李正剛，石端偉*，廖冬梅，李茂東

（1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510100）

0 引 言

近年來，隨著高參數(shù)、大容量的大型火電機(jī)組及設(shè)備迅速發(fā)展，電站設(shè)備的安全可靠性越來越重要。目前，影響火電機(jī)組可靠性的主要原因集中反映在鍋爐設(shè)備上，電站鍋爐運(yùn)行的可靠性直接影響到電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。鍋爐的主要承壓部件是鍋爐受熱面管，包括過熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管等部件，長(zhǎng)期在高溫高壓、煙氣飛灰等十分惡劣的使用環(huán)境介質(zhì)中運(yùn)行，服役過程中會(huì)發(fā)生蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等一系列的老化損傷失效，由此可能出現(xiàn)嚴(yán)重的受熱面管爆漏事故。我國大型火電站鍋爐四管爆漏引起的停爐占機(jī)組非計(jì)劃停用時(shí)間約40%，占鍋爐設(shè)備非計(jì)劃停用時(shí)間約70%［1］。電站鍋爐受熱面爆漏失效是造成非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因，對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行威脅極大。而且隨著老機(jī)組服役時(shí)間的增加及新增大型機(jī)組投產(chǎn)和參數(shù)的提高，這類事故還有逐年上升的趨勢(shì)。如能對(duì)電站鍋爐受熱面管損傷失效早分析、早判斷，并進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)與控制，對(duì)其存在的隱患進(jìn)行分析，有針對(duì)性地防患于未然，將對(duì)合理安排檢修策略、縮短檢修時(shí)間、降低臨檢率及減少檢修費(fèi)用具有重要意義。

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與維修技術(shù)正是一項(xiàng)研究如何使設(shè)備運(yùn)行更安全、更可靠、設(shè)備維修成本更低的新技術(shù)。在我國火力發(fā)電領(lǐng)域，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與維修目前正處于起步階段，國內(nèi)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)方法及其在電站設(shè)備中的應(yīng)用研究越來越關(guān)注［2］。本研究將從現(xiàn)行電站鍋爐受熱面檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)入手分析其存在的主要問題，探討電站鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及過程，重點(diǎn)分析并確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估中概率與后果嚴(yán)重程度的量化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐受熱面管損傷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 鍋爐受熱面管損傷與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.1 電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗(yàn)依據(jù)及存在問題

現(xiàn)行的電站鍋爐受熱面管檢驗(yàn)與判別標(biāo)準(zhǔn)有DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DLT 939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》和DL 647-2004《電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》等，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)鍋爐受熱面管的檢驗(yàn)與判別主要存在如下問題：

（1）所有檢驗(yàn)與判別標(biāo)準(zhǔn)都是定性評(píng)判，這些標(biāo)準(zhǔn)僅從鍋爐受熱面管檢驗(yàn)出發(fā)，從不同方面定性評(píng)判部件損傷失效與否，給出了“是”與“非”、“好”與“壞”的限值或門檻值；例如：合金鋼管外徑蠕變變形大于2.5%，碳素鋼管外徑蠕變變形大于3.5%，或腐蝕點(diǎn)深度大于壁厚的30%時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換。

（2）對(duì)于“檢驗(yàn)結(jié)果未達(dá)到判廢標(biāo)準(zhǔn)的損傷，但存在爆漏失效可能”的潛在危險(xiǎn)及危害一律接受，處理方法單一，盲目性較大；例如，當(dāng)管子的腐蝕點(diǎn)坑深小于原壁厚的30%而大于原壁厚的20%的潛在危險(xiǎn)性如何評(píng)判和控制，無據(jù)可查。

（3）在鍋爐受熱面管實(shí)際檢修和運(yùn)行過程中，對(duì)于“未達(dá)到判廢標(biāo)準(zhǔn)的損傷，但卻存在失效可能”的潛在危險(xiǎn)實(shí)際是允許存在的，由于研究者未進(jìn)行量化分析，其潛在風(fēng)險(xiǎn)的大小也就不能被準(zhǔn)確掌握，對(duì)這些潛在危險(xiǎn)的控制與處理就存在盲目性。

