基于RBI計算的熱交換器換熱管束檢驗策略的制定

基金項目：寧波市重大科技任務攻關項目（批準號：2022Z165）資助的課題;寧波市公益類科技計劃重點項目（批準號：2022S007）資助的課題。

作者簡介：張子健（1989-），高級工程師，從事承壓類特種設備風險評估與評價工作，zhangzj@nbanji.com。

引用本文：張子健.基于RBI計算的熱交換器換熱管束檢驗策略的制定[J].化工機械，2024，51（2）：267-273;294.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402015

摘 要 根據API 581—2016《基于風險的檢驗方法》和GB/T 26610.2—2022《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略》，介紹了基于RBI計算的熱交換器管束檢驗策略制定的原理，采用DNV挪威船級社Synergi Plant RBI Onshore 5.7風險評估軟件，對某化工企業一臺熱交換器的換熱管束進行了工程應用計算，為換熱管束定期檢驗策略的制定提供了依據。

關鍵詞 風險分析 失效可能性 失效后果 換熱管束 檢驗策略

中圖分類號 TQ053.2" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0267?08

管殼式熱交換器是目前我國石化企業中應用最為廣泛的換熱設備，該設備由換熱管束、封頭管箱、殼體、接管、管板和折流板六大部分組

成[1，2]。換熱管束是熱交換器的核心部件，常用材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、鋁及鈦等，換熱管束常見的損傷模式有點蝕、內外壁腐蝕減薄、進出口的沖蝕、流速較慢區域的汽蝕、結垢、振動造成的折流板處機械磨損、溫差應力造成的管板焊縫開裂以及管板角焊縫應力腐蝕開裂等[3，4]。換熱管的壁厚通常較小，一般僅2～3 mm不等，這就極易造成換熱管腐蝕穿孔或者開裂，導致換熱管泄漏，從而影響企業化工裝置的正常運行，嚴重時甚至會造成停車、停產[5]。目前，管殼式熱交換器的定期檢驗依據的是TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[6]，但規程中針對換熱管束的檢驗周期、檢驗方法和重點檢驗部位未作明確說明，若完全按照熱交換器殼體的安全狀況等級確定換熱管束的檢驗周期，存在一定的不合理性。RBI（Risk?Based Inspection）風險評估通過計算管束的失效可能性和失效后果，得出風險級別，根據不同風險等級制定不同的檢驗策略，筆者基于API 581—2016《基于風險的檢驗方法》[7]和GB/T 26610.2—2022《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略》[8]，研究了換熱管束檢驗策略的制定方法，并進行了工程案例應用，可在一定程度上完善管殼式熱交換器定期檢驗目前存在的不足之處。

1 基于RBI計算的檢驗計劃制定

1.1 最大可接受失效可能性

換熱管束的檢驗目標有兩種設置方式：失效可能性目標和風險總成本目標。使用單位設定的風險目標是根據所在公司風險決策理念變化而變化的，大多數公司傾向于規避風險，因此風險目標的設定會直接影響到檢驗策略的制定。換熱管束的最大可接受失效可能性P（次/年）是失效后果C（元）和使用單位設定風險目標Risk（元/年）的函數，計算公式為：

P=" " " " （1）

最大可接受失效可能性設定的意義在于可以計算出達到設定值時所對應的時間，將此時間確定為目標檢驗日期。

1.2 無檢驗歷史情況下的檢驗時間

為了制定檢驗計劃，必須計算實時風險，換熱管束實時失效可能性P計算公式為：

P=1-exp[-（）]" " "（2）

其中，P是時間t的函數，η為威布爾分布的特征壽命參數，β是威布爾分布的形狀參數。

通過數學變換，可推導出無檢驗歷史情況下檢驗時間的計算公式：

t=η×[-ln（1-P）]" "（3）

基于GB/T 26610.2—2022標準，設定首次檢驗的時間為式（3）中檢驗時間的一半。

1.3 有檢驗歷史情況下的檢驗時間

首先在未取得大量類似管束檢驗數據的情況下，就無法確定與失效數據庫相匹配的管束是否能準確表示本次需要評估的管束，其次失效數據庫存在一定固有的錯誤和偏差，統計中還會出現其他的額外不確定性。因此API 581—2016中設定默認的不確定性為50%，這會引起失效可能性曲線向左移。若管束無任何檢驗記錄，則需利用50%不確定性曲線來預測管束的失效可能性。

