RBI 檢驗技術在合成氨裝置檢驗中的應用

王 博，邊 緣

（西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安 710065）

引言

RBI 就是基于風險的檢驗，即以設備破壞而導致的介質泄漏為分析對象，以設備檢驗為主要手段的風險評估和管理過程[1]。基于風險的檢驗基本思路是采用系統論的基本原理，對裝置中固有風險或潛在風險及其后果進行定性或定量的評價分析，查找裝置中存在的問題和薄弱點，通過優化檢驗效率和檢驗頻率，減少停機和日常檢維修費用，在維持原有安全裕量的基礎上有效節約檢維修成本，對現有運行狀況提出安全技術建議，為生產裝置檢驗周期內安全運行提供可靠的技術支持[2]。

整套裝置傳統大檢修一般是在設備停產后根據相關檢驗規范要求逐一進行各項檢驗，沒有突出重點。基于風險的檢驗是一種系統性、動態性的檢驗方法，充分參照以往的檢驗方法、檢驗結果、檢驗周期、服役時間、損傷水平等級來確定檢驗時間，同時參照風險等級劃分，合理分配檢維修資源，保障重點關注高風險設備，對中風險設備適當傾斜，對低風險設備進行適度調整，運用現有的檢驗檢測技術，在保障安全的基礎上降低檢驗成本[3]。本文以某石化公司合成氨裝置為例，通過基于風險的檢驗方法對靜設備進行了風險分析，查找設備失效原因，提出降低風險的檢驗策略，保障裝置可靠運行。

1 合成氨裝置及評估范圍

1.1 裝置簡介

本次風險評估對象為我國南方某化工廠合成氨裝置，一期裝置于2008 年12 月投入生產，二期裝置于2010 年12 月投入生產，一、二期裝置年產合成氨60 萬t。合成氨裝置以原料煤、燃料煤為制氫原料，主要裝置包括造氣系統、凈化系統及合成系統，主要產品為合成氨，副產品為硫、二氧化碳。按照公司整體檢修計劃，將于2021 年年底進行停車定檢，為了提高檢驗有效性，合理分布檢驗資源，對裝置內靜設備進行風險評估。

1.2 評估范圍

本次評估范圍為合成氨裝置中部分靜設備，接口為與主設備系統相連的第一個閥門，共包括靜設備218 臺。依據風險評估要求，參照工藝流程圖（PDF）、儀表管線圖（PID）和實際工藝流程情況，將合成氨裝置系統劃分為7 個工段，分別表示為造氣（100）工段、脫硫（200）工段、變換（300）工段、脫碳（400）工段、氣體精制（500）工段、氨合成（600）工段、氫氨回收（700）工段。各工段劃分及相關設備統計量見表1。綜合考慮設備使用的實際情況，參照設備內部使用壓力、使用溫度、工藝介質、流速等相關參數，同臺設備不同部位應分項進行評估，例如換熱器可分為殼程、管程兩個設備項，交換塔可分為上部、中部、下部三個設備項。本次風險評估設備共劃分為527 個設備項。

表1 合成氨裝置工段劃分及相關設備統計表

1.3 風險評估結果及分析

合成氨裝置靜設備、設備部件風險矩陣如圖1、下頁圖2 所示，設備風險分布統計情況見下頁表2。

表2 合成氨裝置設備風險統計

圖1 合成氨裝置風險矩陣

圖2 合成氨裝置設備部件風險矩陣

由圖1 可知，評估范圍內設備以中風險為主，沒有高風險設備項。中高風險設備14 臺，占設備總量6.42%；中風險設備194 臺，占設備總量89.91%；低風險設備8 臺，占設備總量3.67%；中風險及低風險設備合計占設備總量的93.68%，說明設備整體風險水平較低，運行狀況良好。

圖3 為合成氨裝置風險分布比例圖，由圖3 可知，在合成氨裝置中，90%以上的總風險由約20%的設備承擔，較少設備承擔裝置主要風險，針對這些少數設備進行檢修和維修，即可掌握絕大部分的風險，減少成本，優化資源配置。

圖3 合成氨裝置風險分布比例圖

2 合成氨裝置失效機理分析

設備失效機理是根據工藝介質、操作條件及材料分析確定的，需要特別關注介質中微量腐蝕雜質給設備帶來的重大隱患。通過對合成氨裝置進行介質成分分析和材料的適用性分析，結合運行記錄，確定合成氨裝置主要損傷模式為腐蝕減薄、應力腐蝕開裂及外部損傷。具體的腐蝕機理如下：

