練小暉

（上海寰球石油化學工程有限公司)

RBI技術(shù)在煉化裝置中的應用

練小暉*

（上海寰球石油化學工程有限公司)

基于風險的檢驗 （RBI）是追求安全性和經(jīng)濟性統(tǒng)一的管理方法。應用英國Tischuk公司開發(fā)的RBI軟件 （T-OCA），對苯乙烯裝置脫氫反應系統(tǒng)和延遲焦化裝置進行了風險評估，提出了基于風險的檢驗策略。對石油化工裝置開展RBI工作的一些問題，以及基于風險的設(shè)備安全保障技術(shù)對保證石油化工裝置長周期安全運行的作用等問題進行了討論，并對今后石油化工裝置開展RBI工作提出了建議。

風險 檢驗 苯乙烯 壓力容器 壓力管道 延遲焦化 RBI技術(shù)

0 前言

裝置的長周期安全穩(wěn)定運行，是石化企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟效益的根本途徑。自20世紀90年代以來，石化企業(yè)就開始把裝置長周期運行作為努力的目標，現(xiàn)在已取得較大進展。由于煉油、石化裝置運行的壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備運行條件苛刻，處在高溫、高壓環(huán)境，介質(zhì)易燃、易爆，同時由于裝置的大型化，使得承壓設(shè)備日益大型化、精密化，也使得高強材料大量應用。但高強材料的裂紋敏感性高，因此裝置的長周期運行對承壓設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的檢驗策略沒有把承壓設(shè)備的檢驗維護與其承擔的風險聯(lián)系起來，特定設(shè)備的檢驗維護與其風險水平不相適應。統(tǒng)計研究表明，80%的風險損失是由20%的關(guān)鍵設(shè)備承擔的。采用基于風險的檢驗技術(shù) （RBI技術(shù)），通過承壓設(shè)備的風險評估，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)風險水平和失效可能性決定設(shè)備和管道的檢驗策略，使檢驗重點針對高風險部位，對低風險部位則提供與其風險水平相適應的檢驗，能夠在提高設(shè)備安全可靠性的基礎(chǔ)上，減少檢驗和維護成本，從而提高設(shè)備的管理水平。國外通過采用RBI方法已對多套石化裝置的設(shè)備和管道進行了檢驗和維護，不僅延長了運行周期，也降低了檢驗維護費用[1]。

我國自20世紀90年代中期開始研究承壓設(shè)備風險分析技術(shù)以來，至今已在多套裝置上實施了RBI技術(shù)[2]，取得了一定的成效。經(jīng)過多年RBI技術(shù)的應用實踐，我國承壓設(shè)備風險檢驗技術(shù)已經(jīng)被國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的TSG R0004—2009采用，用于壓力容器的檢驗和使用管理[3]。本文是筆者在苯乙烯裝置脫氫反應系統(tǒng)、延遲焦化裝置進行RBI技術(shù)分析的應用情況介紹。

1 RBI分析原理和方法

RBI分析方法有定性、定量和半定量三種類型。在定量RBI分析中，風險定義為失效可能性和失效后果的乘積。失效可能性計算公式為：

式中，F(xiàn)P為失效可能性；FG為同類設(shè)備失效概率，它是某一工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各種裝置的失效記錄，或者是根據(jù)文獻資料以及商業(yè)數(shù)據(jù)庫而建立的各種裝置的失效記錄；FE為設(shè)備修正系數(shù)，由通用子系數(shù)、機械子系數(shù)、工藝子系數(shù)和技術(shù)模塊子系數(shù)構(gòu)成，考慮了具體設(shè)備所處地區(qū)氣候、地理、設(shè)計制造等具體條件的影響，其中起主導作用的是技術(shù)模塊子系數(shù)，它考慮了設(shè)備在服役條件下各種失效模式發(fā)展過程的影響；FM為管理系統(tǒng)評估系數(shù)，考慮了工廠工藝安全管理系統(tǒng)對機械完整性的影響。失效后果的計算考慮了可燃性和毒性造成的安全影響、環(huán)境影響，以及生產(chǎn)中斷和設(shè)備維修更換引起的經(jīng)濟損失。

