低溫甲醇洗裝置損傷機理分析和RBI技術的應用*

栗 帥，肖 暉，宋耀民

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州450016；2.中國特種設備檢測研究院，北京100029）

近年來，基于風險的檢驗（RBI）技術已經廣泛應用到大型裝置特種設備的檢驗中。RBI技術具有獨特的優勢，突破了傳統檢驗對檢驗周期、檢驗方法和檢驗比例的約束，在確保設備安全性和經濟性的基礎上，充分優化了檢驗策略，為大型裝置的檢驗提供了一種新的途徑［1］。RBI技術是一種以風險評估為基礎的設備檢驗技術，通過分析相關設備的損傷失效模式，計算失效可能性及失效后果，確定設備的風險等級，再依據設備的風險評估結果制定科學的檢驗策略。對承擔高風險的少數設備進行有針對性的檢驗，合理地分配檢驗資源，提高檢驗的有效性和科學性，可以避免過度檢驗和檢驗不足，從而降低裝置檢驗和維修的成本［2-3］。采用RBI技術方法對某煤化公司的低溫甲醇洗裝置進行了風險評估，并對裝置的風險分布情況和部分設備存在較高風險的原因進行了分析。

1 低溫甲醇洗裝置概況

某煤化公司一套低溫甲醇洗裝置于2012年7月投用，裝置中共包含壓力容器44臺、壓力管道236條，計劃于2019年11月進行停工檢修。由于裝置中的工藝介質難以導出，大部分設備包覆有絕熱材料，按照常規檢驗方法，絕熱材料拆除工作量大，部分設備開罐困難，檢驗維修成本較高。經過綜合考慮，于2019年11月選擇了RBI技術對該裝置進行檢驗。

2 低溫甲醇洗裝置損傷機理分析

損傷機理分析是RBI的一項重要工作。低溫甲醇洗裝置中的主要腐蝕介質有CO2，H2S，COS，HCN，NH3和氯化物等，裝置的最低操作溫度為-40℃，最高操作溫度為170℃，設備的主要材質是碳鋼和不銹鋼。根據實際操作工況和材質的腐蝕敏感性，綜合分析該裝置存在的腐蝕機理［4］。

2.1 酸性水腐蝕

含有H2S的酸性氣體是低溫甲醇洗裝置的主要介質之一，在閃蒸遇冷或存在液態水的環境中易形成酸性水，當酸性水pH值為4.5～7.0時可引起容器或管道內壁金屬發生酸性水腐蝕，如果介質與奧氏體不銹鋼接觸則易發生點蝕及縫隙腐蝕。

2.2 二氧化碳腐蝕

在CO2和H2O共存條件下，CO2溶于水形成碳酸（H2CO3），使水中的pH值降低，導致碳鋼發生CO2腐蝕，主要表現為均勻腐蝕或點蝕。在低溫甲醇洗裝置中，CO2是原料氣的一個重要組成，在CO2濃度較高的吸收工段容易導致相關容器和管道發生CO2腐蝕。

2.3 大氣腐蝕和保溫層下腐蝕

大氣腐蝕通常發生在設備表面漆層損壞或脫落的部位、未敷設絕熱層的容器及管道支撐部位，會造成相關部位均勻減薄或局部減薄。

敷設絕熱層的碳鋼和低合金鋼容器或管道易發生保溫層下腐蝕。在低溫甲醇洗裝置中，保溫層下腐蝕常發生在絕熱層、油漆或涂層明顯損傷的部位、設備底部積液部位、接管部位、帶有保溫的支撐圈和塔器的平臺等部位。

2.4 氨應力腐蝕開裂

在低溫甲醇洗裝置中的分離器、液氨過冷器、閃蒸甲醇冷卻器、液氨貯槽以及部分換熱器和管道等設備，材質多為碳鋼和低合金鋼，在無水的液氨環境中易發生氨應力腐蝕開裂。氨應力腐蝕開裂在換熱器管束表面產生單一或有分支的裂紋；未經熱處理的碳鋼材料焊縫區域和熱影響區，若暴露于液氨中也可能發生氨應力腐蝕開裂。

2.5 濕硫化氫腐蝕

濕硫化氫腐蝕主要有四種形式，分別為氫鼓包、氫致開裂、應力導向氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂。碳鋼和低合金鋼容易產生濕硫化氫腐蝕，關鍵影響因素為環境條件（pH值、硫化氫含量、雜質和溫度）、材料性能（硬度、組織和強度）和拉應力水平。

2.6 氯化物應力腐蝕開裂

在低溫甲醇洗裝置中，部分壓力容器和壓力管道材質為奧氏體不銹鋼，當介質中存在氯化物時，介質中的氯離子可破壞不銹鋼表面的鈍化膜，當存在拉伸應力時，鈍化膜被破壞的區域就會產生裂紋，在腐蝕電池中形成陽極區，產生電化學腐蝕，最終可導致金屬開裂。

2.7 連多硫酸應力腐蝕開裂

硫化鐵和氧、水發生反應可產生連多硫酸，連多硫酸可使已敏化的奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕開裂。在低溫甲醇洗裝置的開停工階段，材質為不銹鋼或不銹鋼襯里且介質中含硫的容器和管道易發生連多硫酸應力腐蝕開裂。

2.8 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體介質之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果。在低溫甲醇洗裝置中，泵的過流部件、管道的彎頭和三通以及換熱管等都可能受到沖刷腐蝕的影響。

