靜設備動態風險分級與檢維修策略系統的應用

解志剛，祝加軒，王 波，張文澤，李 敏

(中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699)

基于風險的檢測(RBI)方法發展到現在只有20多年的時間，但是在行業中很快普及，并且獲得了普遍的肯定。目前，RBI技術已經成為機械設備保養維修方案制訂的重要基礎，并已經實踐證明作為一項可行的風險分析手段，有效保證了機械設備的安全運轉，給公司經營創造了可觀的效益，也受到了各大企業的一致贊譽。

在應用推廣過程中，傳統的RBI技術在風險控制方面表現出一定的局限性和缺陷[1]。這是因為它主要考察了壓力容器和流體運動介質間的相互作用關系，而忽視了轉動裝置質量對靜設備的影響和儀表聯鎖系統的可靠性對靜裝置質量的影響，沒有考察裝置在生命周期內的經濟效益、科技情況及其工作狀況的改變，也忽視了加工處理中原料的改變、運行工藝要求的改變以及各種因素對裝置風險的影響，實施的維修策略針對性不強[2]。事實上，由于在役承壓裝置受安裝狀況和設置工況的共同影響，其風險也存在著明顯的動態屬性。

國內大量的高校學者和企業設備管理人員針對傳統RBI的不足，研究開發出完整的靜設備風險評價體系，并確定靜設備動態風險評估技術方法和分級方案，根據設備等級情況確定檢維修策略。靜設備動態風險分級與檢維修策略的應用降低了靜設備運行和管理風險，減少了不安全隱患，合理利用了檢驗資源，提高了檢維修效率。

1 靜設備動態風險分級與檢維修策略系統

靜設備動態風險分級與檢維修策略系統實施流程如圖1所示。

圖1 靜設備動態風險分級與檢維修策略實施流程

1.1 靜設備動態風險計算

靜設備的動態風險分類以及檢維修策略體系的構建依據GB/T 26610規范，經過研發計算機軟件[3]，以實現對靜態設備的RBI風險量化計算，并利用網絡和數據庫等技術收集了靜態設備的基本資料數據，和影響靜態設備風險數值的各種因素，如運行環境、工藝、腐蝕條件和故障/缺陷情況等，形成了風險計量-風險調整的靜設備動態風險計算方法，并不斷更新靜態設備的當前風險數值，以實現設備的動態風險計算。

1.2 靜設備的風險分級劃分

根據機械設備危險性的計算結果，并根據機械設備危險性結果與喪失可行性，依據GB/T 26610.1《承壓設備控制系統基于危險性的試驗實現導則部分：要求和實現程序》，同時根據各公司機械設備管理體系的機械設備等級原則以及在項目管理過程中所提供的主要機械設備列表，可將機械設備等級區分為A級、B級和C級共3個級別，機械設備風險等級與喪失可行性以及已經喪失后果的具體對應關系如圖2所示。

圖2 靜設備的風險分級劃分

1.3 基于風險的靜設備檢維修策略

基于靜設備的風險分級結果，從設備風險預警、數據監控信息管理、日常監管、腐蝕檢查和檢驗檢測等方面制定不同的管理和檢驗策略，建立靜設備基于風險的檢維修管理辦法，協調設備檢驗周期，合理高效配置檢維修資源。其中，主要包含如下兩部分內容。

1.3.1 靜設備的風險管理方法

設備風險控制的主要核心技術是基于風險的設備管理技術(Risk Based Management, RBM)，因此，對經營風險的認識與管理工作要比降低和控制更為重要。把RBM方法運用在設備風險管理上，就是經過判斷整體經營風險中必須加強的某個組成部分，從而采取相應的對策，可降低安全風險。靜裝置的完整性易受各種破壞原因的干擾而逐步下降，所以一般采用RBI工藝進行風險管理，同時該工藝為企業合理安排檢測維修設備奠定了基礎，并有助于企業不斷提高裝置的維修檢測質量[4]。

1.3.2 基于風險的靜設備檢維修策略

檢維修策略包含檢驗和維修2個部分，本文主要討論的是靜設備，因此檢維修策略更加注重檢驗策略的制定和應用。

1)機械設備檢測策略。根據機械設備風險分類結果、機械設備類別、損壞模型制定對機械設備的標準檢測項目，具體內容包含：a.確認機械設備檢測時間；b.規定了試驗方式，及該試驗方式對機械設備損傷模式的效果分級；c.機械設備的試驗形式，一般是停機試驗和在線檢驗，而容器材料與管路則分別考察。

2)設備維修策略。主要分為：a.關鍵設備腐蝕檢測，根據單獨石化企業的管理要求，針對關鍵部件給出了一般的損傷模式、可腐蝕部位及其監管規定；b.法蘭墊塊的選擇，提供了容器與管路的墊塊選擇原則，在容器法蘭與管法蘭出現泄漏時，或根據易出現泄漏地區，快速提出可供選擇的墊塊種類；c.歷史數據管理，主要基于存儲設備的風險數據與檢測情況、試驗數據等，方便在下一次制訂檢測對策及日常維護中查詢，準確了解儀器設備的測試狀態；d.同類設備失效案例，考慮到已有同類裝置的運行情況，將同類裝置中的設備故障/失效情況作為參考信息，供設備維修使用[5]。