RBI分析采用的軟件是英國TISCHUK公司開發(fā)的T-OCA，符合美國石油學會標準API 580。在進行RBI分析時采集了裝置詳細的數(shù)據(jù)資料，具體包括裝置設(shè)計基礎(chǔ)資料 （裝置地理氣象條件、平面布置等）、PFD圖、PID圖、工藝操作規(guī)程，以及工藝安全設(shè)施和安全管理情況；設(shè)備和管道的設(shè)計資料、操作條件、工藝介質(zhì)組成；設(shè)備和管道的材質(zhì)、保溫情況、制造和檢驗、安裝情況，以及歷年的檢驗維修記錄、檢測和失效分析情況。將收集到的數(shù)據(jù)資料輸入到RBI分析軟件T-OCA中，就可計算設(shè)備和管道的失效可能性和失效后果，得到其風險水平。

2 苯乙烯裝置的RBI 分析

2.1 裝置的基本情況

某石化公司化工部苯乙烯裝置，引進美國Badger公司的苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)，于1997年建成投產(chǎn)，年產(chǎn)苯乙烯8萬t。裝置由乙苯系統(tǒng)、脫氫反應系統(tǒng)、苯乙烯精餾系統(tǒng)和尾氣回收系統(tǒng)組成。脫氫反應系統(tǒng)是裝置的重要組成部分，在這里由乙苯反應系統(tǒng)生成的乙苯，在氧化鐵催化劑的作用下，發(fā)生脫氫反應，生成苯乙烯，并經(jīng)冷卻和分離得到粗苯乙烯。

運行期間因生產(chǎn)原料供應問題，發(fā)生多次非計劃停車，發(fā)生過設(shè)備和管件的裂紋、腐蝕，檢修時進行了修復和更換。本次RBI分析的目的是評估脫氫反應系統(tǒng)設(shè)備和管道的風險水平，提出基于風險的檢驗策略，以保證裝置的安全穩(wěn)定運行。

苯乙烯裝置脫氫反應系統(tǒng)共有靜設(shè)備12臺、工藝管道30條，介質(zhì)主要為乙苯、苯乙烯和氫，最高操作溫度達800℃，操作條件苛刻。

2.2 RBI分析結(jié)果

把采集的裝置數(shù)據(jù)輸入到T-OCA軟件中，進行風險計算。根據(jù)風險計算結(jié)果，將風險分為高風險、中高風險、中風險、中低風險和低風險五個風險等級，得到裝置的風險分布狀況，如表1所示。

表1 設(shè)備和管道的風險分布

由表1可以看出，處于高風險區(qū)的設(shè)備占25%，沒有處于高風險區(qū)的管道，中高風險區(qū)的管道占13.3%，設(shè)備的整體風險水平高于管道。

苯乙烯裝置脫氫反應系統(tǒng)設(shè)備主要失效模式有高溫下材質(zhì)劣化、腐蝕減薄、應力腐蝕開裂和保溫層下腐蝕，工藝物流中主要腐蝕介質(zhì)有碳酸、有機酸、KOH、氯化物和MEA等。分析表明，高溫區(qū)設(shè)備和管道的風險水平高于低溫區(qū)，低溫區(qū)內(nèi)部腐蝕減薄速率較低，低溫區(qū)管道需注意保溫層下腐蝕。高溫區(qū)設(shè)備操作溫度高，過熱蒸汽最高溫度高達800℃，兩臺反應器操作溫度均超過600℃，操作壓力有低壓和負壓操作。高溫區(qū)設(shè)備和管道材料主要采用了304H，個別部位采用了INCOLOY 800H。在操作條件下，這些材料會發(fā)生因碳化物析出、σ相析出而引起的材質(zhì)劣化，使材料的塑性、韌性降低，還會發(fā)生蠕變。由于操作壓力低，設(shè)備和管道蠕變速率較低，但在局部應力集中部位，蠕變引起的損傷應予以重視。開停車過程和工藝操作過程中的升降溫速度如果超過了一定值，會引起較大的熱應力，引起局部高應力區(qū)發(fā)生變形和開裂。由于物流中主要成分乙苯、苯乙烯和氫均為易燃易爆物，又存在負壓工況，一旦出現(xiàn)泄漏，空氣漏入系統(tǒng)，就會發(fā)生爆炸，失效后果等級為高。