2.1 硫化氫損傷

硫化氫在干燥狀態下，對碳鋼的腐蝕性很小，但溶于水后具有腐蝕性。在造氣和變換工段，由于水的存在，硫化氫溶解后生成呈酸性的電解質溶液產生腐蝕。

其主要過程如下：

硫化氫在水中發生分解見式（1）、式（2）：

H2S 電化學腐蝕過程見式（3）、式（4）：

式中：Had 為鋼表面吸附的氫原子；[H]為鋼中的擴散氫。

總反應見式（5）：

游離態H+獲得電子轉變為氫原子，在鋼中不連續處如夾雜物、裂隙等處聚集并結合生成氫分子，當氫分壓超過臨界值時引發材料局部変形，產生氫鼓泡，鼓泡聚集長大導致相鄰鼓泡不斷連接產生裂紋。濕硫化氫環境中，金屬表面硫化物腐蝕過程中產生的氫原子滲入鋼材內部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在焊縫、熱影響區等高應力區應力作用下形成硫化氫應力腐蝕開裂[4]。

2.2 二氧化碳腐蝕

二氧化碳腐蝕的產生主要是由于二氧化碳溶解于水生成碳酸后引起的電化學腐蝕，在陽極處金屬鐵不斷溶解形成均勻腐蝕或局部腐蝕，表現為設備壁厚減薄、點蝕穿孔等局部損傷；在陰極處二氧化碳溶解于水形成碳酸，產生氫離子，氫離子與陽極產生的電子結合形成氫分子，進一步促進鐵的溶解，加速腐蝕發生。

這個腐蝕過程可用式（6）～式（9）反應式表示：

2.3 堿致應力腐蝕開裂

與堿溶液接觸的設備表面容易發生應力腐蝕開裂。引發堿致應力腐蝕開裂的主要腐蝕介質為脫硫工段中的栲膠液、脫硫液和熔硫中含有的氫氧化鈉，通常情況下出現在靠近焊縫母材上，沿著焊縫平行方向擴展。堿濃度超過5%時開裂可能發生，隨著堿濃度的升高，開裂敏感性升高，隨著溫度升高開裂，敏感性不斷增大[5]。在變換氣脫硫過程中，部分裝置的操作溫度大于80 ℃，此時設備發生應力腐蝕可能性增加，經風險計算該裝置中堿應力腐蝕開裂敏感性為中高，失效可能性等級高達4 級。

2.4 外部腐蝕

外部腐蝕包括大氣腐蝕和保溫層下腐蝕。潮濕的工業大氣和有強烈污染的環境大氣極易造成碳鋼和低合金鋼材料的大氣腐蝕。設備和管道操作溫度比較低容易形成濕氣，油漆或涂層質量較差都可能引起大氣腐蝕。保溫層下腐蝕是發生在覆蓋層下的腐蝕，與覆蓋層下水分的聚集相關，降雨、噴淋、冷凝等都可能造成保溫層下腐蝕，如果覆蓋層中有氯化物的滲出會進一步加速腐蝕損傷。此次評估過程中，通過對裝置現場的巡查發現，本次評估裝置外防腐層部分區域防腐漆剝落，部分端口保溫層破損。由于該裝置處于亞熱帶季風氣候區，潮濕多雨，大氣中酸堿性較大，防腐漆剝落區域和保溫層破損部位發生腐蝕，在今后的運行過程中設備發生大氣腐蝕和保溫層下腐蝕的可能性較大。

3 檢驗策略制定

檢驗策略的制定是在滿足相關標準規范要求的前提下，綜合考慮裝置運行各項因素，確定最佳的檢驗時間并采用適當的檢驗手段以保證設備運行風險處于可接受的范圍之內。

3.1 檢驗方法

檢驗方法是根據設備的風險等級，通過對失效機理和失效模式的分析來確定的。不同檢測方法對不同損傷形式的檢驗有效性不同，表3 給出了不同檢驗方法對不同損傷形式的檢驗效性。并不是對所有設備都需要進行高度有效性檢驗，也不是越有效的檢驗方法越好，對于高風險區或中高風險區的設備，可選擇高度有效的檢驗方法，對于低風險區設備，可選取低有效性檢驗方法。