1.3.1 檢驗對失效可能性曲線的影響

通過對管束進行一定程度的檢驗可以評估管束的真實狀況，同時還可以調整失效可能性曲線，檢驗有效性可以降低失效可能性曲線中的不確定性，可使曲線變得更為準確，例如：無任何檢驗時，曲線存在50%不確定性;當采用中高度有效的檢驗時，曲線的不確定性就會降為20%。經過檢驗的管束，不確定性降低，曲線會向右側偏移，失效可能性和計算出的風險都會降低。檢驗結果可以全面反映管束當前時間節點的狀況，可能當前管束的狀況較好，所選的曲線就會顯得較為保守，也可能管束的狀況比采用數據庫中類似工況管束數據預測的要差。

1.3.2 基于測厚數據預測失效日期

若管束的主要損傷模式是全面腐蝕減薄，則可以用測得的平均管道厚度數據預測將來的失效日期。可以用制造平均壁厚和最近一次檢驗測得的平均壁厚計算管束的減薄速率t：

t=" " " "（4）

式中 t——服役時間;

" t——最近一次檢驗測得的平均壁厚;

" t——制造平均壁厚。

根據剩余壁厚分數確定失效時間點，計算基于測厚數據預測的失效日期，即：

PBL=" " （5）

其中，PBL為基于檢驗修正后的預估管束剩余壽命，RWT是剩余壁厚的百分數，根據GB/T 26610.2—2022標準，RWT默認取0.75，也可以根據實際情況自行賦值。

1.3.3 基于預估剩余壽命預測失效日期

當管束存在其他損傷模式或無測厚數據時，可用最近一次檢驗所得的管束預估剩余壽命來計算基于檢驗修正后的預估管束剩余壽命，公式為：

PBL=t+ERL" " "（6）

式中 ERL——管束預估剩余壽命。

1.3.4 基于管束實際狀況調整失效可能性曲線

有檢驗歷史情況下，檢驗時間的計算需要對威布爾特征壽命參數η進行修正，修正過程是基于式（5）或式（6）計算出的PBL值，設置PBL值為另外的失效點，將PBL值加入失效數據庫原始數據集，計算η：

η=

t" " （7）

式中 N——歷次更換管束的數量;

" r——歷次失效管束的數量;

t——第i個管束的服役時長。

因為基于管束的實際狀況，得到修正值η，所以失效可能性曲線會發生移動，最終會影響檢驗時間的制定。

1.3.5 有檢驗歷史情況下的檢驗時間

用η代替η，采用式（3）就可計算出有檢驗歷史情況下的檢驗時間。

1.4 延長管束壽命的影響

在檢驗期間，通常只會對管束進行清洗和小規模維修，管束不會恢復到全新狀態，因此失效可能性曲線是按照管束最初安裝日期算起的。但在維修過程中會采用多種手段進行壽命延長，若仍然采用原始曲線進行計算，就會顯得過于保守，因此采用壽命延長系數的方式進行調整，管束調整后的服役時間計算為：

tadj=（1-LEF）×t" （8）

其中tadj為調整后的管束服役時間，LEF為調整因子，若采用堵管方法，LEF取0.1;若采用管束旋轉180°的方法，LEF取0.5;若采用更換部分管束的方法，LEF取0.5;若采用更換全部管束的方法，LEF取0.9;若采用更換備用管束的方法，LEF取0.5。t為管束原始安裝日期與檢驗日期之間的時間間隔，新安裝日期的計算方法為檢驗日期減去tadj，得到調整后的新安裝日期，隨后失效可能性的計算都是基于新安裝日期進行的。