2.3 風險管理建議

管理和控制裝置的運行風險，就是采用各種檢驗、監(jiān)控方法和應急處理準備，降低失效概率和失效后果。根據(jù)API 581，基于風險的檢驗能通過對失效機理和模式、失效進展速率以及設(shè)備對失效的耐受性的分析，來降低失效可能性、控制失效風險?？稍谲囬g現(xiàn)場配置泄漏紅外探測儀、在線物流氧分析儀，以及設(shè)置事故的應急處理措施預案，通過早期發(fā)現(xiàn)、控制失效后果等措施，來控制設(shè)備和管道的運行風險。

根據(jù)設(shè)備和管道的風險水平，采取的檢驗策略見表2。

表2 設(shè)備和管道的檢驗策略

苯乙烯裝置脫氫反應系統(tǒng)高溫區(qū)設(shè)備和管道的風險水平高，是檢驗和管理的重點。從失效機理看，高溫區(qū)主要失效模式是材質(zhì)劣化和開裂，應采用金相方法進行檢測以評定材質(zhì)劣化程度，并采用適當?shù)臋z驗方法檢測應力集中區(qū)的裂紋萌生和發(fā)展情況，根據(jù)裂紋萌生和擴展規(guī)律確定檢驗頻率。操作中應保持工藝平穩(wěn)，防止工藝參數(shù) （溫度、壓力等）過快升降；開停車時升降溫速度要適當合理，以控制熱應力水平。停車吹掃應徹底，防止在低溫下造成不銹鋼的應力腐蝕環(huán)境。對高溫設(shè)備的保溫結(jié)構(gòu)需要加強檢查和維護，防止局部由于保溫不好而引起局部漏熱，造成局部較高的熱應力。

3 焦化裝置長周期運行的風險分析

某煉化公司延遲焦化裝置于2003年開工至今已運行二年，原計劃在2005年5月進行停工檢修。但根據(jù)公司的生產(chǎn)安排，決定對其延長一年進行檢修，即實現(xiàn)該裝置 “三年一修”的目標。為了找出影響裝置長周期安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應的對策措施，對裝置進行了工藝系統(tǒng)以及設(shè)備管道的風險分析。

3.1 裝置的基本情況

該延遲焦化裝置于1971年建成投產(chǎn)，2002年設(shè)計規(guī)模由80萬t/a擴能至120萬t/a。2002年改造前裝置設(shè)計為無井架二爐四塔流程，改造后為有井架除焦的二爐二塔工藝流程。裝置改擴建的主要內(nèi)容為新增焦炭塔T-201（設(shè)備號，下同）和T-202兩座 （原有的四臺廢除），新增加熱爐F-303，采用輻射管多點注汽，采用靈活調(diào)節(jié)循環(huán)比技術(shù)，焦炭塔采用24 h生焦切換，儀表控制采用DCS集散型控制系統(tǒng)。

3.2 裝置的工藝運行分析

焦化裝置屬于高溫、易燃和易爆的裝置。裝置所用原料為減壓渣油，自燃點為230～240℃，而裝置的操作溫度多在300℃以上，一旦泄漏極易發(fā)生火災。裝置生產(chǎn)的干氣和汽油其沸點和閃點都很低，與空氣混合均能形成爆炸性混合氣體，其爆炸極限分別為1.5%～15%和1.4%～7.6%。裝置生產(chǎn)的其它產(chǎn)品 （如柴油、蠟油）的自燃點都低于裝置的操作溫度，極容易發(fā)生火災，存在較大危險。同時由于操作既有連續(xù)的又有間歇的，人工操作崗位高溫重油部位較多，且人工操作頻繁，勞動強度相對較大，危險性較高。