對(duì)于這部分未達(dá)到判廢標(biāo)準(zhǔn)但仍繼續(xù)使用的管子而言，的確存在很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)使用時(shí)如何對(duì)這些潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而經(jīng)濟(jì)、合理地預(yù)防和處理就顯得尤為重要。針對(duì)上述問題，對(duì)鍋爐受熱面管損傷，通過采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行分析、評(píng)估、控制等，即分析損傷后鍋爐受熱面管發(fā)生失效的概率大小和后果嚴(yán)重程度，那么就可以根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)合具體情況做出科學(xué)的決策，有計(jì)劃、有針對(duì)性、及時(shí)合理地進(jìn)行預(yù)防和處理［3］。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及應(yīng)用

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是對(duì)待評(píng)估系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生事故和危害的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性和定量分析，評(píng)價(jià)系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生危險(xiǎn)的可能性和后果嚴(yán)重程度，以尋求最小的事故發(fā)生率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益為目的，又稱為危險(xiǎn)評(píng)價(jià)［4-5］。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是對(duì)危險(xiǎn)的可能性和后果嚴(yán)重程度進(jìn)行定性以及定量的分析，然后綜合確定出風(fēng)險(xiǎn)的程度和風(fēng)險(xiǎn)分布，并在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)的檢驗(yàn)策略，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)，可以達(dá)到在保證設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上顯著降低檢驗(yàn)成本的目的，它是電站設(shè)備維修決策中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［6］。

風(fēng)險(xiǎn)管理科學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行檢修中的應(yīng)用最早起源于核工業(yè)，研究人員為了確定檢修的優(yōu)先次序，并做出基于風(fēng)險(xiǎn)的決策，由此發(fā)展了概率風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)。挪威船級(jí)社在海洋石油平臺(tái)上采用了基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（Risk-Based Inspection，RBI）技術(shù)，美國自1995年開始了基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)在石化裝置檢驗(yàn)中的研究，并在2000年發(fā)布了API 580（基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)）和API 581（基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)的資源文件）兩個(gè)推薦標(biāo)準(zhǔn)［7-8］。2006年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《關(guān)于開展基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用工作的通知》，明確了基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)是在特種設(shè)備安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的一種優(yōu)化檢驗(yàn)方案的方法，并于特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域試點(diǎn)［9］。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方法一般可以分為以下3類：

（1）定性分析。定性分析一般只是被用來作為風(fēng)險(xiǎn)的顯示，而不是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。由于定性分析所需資料較少，其區(qū)別能力就非常有限，但它可以用于對(duì)設(shè)備迅速按重點(diǎn)進(jìn)行排序，以便于作進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)分析。研究者一般采用專家打分方法、故障樹方法。

（2）半定量分析。半定量分析是介于定性和定量之間的一種分析方法，研究者采用比較簡(jiǎn)化的假設(shè)，方法比較簡(jiǎn)單，需要的資料較定性分析要多。主要是以風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

（3）定量分析。定量分析需要提供比較詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括工藝流程數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)計(jì)資料、歷年維（檢）修記錄、工藝介質(zhì)分析數(shù)據(jù)、失效分析記錄等。然后在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)理論方法進(jìn)行分析。定量分析是制定詳細(xì)檢驗(yàn)計(jì)劃的基礎(chǔ)，主要是概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

本研究以風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，風(fēng)險(xiǎn)是用事故可能性與損傷的程度來表達(dá)的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷害的度量。這可以表明：①發(fā)生事故的概率，它是用來預(yù)測(cè)生產(chǎn)過程中某部件、設(shè)備等可能發(fā)生什么事故及其發(fā)生事故的可能性有多大；②生產(chǎn)過程中發(fā)生事故可能造成設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失和人員安全損害的程度，即事故后果；③生產(chǎn)過程中發(fā)生事故的概率與事故后果，即生產(chǎn)系統(tǒng)的事故風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)可用下式表示：