1.5 檢測方法與有效性

1.5.1 換熱管束的檢測方法

換熱管束目前常用的檢測方法有目視檢查、可達部位的超聲測厚、常規渦流檢測、遠場渦流檢測、旋轉超聲檢測、聲脈沖檢測、漏磁檢測、激光掃描及泄漏檢測等。

1.5.2 檢驗有效性及不確定性

API 581—2016僅給出了檢驗策略的制定指南，未給出檢驗細則，筆者在GB/T 26610.2—2022標準的基礎進行了完善，給出了管束常用檢測方法和有效性等級（表1）。

注：1為高度有效，2為中高度有效，3為中度有效，X為低度有效或無效

其中，高度有效的不確定性為5%，中高度有效的不確定性為10%，中度有效的不確定性為20%，低度有效的不確定性為30%，無效的不確定性為50%。

2 工程應用案例

2.1 熱交換器基本概況

以某天然氣處理廠換熱器為案例進行RBI計算分析，該換熱器為中壓氣冷卻器，基本參數見表2，管程介質為含硫天然氣，介質各項參數見表3，殼程為脫硫脫水天然氣。

該設備于2019年10月投用，在2022年9月首次定期檢驗期間，檢驗人員發現換熱管的中間段和靠近原料氣入口段的管束內壁發現了點蝕現象，且管束下半部分比上半部分腐蝕更嚴重，靠近原料氣出口端的部分管束內壁腐蝕較少，壁厚損失均大于40%，腐蝕形貌如圖1、2所示。

根據已經出現的腐蝕情況，換熱器的腐蝕主要集中在管程部位，結合介質組分和含量，根據GB/T 30579—2022《承壓設備損傷模式識別》[9]，管程失效機理為氯離子點腐蝕，介質中含有的硫化氫和二氧化碳溶解于水中降低了溶液的pH值促進了腐蝕。從工藝情況來看，含硫天然氣進入換熱器后，在壓力不變的情況下，溫度降低，將會使得介質中含有的游離水析出，在換熱器管程內表面、法蘭密封面部位形成干、濕交替環境，氯化物具有自動濃縮聚集的可能，形成高的氯化物環境，大幅增加發生點蝕的可能性。

2.2 風險計算

采用DNV挪威船級社Synergi Plant RBI Onshore 5.7風險評估軟件，對換熱器殼體和換熱管的基本數據進行錄入，在管束的失效可能性計算過程中，威布爾特征壽命參數η和形狀參數β的設置尤為關鍵，根據GB/T 26610.4—2022的推薦[10]，β取3，對于相同類型相同工況下的換熱管束，某天然氣處理廠已有不少于兩個壽命周期的檢驗數據，具體為：有3根管束分別在運行了11年、13年、10年后出現了失效記錄，還有兩根管束運行了13年、15年，無失效情況，η的取值按照式（7）進行計算。

η=

=14.98

RBI計算過程的時間節點設置如下：投用日期為2019年10月1日，當前評估日期為2022年10月1日，將來評估日期分別設為3年后、6年后、9年后，詳見表4。

從圖3可以看出，橫坐標為時間軸，縱坐標為失效可能性，橫坐標起點為當前計算日期（2022?10?1），整條曲線走勢較為陡峭，失效可能性隨時間的變化快速增長，在2028年10月1日將達到5級，在2031年10月1日將會達到失效可能性上限值1，失效可能性極大，整條曲線的走勢與β和η的取值有密切關系。若無任何檢驗計劃，在6年后管束失效可能性達到5級，風險等級為高風險，這種狀態不能滿足使用單位對設備風險管理的需求，必須采用有效的檢驗手段來控制風險水平。

2.3 基于RBI計算的檢驗策略

根據上述分析可知，失效可能性曲線可以用來確定下一次檢驗的目標日期，換熱管束的檢驗目標通常設置為失效可能性為0.5，一旦失效可能性超過0.5，就要立即實施檢驗，確定檢驗日期的同時還要確定檢驗有效性，因為不同的檢驗有效性對曲線的走勢影響不同。針對上述案例，將失效可能性等于0.5設置為檢驗目標，下次評估日期取3年后、6年后、9年后，分析比較曲線的變化趨勢（圖4）。