根據(jù)裝置提供的操作規(guī)程、安全規(guī)程、技術(shù)月報和技術(shù)年報以及現(xiàn)場調(diào)研情況等，對裝置進行了分析。本周期裝置原料性質(zhì)有變重的趨勢，并且在混煉納波油時，出現(xiàn)了焦炭塔劇烈振動和出彈丸焦等不安全因素。對影響該裝置的加熱爐和焦炭塔的波動情況進行了統(tǒng)計，2004年1月至2005年4月期間產(chǎn)生波動達25次。在這些生產(chǎn)波動中，因系統(tǒng)原因造成波動的共10次，系統(tǒng)原因中因電氣原因造成波動的有5次 （閃電和電網(wǎng)問題），占系統(tǒng)原因的1/2；因為裝置自身原因造成波動的有15次，占全部故障的60%。這些事件中因循環(huán)油泵和輻射泵這些關(guān)鍵泵造成的事件有10次，占全部故障的40%。尤其是輻射泵的故障率較高，這是該裝置一個較大的不安全因素。

通過對工藝系統(tǒng)的風險分析，提出如下優(yōu)化建議：在整個生產(chǎn)過程中，要考慮原料性質(zhì)對焦化裝置長周期安全運行的影響，對常減壓裝置的原油混煉比例和該裝置的處理量應根據(jù)實際情況進行合理調(diào)整，保證裝置安全生產(chǎn)；生產(chǎn)中要采取有力措施，保障水電汽等公用工程設(shè)施的平穩(wěn)運行，并制定應急預案，防止公用設(shè)施異常影響裝置的安全運行。

3.3 裝置中設(shè)備的風險分析

影響生產(chǎn)裝置長周期運行的因素有很多，但保持設(shè)備的完好性，充分發(fā)揮其效能，是實現(xiàn)裝置長周期運行的基礎(chǔ)。延遲焦化裝置的原料為減壓渣油，由于其硫含量高且操作溫度高，對裝置中的設(shè)備腐蝕比較嚴重，所以設(shè)備能否安全運行對該裝置的長周期運行至關(guān)重要。

對主工藝流程內(nèi)的靜設(shè)備和管道 （公用工程系統(tǒng)、燃氣、冷卻水和儀表管道等輔助系統(tǒng)不包括在內(nèi)）進行了定量的風險分析。分析的范圍主要是該焦化裝置的流程圖中的所有設(shè)備和管道，具體包括靜設(shè)備共60臺，其中塔3臺、罐5臺、換熱器44臺、空冷器6臺和加熱爐2臺；主要工藝管道152條。

該套延遲焦化裝置加工的物流中，主要的腐蝕性介質(zhì)有硫、硫化氫、氯化物、氯化氫和銨鹽等，存在的主要失效原因或失效機理有高溫硫腐蝕、HCl-H2S-H2O腐蝕、垢下腐蝕、濕硫化氫損傷、Cl-應力腐蝕開裂、保溫層下腐蝕、蠕變、熱疲勞、組織劣化和低周熱疲勞等。裝置中主要的腐蝕機理有HCl-H2S-H2O腐蝕、高溫硫腐蝕、濕H2S應力腐蝕開裂等。HCl-H2S-H2O腐蝕比較嚴重的部位是分餾塔頂?shù)睦鋮s系統(tǒng)；高溫硫腐蝕比較嚴重的部位是輻射進料管線和設(shè)備、分餾塔底部的管線和設(shè)備等。

該裝置中處于高風險的設(shè)備有3臺，占所分析的全部設(shè)備的5%。失效可能性高而失效后果為中的設(shè)備有1臺，即輻射進料-輕蠟油換熱器H-107。該換熱器中輕蠟油含硫0.802%，在300～344℃的操作溫度范圍內(nèi)對管箱主體材質(zhì)16MnR造成高溫硫腐蝕減薄，理論腐蝕速率為1.056 mm/a，管箱失效可能性等級為高。根據(jù)中國石化 《加工高硫原油重點裝置主要設(shè)備設(shè)計選材導則》 （SH/T 3096—2001）選材要求，對于該換熱器推薦使用的材料為碳鋼＋0Cr13Al(0Cr13)，而這臺設(shè)備材質(zhì)低于標準要求。從失效后果來看，在300℃左右的操作溫度工況下，一旦介質(zhì)從換熱器殼程中泄漏出來，將會引起火災，失效后果比較嚴重。失效可能性為中而失效后果為高的設(shè)備有2臺：焦炭塔T-201和T-202。一旦失效將直接導致裝置停工，造成重大經(jīng)濟損失，失效后果等級為高。