式中：R—系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)—系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性（概率），C—系統(tǒng)發(fā)生事故的嚴(yán)重程度（后果）。

傳統(tǒng)的鍋爐受熱面管檢測(cè)技術(shù)與判廢標(biāo)準(zhǔn)往往是定期大范圍的普查。在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，研究者對(duì)影響鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)的各種因素做定量化評(píng)估，對(duì)鍋爐受熱面管的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)做出判斷，并根據(jù)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定要重點(diǎn)關(guān)注的部件，優(yōu)先對(duì)重要設(shè)備和部件進(jìn)行檢驗(yàn)，做到既減少檢修成本，又可以降低系統(tǒng)的整體風(fēng)險(xiǎn)水平。目前國際上采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)在役設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢驗(yàn)已成為發(fā)展方向［10-13］。

2 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程

對(duì)鍋爐受熱面管損傷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，就是考慮鍋爐受熱面管在高溫、高壓的環(huán)境中氧化、腐蝕、減薄以及組織性能變化的不確定性，因而需要對(duì)其存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行概率和后果嚴(yán)重程度分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)鍋爐受熱面的安全狀況，為安全運(yùn)行、合理檢修提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

鍋爐受熱面管的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本過程包括：資料收集、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、損傷特征識(shí)別、對(duì)危險(xiǎn)發(fā)生頻率的評(píng)估、對(duì)危險(xiǎn)產(chǎn)生后果的評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等過程，示意圖如圖1所示。

風(fēng)險(xiǎn)矩陣是將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率與后果影響程度這兩個(gè)量綱綜合考慮的一種常用方法。該方法通過將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率與后果影響程度以矩陣的形式表示，并以此為依據(jù)評(píng)定項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如極低、低、中、高、極高等風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

圖1 鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本過程

以下介紹鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估過程中的概率分析、后果嚴(yán)重程度分析和損傷風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估。

2.1 概率分析

概率分析就是要確定鍋爐受熱面管因出現(xiàn)各種損傷后發(fā)生失效的概率。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)度（F）取值范圍在0～1之間，既可以采用序數(shù)標(biāo)度，如從可能性極低到幾乎確定無疑的相對(duì)概率值來表示的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)度，也可以采用普通標(biāo)度，如0.1、0.3、0.5等，為具體的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率賦值。

對(duì)各指標(biāo)的標(biāo)度確定遵循兩個(gè)原則：①風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判結(jié)果一致，即按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估后的判廢等級(jí)應(yīng)該與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的定性評(píng)判的結(jié)果一致；②比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)致合理，即用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)鍋爐受熱面管損傷潛在危險(xiǎn)分析，有針對(duì)性、有目的性地加以預(yù)控，相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理地防患于未然。鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)度如表1所示。

2.2 后果嚴(yán)重程度分析

后果嚴(yán)重程度分析就是分析鍋爐受熱面管因?yàn)槌霈F(xiàn)各種損傷后在高溫、高壓環(huán)境的作用下可能導(dǎo)致的各種事故后果及損失。后果嚴(yán)重程度取值范圍也是在0～1之間，取值為0表示風(fēng)險(xiǎn)損失較小，取值為1表示風(fēng)險(xiǎn)損失大。風(fēng)險(xiǎn)影響標(biāo)度可反映某項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后所造成的后果嚴(yán)重程度，風(fēng)險(xiǎn)影響標(biāo)度（衡量后果嚴(yán)重程度的水平）可以用相對(duì)比例來描述，如“很低”、“低”、“中等”、“高”、“很高”，同時(shí)也可以采用數(shù)字比例為風(fēng)險(xiǎn)影響標(biāo)度來賦值。這些數(shù)值可以是線性值，例如，0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，或非線性值，例如，0.05、0.1、0.2、0.4、0.8，非線性值反映了回避高影響風(fēng)險(xiǎn)的愿望。