1.4 小結

通過上述3個模塊組成了靜設備動態風險分級與檢維修策略系統，該系統已經在多個企業中成功應用，并取得了明顯的效果。

2 某化工廠乙烯車間加氫裝置靜設備動態風險分級與檢修策略的應用

利用上述靜設備動態風險分級與檢維修策略系統對某化工廠乙烯車間加氫裝置的靜設備進行動態風險分級并制定檢驗策略。

該裝置共有壓力容器和壓力管道評價單元共670個，風險計算結果如圖3[6]所示。

圖3 風險評估矩陣與統計

通過對靜設備的損失計算，并充分考慮電氣設備使用、技術、腐蝕性和失效/損壞等因素以及對電氣設備損失的修正措施后，對電氣設備進行了分類，并提出適當的檢驗對策，以管道為例，檢驗策略如圖4和圖5所示。

圖4 裝置管道檢驗策略匯總

圖5 單條管線的檢驗策略詳細信息

2.1 設備動態風險計算及分級管理的應用

該裝置設備中的F101主火口過濾器，在其工作過程中腐蝕速度發生了變化，應用該系統成功應對了設備的風險變化。

2.1.1 F101主火嘴過濾器的風險計算及分級情況

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風險值如圖6所示，計算結果為低風險。

圖6 F101主火嘴過濾器風險值

根據設備的風險計算結果對該設備進行評級。該裝置的損壞可能性為1，損壞結果為A。根據分類準則，該裝置的級別為C類(見圖7)。

圖7 F101主火嘴過濾器設備分級

2.1.2 F101主火嘴過濾器的腐蝕速率監控

2021年12月由于工藝原因，該設備的腐蝕速率突然上升到0.9 mm/年，系統中的腐蝕監控模塊將記錄該值(見圖8)[7]。

圖8 主火嘴過濾器的腐蝕速率監控

2.1.3 風險修正及設備風險升高原因

F101主火嘴過濾器的腐蝕速度突然增加后，對設備的風險程度也隨之發生了變化，對設備的損壞風險由原先的1上升為4，對設備的風險也由低風險上升為較高風險(見圖9)。

設備風險水平上升后，相應的設備的風險等級由C級升高為B級(見圖10)。

圖10 設備等級變化

同時，該軟件也提供了設備等級變化的詳細因素(見圖11)，通過比較設備的各個參數后，在圖表中便可發現，導致設備損壞可能性增加的主要因素為設備的破壞速度從0.02 mm/年轉變為0.9 mm/年，說明了該軟件能夠真實地反映出工藝要求發生變化時設備的風險狀況。

圖11 設備風險變化原因分析

2.2 檢驗策略的實施效果驗證

以2019年8月該裝置停工檢修中發現的問題為例，驗證了本系統中基于風險的設備分級與檢驗策略制定的合理性。

以表1中列出的2臺容器為例，基于設備風險值制定的檢驗策略如下。

表1 設備檢驗策略

在實際檢驗中，乙烯聯合車間加氫裝置中上述設備發現的問題如下。

1)二段加熱器(10-E-6412B)：外部PT檢測發現北側接管存在一處長約4 mm的裂紋，宏觀檢查發現南側封頭存在一處機械損傷，設備材質為0Cr18Ni10Ti。對2處缺陷打磨1.5/2.0 mm后消除并圓滑過渡。

2)二段加熱器(10-E-6412S)：外部PT檢測發現中間環縫南下方向存在一處長約5 mm的裂紋，對該裂紋打磨消除并圓滑過渡。

由此可以看出，該系統制定的基于風險的設備檢驗策略在設備停機檢驗中很好地預測了設備的損傷情況。

2.3 小結

綜上所述，靜設備的動態風險分級及檢維修策略體系在成套安裝設備風險計量、設備的動態分級管理、風險預警及影響因素分類和現場應用等方面都有著自身的優點，基本完成了設備的動態風險評估和風險警示；制定的檢維修策略有很強的針對性，較高的科學性。可以幫助管理者和技術人員根據需要進行設備管理和維護，現場應用也取得了較好的效果。

3 靜設備動態風險分級維修策略系統應用前后的效果分析和應用比較

3.1 檢驗內容分析

表2給出了靜設備動態風險分級的檢驗與傳統定期檢驗內容的分析。

表2 靜設備動態風險分級的檢維修策略與傳統方法內容的分析

3.2 檢驗工作量分析

基于風險的檢驗與傳統檢驗方法的工作量對比(見圖12)：檢驗量相同時，基于風險的檢驗的風險要小于傳統檢驗模式的風險；同樣的風險水平時，基于風險的檢驗的工作量要小于傳統檢驗的工作量。

圖12 2種檢驗方法的檢驗量與風險之間的關系

檢驗量與檢驗費用的關系如圖13所示，隨著檢驗量的增加，設備可能產生的風險損失減少；通過基于風險的檢驗，可以找到一個可接受的風險損失與檢驗量的平衡點，即成本與效益的最優點。