根據(jù)上面的分析，公司針對焦化裝置的薄弱環(huán)節(jié)、高風險設(shè)備狀況，從優(yōu)化工藝操作、做好重點設(shè)備運行的檢查、做好事故預防和應急預案等方面加強了管理，保障了裝置安全穩(wěn)定地延長了一年的運行時間。

4 RBI分析中問題的討論

定量RBI分析涉及到工藝、設(shè)備、腐蝕、檢驗檢測、安全等各方面詳細的數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)的準確性和完整性決定了分析的效率和質(zhì)量，這需要裝置的工藝和設(shè)備等各方面專家的良好配合和工廠的數(shù)據(jù)積累。在評估過程中，往往會碰到數(shù)據(jù)不全的情況。例如工藝物流中微量腐蝕性介質(zhì)是決定設(shè)備失效機理的基礎(chǔ)，對設(shè)備和管道的風險等級評定影響很大，但有時這些介質(zhì)的含量等數(shù)據(jù)無法通過取樣分析得到，這時往往需要根據(jù)裝置具體情況按保守方法估計出某一數(shù)值進行風險計算并制定基于風險的檢驗策略，然后利用在以后的檢驗維護過程中取得的數(shù)據(jù)資料更新數(shù)據(jù)庫，以降低運算結(jié)果的不確定性，實現(xiàn)RBI分析的持續(xù)改進。

RBI技術(shù)的核心是：識別和評價服役條件下結(jié)構(gòu)材料可能的損傷或劣化模式及其嚴重程度；從可能造成的直接、間接經(jīng)濟損失、介質(zhì)泄漏的影響等方面評價失效后果。但由于歷史原因，我國缺乏完整的系統(tǒng)的壓力容器和管道的失效模式、損傷和劣化進展速率數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)在我國RBI分析采用的是引進的分析軟件，采用了西方發(fā)達國家的失效數(shù)據(jù)庫，因此在實際應用中應考慮與我國設(shè)備實際情況不一致的地方 （如設(shè)備的制造缺陷和超期服役問題等）。 我國的相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)根據(jù)近年來對裝置進行RBI分析的結(jié)果，開始建立我國特色的設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并借鑒國外的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，編制我國的評估規(guī)范，這對于RBI技術(shù)在我國石化工業(yè)的普遍應用，保障裝置的安全穩(wěn)定長周期運行，非常關(guān)鍵。

5 結(jié)論

（1）苯乙烯脫氫反應系統(tǒng)高溫部位的風險水平高于低溫部位，檢驗和維護的重點應針對高溫區(qū)，低溫部位應注意對保溫層下腐蝕的檢驗。

（2）延遲焦化裝置在保持原料性質(zhì)相對穩(wěn)定、保持裝置負荷率、保持公用工程系統(tǒng)穩(wěn)定、保持操作平穩(wěn)并加強重點設(shè)備和管道的運行檢查的前提下，能夠控制裝置的運行風險，實現(xiàn)裝置的 “三年一修”目標。

（3）在煉油、石油化工裝置中實施RBI評估，根據(jù)設(shè)備和管道的風險水平和失效可能性制定檢驗和維護計劃，能夠使檢驗和維護的重點針對高風險部位，能夠在降低裝置整體風險水平的同時降低檢驗和維護費用，有利于裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行。

[1]Willke T L.U S risk management can reduce regulation,enhance safety[J].Oil and Gas Journal,1997,95(24):37-46.

[2]陳鋼，左尚志，陶雪榮,等.承壓設(shè)備的風險評估技術(shù)及其在我國的應用和發(fā)展趨勢 [J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2005,1(1):31-35.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].2009：38-40.

Application of Risk-based Inspection in Refining Device

Lian Xiaohui

Risk Based Inspection (RBI) is a management approach that seeks unification of safety and economy.Assessed the risk of delayed coking device and dehydrogenation system for styrene plant with RBI software(T-OCA)developed by Tischuk,proposed inspection strategy based on risk.Discussed the problems met during RBI for petro-chemical plants,and use of equipment security technology based on risk for long-term and safe running of the plants,and put forward suggestions for the RBI in the future.

Risk;Inspection;Styrene;Pressure vessel;Pressure pipe;Delayed coking;RBI technology

TQ 050.1

*練小暉，男，1967年生，工程師。上海市，200023。

2012-05-28）