從計算結果可以看出，失效可能性達到0.5的具體日期為2026年5月18日，圖4a可以看出，3年后的失效可能性未達到檢驗目標，可以不實施檢驗;如圖4b所示，若將評估日期設置為6年后，則需要在2026年5月18日實施檢驗，RBI計算軟件以檢驗資源利用最大化為基本原則，所以僅采用低度有效的檢驗方法即可滿足在2028年10月1日前失效可能性不超過0.5;如圖4c所示，若將評估日期設置為9年后，同樣需要在2026年5月18日實施檢驗，但需要采用高度有效的檢驗方法才能確保在2031年10月1日失效可能性不超過0.5，詳細統計結果見表5。

從表5可以看出，基于RBI計算的管束檢驗策略的制定需要考慮失效可能性目標和評估日期兩大因素，同時根據表1的損傷模式選取檢驗方法。本案例基于RBI計算結果的檢驗策略說明如下：若要控制2025年10月1日時失效可能性不超過0.5，無需采取任何檢驗;若要控制2028年10月1日時失效可能性不超過0.5，則需要在2026年5月18日采用20%渦流檢測或20%旋轉超聲檢測或20%聲脈沖檢測的低度有效檢驗;若要控制2031年10月1日時失效可能性不超過0.5，則需要在2026年5月18日采用100%渦流檢測或100%旋轉超聲檢測或100%聲脈沖檢測的高度有效檢驗。需要注意的是，以上計算僅考慮了一次檢驗計劃對失效可能性曲線的影響。

3 結束語

基于RBI分析的理論，采用風險評估專業軟件Synergi Plant RBI Onshore 5.7對一臺熱交換器換熱管束檢驗策略進行了制定。結果表明：基于RBI計算的管束檢驗策略科學性高，通過設置不同的檢驗目標，可以給出基于檢驗資源利用最大化的檢驗策略，在不浪費檢驗資源的情況下，幫助使用單位合理控制管束風險等級，同時為特種設備定期檢驗機構熱交換器檢驗策略的制定提供科學的依據。

參 考 文 獻

[1] 鄭津洋，桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2020.

[2] 李治國，王彥龍.板式熱交換器板片成形數值分析及優化[J].化工機械，2021，48（1）：51-58.

[3] 趙佳鳴.奧氏體TP304不銹鋼換熱管的失效分析及應力腐蝕研究[D].上海：上海交通大學，2018.

[4] 左超，李寶龍.柴油加氫裝置高壓熱交換器腐蝕泄漏原因分析及預防措施[J].石油化工設備，2019，48（1）：66-71.

[5] 李曉威，杜晨陽，劉文，等.某煤化工廠蒸汽換熱器管束的泄漏原因[J].腐蝕與防護，2022，43（11）：110-113;118.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.固定式壓力容器安全技術監察規程：TSG 21—2016[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[7] 石油工業標準化研究所，API標準翻譯出版委員會.基于風險的檢驗：API 581—2016[S].北京：石油工業標準化研究所翻譯出版社，2016.

[8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略：GB/T 26610.2—2022[S].北京：中國標準出版社，2022.

[9] 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.承壓設備損傷模式識別：GB/T 30579—2022[S].北京：科學出版社，2022.

[10] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國 家標準化管理委員會.承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第4部分：失效可能性定量分析方法：GB/T 26610.4—2022[S]. 北京：中國標準出版社，2022.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2024-03-15）

Formulation of Inspection Strategy for Heat Exchanger Tube Bundles Based on RBI Calculation

ZHANG Zi?jian

（Ningbo Labor Safety Technology Service Co.，Ltd.）

Abstract" "According to API 581—2016 Risk?based Inspection Method and GB/T 26610.2—2022 Guidelines for the Implementation of Risk?based Inspection of Pressure Equipment Systems Part 2： Risk?based Inspection Strategy， the principle of formulating inspection strategy for heat exchanger’s tube bundles based on RBI calculation was introduced， including having DNV Det Norske Veritas Synergi Plant RBI Onshore 5.7 risk assessment software employed to calculate a heat exchanger tube bundle in a chemical enterprise so as to provide the basis for regular inspection of the heat exchange tube bundle.

Key words" " risk analysis， failure possibility， failure consequence， heat exchange tube bundle， inspection strategy