，4和5，失效可能性隨著數字的增加而遞增。橫坐標為失效后果嚴重程度，共分為5個等級：A，B，C，D和E，后果嚴重程度依次增大。在失效可能性和失效后果的5個級別組合所得到的5×5風險矩陣中，風險水平自左下角到右上角逐漸升高，共4個風險等級，分別為：低風險、中風險、中高風險和高風險。通過風險分析系統軟件計算所得各裝置壓力容器的風險矩陣見圖3、圖4和圖5。

由圖3可知，空分裝置區無中高風險和高風險的設備，其中失效可能性為3的低風險設備11臺,中風險設備占比30.6%。由圖4可知氣化裝置區無高風險設備，中高風險設備有23臺,占比38.3%，其中失效可能性為3的15臺設備中，中風險2臺，低風險13臺。由圖5可知合成裝置區中高風險設備有19臺，占比19.0%，失效可能性為4的設備1臺，失效可能性為3的設備5臺。

圖3 空分裝置設備風險矩陣

圖4 氣化裝置設備風險矩陣

圖5 甲醇合成裝置設備風險矩陣

煤制甲醇廠全廠壓力容器的風險統計結果見表3，無高風險設備。

表3 壓力容器的風險統計

3 檢驗策略的制定

3.1 設備檢修開蓋建議

(1)高風險壓力容器一般需開蓋進行內部檢驗,低風險壓力容器可以不開蓋檢驗。

(2)中高風險、中風險壓力容器中，失效可能性等級為1和2，如果損傷機理中無內壁應力腐蝕開裂或局部腐蝕的，一般可不開蓋檢驗；失效可能性為3的，視壓力容器具體情況而定是否需要開蓋檢驗；失效可能性為4或5的，通常應安排開蓋檢驗。

(3)對于換熱器、反應器和塔器，一般需根據工藝要求進行確定。如果工藝中存在更換催化劑、變更工藝、設備更換和改造或操作時有出現異常情況的，應進行開蓋檢驗；對內部存在特殊介質，開蓋后會造成設備進一步腐蝕的情況，可不開蓋，但應采取其他針對內壁可能存在腐蝕的有效檢驗手段。

(4)根據裝置設備員、檢驗人員的經驗以及裝置多年的運行情況結合以往檢驗的情況，認為有必要的均應開蓋檢驗。

綜上，最終確定空分、氣化和合成裝置區開蓋設備所占比例分別為26.1%，56.3%和70.1%。

3.2 重點關注設備及延檢建議

壓力容器根據下次檢驗時間點2020年9月風險計算結果，分析發現本裝置壓力容器風險等級處于可接受范圍之內。

把腐蝕速率大于、等于0.1 mm/a,或者應力腐蝕開裂敏感性為中或高、失效可能性大于、等于3的壓力容器作為裝置延檢期間重點關注對象。為了保證煤制甲醇廠承壓設備安全平穩運行到下個檢修周期，對這些壓力容器在2019年5月前完成在線檢驗。如果檢驗沒有發現影響安全運行的異常情況，可按正常檢驗周期進行定期檢驗。如檢驗發現了影響裝置安全運行的異常腐蝕情況，則需進行整改。建議進行在線檢驗的壓力容器見表4。

表4 壓力容器的有關情況

3.3 設備維護建議

為了保證煤制甲醇廠壓力容器安全平穩運行到下個檢修周期，提出以下設備維護建議。

(1)加強對甲醇廠裝置區內壓力容器的年度檢查。

(2)由于甲醇廠壓力容器開停工時易發生故障，所以開停工作業前要制定詳細的開停工方案。

(3)高度重視廠區壓力容器的設計選材及甲醇生產的工藝。

4 結論與建議

(1)通過對煤制甲醇廠的壓力容器實施RBI風險評估，壓力容器總體風險水平穩定，依據企業可接受水平，在保證工藝的前提下，低于可接受風險水平的壓力容器可以運行到2020年9月進行定期檢驗，對高于可接受風險水平的壓力容器需進行有針對性的在線檢驗。

(2)甲醇廠壓力容器中存在的主要失效模式有腐蝕減薄、環境開裂和機械損傷，主要損傷機理有大氣腐蝕及保溫層下腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂、高溫硫化氫/氫腐蝕。明確以上主要損傷機理，可幫助企業有針對性地制訂相應的檢驗策略，重視風險等級和失效可能性高的設備。

(3)通過RBI技術的應用，對部分風險等級和失效可能性高、腐蝕速率大的設備進行在線檢驗。根據RBI風險評估結果調整檢驗周期，可以延長甲醇廠壓力容器運行時間，減少開停工頻率，實現裝置的長周期運行。