表3 不同檢驗方法對不同損傷形式的有效性

3.2 檢驗比例

檢驗有效程度不僅與檢驗方法有關，還取決于檢驗比例。在企業可接受的風險范圍內，根據風險評估結果，調整檢驗比例，可達到節約檢驗成本，優化檢驗資源配置的目的。對于中高風險及以上設備，應該結合實際的檢驗方法適當增加設備的檢驗比例，如變換氣脫硫塔07-318 頂部主要接觸CO2-H2S-H2O 型腐蝕體系，失效可能性等級為4 級，后果等級為C 級，安全風險等級為中高風險，主要損傷機理為腐蝕減薄和硫化物應力腐蝕開裂，檢驗過程中應該提高檢驗比例，進行高有效性檢驗，對外表面進行50%每板5 點超聲波測厚，內表面進行50%宏觀檢查，對主要焊縫接頭和應力集中部位進行50%的濕熒光磁粉檢測；對于低風險區的設備，如過濾器R2008-135，主要工作介質為100%純氨，失效可能性等級為1 級，后果等級為C 級，安全風險等級為低風險，主要損傷機理為外部防腐層破損引起的局部腐蝕，檢驗過程中可以縮小檢驗比例，對設備外表面主要進行宏觀檢查及超聲波測厚。

4 風險控制措施

風險是由失效可能性和失效后果組合，降低失效可能性或減小失效后果損失均能降低整體風險，切實可行的減緩措施為設備的安全運行提供保障。

4.1 增加檢驗減小風險

檢驗主要通過降低失效可能性來規避風險，具體來講就是通過減小腐蝕損傷因子來實現[6]。在風險等級矩陣中，失效可能性越大其失效等級越高，從設備管理角度來講，將主要精力放在較高風險的設備商，適度加強高風險設備的檢驗力度，合理分配檢驗資源，一定程度上可以降低風險。

為了預測檢驗對風險的影響，軟件對評估范圍內以腐蝕減薄為主的高風險設備進行模擬，對高風險區設備增加一次在線檢驗，重新進行風險計算，結果表明：實施在線檢驗后，多數高風險區設備風險等級可降低一級，結果如表4 所示。

表4 通過檢驗調整風險示例

4.2 提高檢驗有效性減小風險

考慮到裝置存在技改和產品提升，不能準確對部分微量腐蝕性雜質進行確定，分析過程中對腐蝕流數據進行修改，添加了少量腐蝕性介質，可能使設備的失效可能性等級上升。當裝置進行停機檢修時，采取有效的檢驗方法進行檢驗，根據檢驗結果對設備的損傷機理進行判定，如果確定設備不存在某種預測的損傷機理時，可對原腐蝕流進行修訂，排除預設的損傷機理，減小設備風險。

4.3 降低失效后果減小風險

對于易燃易爆、有毒有害介質評估其失效后果，增加在線監測裝置、微泄漏報警裝置、安全連鎖保護裝置等安全措施，控制其泄漏和擴散后果范圍，以達到降低失效后果，從而減小風險。

4.4 提高管理水平降低風險

在線檢驗只能降低部分設備的失效可能性，對失效可能性等級為高風險的設備則效果甚微，對于此類設備，提高企業管理運行水平，降低管理系數是行之有效的風險控制措施[7]。建議企業在條件允許的情況下可采取操作人員不間斷巡檢，可視化監控等措施，進一步提高管理水平，降低設備風險。

5 結論

1）本文采用RBI 風險評估方法，對合成氨裝置中218 臺靜設備進行風險評估分析，評估范圍內設備以中風險為主，沒有高風險設備項。中高風險設備14 臺，中風險設備194 臺，低風險設備8 臺，說明設備整體風險水平較低，運行狀況良好。裝置中約20%的設備承擔90%的總設備風險。

2）設備主要損傷模式為腐蝕減薄、應力腐蝕開裂和外部損傷。主要損傷機理為硫化氫腐蝕、二氧化碳腐蝕、濕硫化氫應力腐蝕開裂、堿致應力腐蝕開裂、保溫層下腐蝕等。

3）依據風險評估結果，對裝置中風險等級較高的設備進行劃分，提出有效的檢驗策略和風險減緩措施，為今后制定檢驗方案提供依據。