2.9 振動疲勞

在低溫甲醇洗裝置中，與壓縮機及泵連接的管道在循環往復的振動以及管道內介質動態載荷作用下容易發生振動疲勞開裂。影響管道振動疲勞的關鍵因素有管道部件的應力水平、幾何結構、循環次數、振幅、頻率以及材質的耐疲勞性。振動疲勞破壞一般容易在材料應力集中區域或表面缺陷的位置產生。

3 RBI分析的過程

3.1 資料的收集和整理

RBI評估所需要的資料通常有：設備設計圖紙、產品質量證明書、安裝竣工資料、工藝運行數據、檢驗報告、介質成分分析、設備腐蝕損傷情況、設備更換與維修記錄等［5］。資料收集整理后需建立RBI數據庫。

3.2 腐蝕回路劃分

依據低溫甲醇洗裝置中容器和管道的介質成分及流動速率、材質特性、運行溫度和操作壓力等因素綜合分析裝置中可能存在的損傷機理，以工藝流程的連續性來劃分腐蝕回路。

3.3 物流回路劃分

根據低溫甲醇洗裝置的工藝流程，以自動關閉的閥、泵、壓縮機等作為關斷裝置將其劃分為若干個物流回路，劃分的原則是要保證回路中容器或管道的物料獨立性，一旦出現失效，該回路中的物料可以及時排出，而其他隔離段則不受影響。

3.4 風險分析

在風險分析中，采用了專家確定的腐蝕速率，如果分析結果為均勻腐蝕且有腐蝕監測的測厚數據，則要參考測厚數據，同時也可參考API 581推薦的數據［6］。根據腐蝕數據、腐蝕回路和物流回路，利用風險評估軟件計算容器和管道的失效可能性和失效后果，確定風險等級。

3.5 檢驗策略的制定

裝置中壓力容器和壓力管道檢驗策略的制定，一方面要依據風險分析結果，另一方面要充分考慮TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和TSGD7005—2018《壓力管道定期檢驗規則—工業管道》的相關要求。

4 風險評估結果及相關分析

風險評估的結果通常由失效可能性和失效后果組成，常采用5×5的風險矩陣來表示，失效后果和失效可能性各分為5個等級。在矩陣中沿左下方到右上方的對角線風險水平不斷增大。依據風險矩陣中失效后果和失效可能性的組合可將風險等級劃分為低風險等級、中風險等級、中高風險等級和高風險等級［7］。

4.1 RBI分析結果

依據低溫甲醇洗裝置的停工時間安排，以2019年10月30日為風險評估時間點，對裝置的設備（含容器和管道）進行風險評估，其RBI分析結果見圖1，設備的風險統計結果見表1。

圖1 RBI分析結果

表1 設備的風險統計結果

從圖1和表1中可以看出，裝置整體風險水平不高，裝置中未出現高風險的設備；其中，中高風險的設備有32個，占比為10.26%；中風險的設備有179個，占比為57.37%；低風險的設備有101個，占比為32.37%。另外，失效可能性等級為4的設備有4個，其余設備的失效可能性等級均小于等于3。

4.2 風險分布情況

圖2為低溫甲醇洗裝置中設備和管道的風險分布。從圖2（a）可以看出，整個裝置中無高風險設備；在中高風險、中風險和低風險設備中，換熱器均有分布，其中，在中高風險和中風險的設備中，換熱器占據比例最高，而塔器和存儲罐只占小部分比例；在中風險設備中，所有類別均有分布；在低風險設備中，主要分布有少部分換熱器和分離器。從圖2（b）可以看出，無高風險管道，中高風險的管道比例較小，中風險和低風險的管道占大部分比例。

圖2 設備和管道的風險分布

根據風險結果及分布情況，分析發現裝置中存在的安全風險主要由較少的設備承擔，裝置中幾乎90%的安全風險僅由10%的設備承擔。因此，重點關注中高風險的設備（尤其是換熱器和管道），有針對性地制定科學的檢驗策略，可以極大地優化檢驗資源，并將風險降低到可接受的范圍以內。

4.3 中高風險設備失效分析

中高風險設備雖然整體占比不高，但仍不能忽視其風險水平可能導致的后果。中高風險的壓力容器，介質為富硫甲醇或富甲醇，含有較多的CO2和H2S，容易出現二氧化碳腐蝕、濕硫化氫腐蝕等失效情況，導致甲醇泄漏；中高風險的壓力管道，材質為奧氏體不銹鋼，介質多為原料氣、合成氣和富甲醇，含有較多的H2S，容易在停工期間產生連多硫酸應力腐蝕開裂。由于壓力管道失效造成裝置風險升高，導致有毒有害介質的泄漏，會造成嚴重后果。

5 結 論

（1）在低溫甲醇洗裝置中主要存在的損傷機理有：酸性水腐蝕、二氧化碳腐蝕、大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、氨應力腐蝕開裂、濕硫化氫腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂、連多硫酸應力腐蝕開裂、沖刷腐蝕、振動疲勞和襯里失效等。

（2）在低溫甲醇洗裝置中沒有高風險設備，有32個中高風險設備，179個中風險設備，101個低風險設備。

（3）通過風險分布分析發現，在中高風險的設備中，換熱器占據很高比例，在壓力管道中，中高風險比例較低，整個低溫甲醇洗裝置中約10%的設備占據了90%的風險。

（4）對中高風險的設備分析發現：介質為富硫甲醇或富甲醇的壓力容器易發生二氧化碳腐蝕和濕硫化氫腐蝕等失效情況；介質為原料氣、合成氣和富甲醇的管道，材質為奧氏體不銹鋼，易在停工期間產生連多硫酸應力腐蝕開裂，造成裝置風險等級升高。

（5）通過RBI技術的應用，為裝置檢驗策略的制定提供了可靠依據。