后果嚴(yán)重程度數(shù)字比例可以根據(jù)項(xiàng)目具體需要自行選擇其可能產(chǎn)生的后果（C）。本研究參考國家電網(wǎng)安監(jiān)［2005］145號(hào)《國家電網(wǎng)公司電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》、國電發(fā)［2000］643號(hào)《電業(yè)生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》等相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，電力行業(yè)事故（障礙）劃分方式如下：電力行業(yè)事故大致分為人身事故、電網(wǎng)事故和設(shè)備事故3類。設(shè)備事故的等級(jí)劃分如下：特大設(shè)備事故、重大設(shè)備事故、一般設(shè)備事故、設(shè)備一類障礙、設(shè)備二類障礙［14］。對(duì)于電站鍋爐這樣發(fā)電機(jī)組主設(shè)備，受熱面管發(fā)生爆漏失效往往造成主設(shè)備被迫停運(yùn)和非計(jì)劃?rùn)z修等一般設(shè)備事故。例如，當(dāng)鍋爐受熱面管檢查發(fā)現(xiàn)一處損傷，其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率很高（F=0.8），造成的事故后果嚴(yán)重程度通常為一般設(shè)備事故（C=0.4），按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)需要更換處理，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果應(yīng)該與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的定性評(píng)判結(jié)果一致，為高度危險(xiǎn)，立即換管。

表1 鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)度分級(jí)

由此，本研究可以得到鍋爐受熱面管的事故后果嚴(yán)重程度分級(jí)，分級(jí)表如表2所示。

表2 鍋爐受熱面管事故后果嚴(yán)重程度分級(jí)表

3 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法

根據(jù)鍋爐受熱面檢查項(xiàng)目的具體情況及檢查結(jié)果，本研究首先估算出每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和后果嚴(yán)重程度，然后將兩者相乘，得到一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)值。然后采用風(fēng)險(xiǎn)概率影響程度矩陣的形式，對(duì)每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，最終得出每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的重要性及其緊迫程度。

一個(gè)典型的概率影響風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖2所示，黑色區(qū)域表示風(fēng)險(xiǎn)值較大，陰影區(qū)域表示風(fēng)險(xiǎn)值較?。?5］；風(fēng)險(xiǎn)值介于兩者之間的灰色、白色區(qū)域表示中等風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)值可以為設(shè)備運(yùn)行和檢修人員提供指導(dǎo)，如果風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率較高，且會(huì)產(chǎn)生不利影響程度，即處于風(fēng)險(xiǎn)概率影響程度矩陣的灰色區(qū)域，則需要積極地對(duì)其采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施；對(duì)于處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)事件，則只需對(duì)其進(jìn)行觀察，并準(zhǔn)備應(yīng)急儲(chǔ)備，而無須采取積極的措施。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是依據(jù)表2中后果嚴(yán)重程度分級(jí)并結(jié)合鍋爐管損傷概率和實(shí)際情況來定義的，鍋爐受熱面管損傷經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，各種損傷情況按風(fēng)險(xiǎn)高低排序，研究者在監(jiān)督、運(yùn)行和檢修中就可以區(qū)別對(duì)待，突出重點(diǎn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，采取不同預(yù)控措施，具體措施如表3所示。

表3 鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

4 結(jié)束語

本研究將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用于電站鍋爐受熱面管損傷評(píng)估中，提出并討論了電站鍋爐受熱面管損傷狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本方法和基本過程，分析了電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)存在問題，提出了電站鍋爐受熱面管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的必要性和可行性。通過用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)電站鍋爐受熱面管損傷潛在危險(xiǎn)進(jìn)行分析、評(píng)估、控制，可以根據(jù)具體情況做出科學(xué)的決策，有計(jì)劃、有針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行預(yù)防和處理；結(jié)合電站鍋爐受熱面檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，討論并確定了風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估過程中概率標(biāo)度和后果嚴(yán)重程度的賦值及量化取值范圍；利用鍋爐受熱面管損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，科學(xué)地反映了鍋爐受熱面損傷的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定了不同預(yù)控措施，并為電站設(shè)備狀態(tài)維修決策提供了依據(jù)。

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