圖13 檢驗量與檢驗費用之間的關系

以本裝置容器檢驗為例，利用本文系統中的檢驗策略制定檢驗方案，分別從設備檢驗數量、UT檢測焊縫長度、MT檢測焊縫長度、PT檢測焊縫長度、測厚點數、硬度抽查點數等方面進行比較，比較結果見表3。由表3可知，靜設備動態風險分級的檢驗后，設備的檢驗比例明顯下降，設備檢驗數量、UT檢測焊縫長度、MT檢測焊縫長度、PT檢測焊縫長度和測厚點數基本控制在傳統檢驗方法的50%左右，工作量減少至傳統檢驗方法的一半。因此，實施基于風險的檢驗后，大大地降低了檢驗工作量，節省了檢驗時間。

表3 容器檢驗工作量分析

3.3 系統在乙烯裂解裝置汽包設備的應用對比

以乙烯廠裂解裝置汽包為例，將傳統RBI與本文系統進行應用對比，汽包由封頭、筒體、人孔、接管、內件等組成。主要參數見表4。

表4 汽包主要結構和性能參數

應用傳統RBI對裂解裝置汽包的風險計算過程中考慮了汽包的運行工況，計算結果如圖14所示。依據設備分級原則，在評估時間點汽包風險等級為低風險關鍵設備，將汽包歸為C級設備(見圖15)。

圖14 汽包運行數據

圖15 汽包風險計算結果

對于C級設備，可以采取抽檢的方式，即該設備可以依據其風險水平延期檢驗，這是符合現行法規要求的。乙烯裂解裝置的汽包屬于關鍵設備，因此依據基于靜設備動態風險分級與檢維修策略系統，制定的檢驗策略分為標準檢修項目和特殊檢修項目，具體制定過程如下。

1)傳統RBI的標準檢驗項目。

依據風險計算結果，該設備的潛在損傷模式為減薄(見圖16)，針對該類損傷模式采取的技術方法是宏觀檢查和超聲測厚。

圖16 汽包損傷模式

2)本文系統指定的特殊檢驗項目。

汽包材質為13MnNiMoNbR，鋼的碳當量接近0.6%，該材質熱影響區淬硬性傾向較大，而且因鋼板較厚，焊接的拘束應力較大，焊接過程中若預熱和保溫措施不當，易產生冷裂紋，尤其是接管部位。參考同類設備的失效案例庫和裂解裝置的運行情況，汽包在實際運行中存在著壓力和溫度波動，因此在焊接部位存在產生裂紋的潛在危害。鑒于此，對于汽包采取增加無損檢測的項目，即30%焊縫磁粉檢測和30%焊縫超聲波檢測。最終得到的汽包檢維修策略如圖17所示。

圖17 汽包檢驗策略

采用本文系統，在大修期間對乙烯廠裂解裝置的汽包進行了檢驗，檢驗過程中發現：汽包經磁粉檢測，進水管、上升管、降液管角焊縫存在多處裂紋(見圖18)。隨后擴大了同一回路中的設別檢驗范圍，檢驗后發現裂解裝置剩余7臺汽包經磁粉檢測，均發現進水管、上升管、降液管角焊縫存在多處裂紋。最后，對淺層裂紋打磨消除并圓滑過渡，對打磨后深度超過4.5 mm的凹坑進行補焊，所有裂紋全部消除。

圖18 汽包內部典型裂紋形貌

汽包檢驗后對其風險進行了再評估。首先，將大修期間的汽包檢驗結果更新到系統中，雖然汽包風險值處于低風險，但鑒于其在檢驗過程中發現的問題，建議在運行過程中對汽包加強監管，注意其溫度、壓力波動情況。

3.4 小結

通過分析和對比可以看出，靜設備動態風險分級的檢維修策略有如下優點[10]。

1)在風險評價流程中充分考慮了設備損害模型和損害結果，將檢測策略制訂為可以更有針對性，并根據設備損害模型選擇檢測方式檢出設備缺陷，從而增強了監測實效性，有效較少了隱患。

2)在設定試驗期限上擁有更大的靈活性，能夠針對設備實際狀況，按照風險等級彈性地選擇試驗期限，提高了檢維修效率。

3)在檢測方法上，部分高風險和中高風險裝置能夠采用不停車在線檢測方法，減少了設備風險，縮短了停工檢測時間，節省了生產成本，提高了制造效益。

4)采用計量裝置剩余壽命的方法設定檢測時間，可使設備檢測周期和試驗時間一致，降低了檢測成本。

4 結語

靜設備動態風險分級與檢測及維修策略管理系統的使用，能夠建立符合要求并與設備長周期運營管理模式相適應的靜態設備檢測周期與管理策略，有效減少了靜態設備的管理風險，從而減少了重大安全隱患，有效緩解了設備檢修期間停工日期和檢查工作任務之間的沖突，使設備檢查工作更具有針對性與有效率，并且節約了設備檢測與輔助配合經費，從而減少了設備檢測時間，提升了檢測效果，減少了企業成本，從而產生了良好的經濟效益。