宋 明 邵珊珊 壽比南
(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)
高參數(shù)承壓類特種設備風險防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究
宋 明 邵珊珊 壽比南
(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)
承壓設備包括鍋爐、壓力容器、壓力管道等,是石油、化工、電力、能源等行業(yè)的基礎裝備,事故后果巨大,直接關(guān)系生產(chǎn)安全、公共安全和社會經(jīng)濟發(fā)展。承壓設備一方面不斷向大型化、高參數(shù)方向發(fā)展,新材料、新結(jié)構(gòu)大量應用,使用環(huán)境更加苛刻復雜;另一方面隨著超期服役設備數(shù)量不斷增加,安全風險也急劇增加。承壓設備的發(fā)展趨勢對設計、制造、使用安全管理和政府安全監(jiān)管都提出了更高要求,在典型材料高溫損傷表征、設計制造早期風險防控、在役設備風險控制、超期服役設備壽命預測及延壽、宏觀安全風險防控和應急處置等方面有待進一步的深入研究。本文主要介紹了該項目的背景、目標及總體研究方案、主要研究內(nèi)容、預期主要研究成果、預期的經(jīng)濟社會效益等相關(guān)內(nèi)容。
承壓設備 鍋爐 成套裝置 損傷評價 檢驗檢測 風險防控與治理
承壓設備材料高溫損傷表征方面,近年來國際報道設備長期服役后蠕變性能突降而引起關(guān)注,結(jié)合無損檢測技術(shù)的多尺度蠕變損傷綜合評價方法已成為行業(yè)共識,但我國研究工作相對滯后。隨著國際700℃/35MPa 以上新機組發(fā)展與國內(nèi)煤化工工藝自主化趨勢,損傷表征與定量分級的缺失是限制新材料應用與合理選材的重要致因。其中典型耐熱鋼及焊接接頭的蠕變損傷、高Cr鋼的抗蒸汽氧化性能、小分子有機酸腐蝕性能及異種鋼焊接損傷機理和壽命快速評估方法較為突出,亟需建立行業(yè)早期診斷與評估方法和選材依據(jù)與導則。
設計制造方面,國外較早開展承壓設備基于蠕變、疲勞、低溫脆斷、流體誘導振動等失效機理的設計準則和制造技術(shù)的研究,形成了ASME VⅢ、EN13445等標準規(guī)范。我國近年來在國際上率先將風險理念融入到設計制造階段,提出并初步建立了以全壽命風險預測、控制為基準的設計制造技術(shù)體系。但針對煤化工、LNG、氫能利用、超(超)臨界發(fā)電等能源工業(yè)領域苛刻服役條件,尚未建立基于失效模式的設計制造早期風險防控技術(shù)方法。
在役風險防控方面,對于大型成套裝置,美國API、ASME和法國INERIS等機構(gòu)均已開展了不同環(huán)節(jié)的風險評價研究,發(fā)布了API580、API581、ARAMIS等標準或研究報告。國內(nèi)通過“十一五”和十二五”期間的研究工作,研制了承壓設備損傷模式識別、風險評估等國家標準,建立了以預知檢測和動態(tài)風險管理為核心的成套裝置長周期安全保障技術(shù)方法體系。但是針對介質(zhì)多樣化、苛刻化和復雜化的工業(yè)過程,國內(nèi)外尚未建立全環(huán)節(jié)的承壓設備風險控制技術(shù)方法及體系。對于超(超)臨界機組電站鍋爐,國外在高溫腐蝕與磨損、變形組合損傷和水冷壁減薄損傷檢測等均有所研究,但是一直未能形成系統(tǒng)應用的組合損傷表征、監(jiān)檢測及評價技術(shù);針對煙氣再熱器組合低溫腐蝕機理則缺乏實質(zhì)性工程應用;針對先進機組國內(nèi)外均注重鎳基合金材料研發(fā),缺乏國產(chǎn)材料及我國煤質(zhì)、負荷多變的運行環(huán)境的考慮。
超期服役方面,國內(nèi)外經(jīng)過多年的研究實踐,一些標準規(guī)范已經(jīng)對承壓設備的壽命計算給出了相應方法,如美國API 579、我國電力行業(yè)標準DL/T654等。然而由于我國超期服役承壓設備服役過程存在眾多不確定因素,標準方法適用范圍存在一定問題,不能滿足高參數(shù)承壓設備的評估及延壽需求。對于延壽技術(shù),非晶涂覆、冷噴涂等表面處理方法已在航空領域被證明可有效控制損傷發(fā)展,但這些技術(shù)在超期服役承壓設備損傷修復應用方面仍有待進一步研究。
宏觀安全風險防控和應急處置方面,部分發(fā)達國家已研發(fā)了國家級應急管理信息系統(tǒng),具有較為完善的應急處置技術(shù)和裝備。我國承壓類特種設備風險防控和應急處置研究起步較晚,在安全狀態(tài)參數(shù)識別,宏觀安全風險預警、控制和應急處置技術(shù)等方面均有待進一步深入研究和能力提升。
2.1 項目目標
本項目面向工業(yè)公共安全領域,針對高參數(shù)承壓設備全壽命風險防控和治理過程中存在的共性問題和關(guān)鍵技術(shù)難題,通過對基礎科學問題和關(guān)鍵技術(shù)的研究、標準化、系統(tǒng)集成和工程示范,建立高參數(shù)承壓設備全壽命周期風險防控技術(shù)方法體系,構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的承壓設備宏觀安全風險監(jiān)管和事故應急平臺,提升高參數(shù)承壓設備風險防控和治理的技術(shù)能力和裝備,為政府和企業(yè)的風險防控和治理提供技術(shù)支撐。
2.2 總體研究方案
本項目面向石油、化工、能源等行業(yè)公共安全領域,以構(gòu)建高參數(shù)承壓設備風險防控及治理安全保障技術(shù)體系為目標,針對高參數(shù)鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓設備在材料、設計、制造、服役、監(jiān)管等環(huán)節(jié)的共性問題和關(guān)鍵技術(shù)難題開展研究。圍繞這一目標,本項目設置了針對承壓設備全壽命周期風險防治的全鏈條研究內(nèi)容:首先,通過分析高參數(shù)下典型材料損傷機理和演化規(guī)律等,為設計、制造、服役、監(jiān)管等環(huán)節(jié)的風險防控技術(shù)研究奠定基礎;在建造階段研究材料性能控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、制造工藝篩選等設計制造關(guān)鍵技術(shù),保證設備在后續(xù)服役過程中的本質(zhì)安全;在服役階段研究以風險可控為目標的檢測監(jiān)測、安全評價、壽命預測、損傷修復等關(guān)鍵技術(shù)及儀器裝備研發(fā),形成承壓類特種設備全壽命過程的風險防控技術(shù)體系。最后通過對上述關(guān)鍵技術(shù)的標準化、系統(tǒng)集成和工程示范,構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的承壓設備風險防控和應急平臺,為政府和企業(yè)的風險治理提供技術(shù)支撐。項目研究將分解為如下6個課題:
課題1:典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷關(guān)鍵技術(shù)研究;
課題2:高參數(shù)承壓設備設計制造風險防控關(guān)鍵技術(shù)研究;
課題3:成套裝置承壓設備服役過程風險控制關(guān)鍵技術(shù)研究;
課題4:電站鍋爐安全服役風險防控關(guān)鍵技術(shù)研究;
課題5:超期服役承壓設備壽命預測及延壽關(guān)鍵技術(shù)研究;
課題6:承壓設備基于大數(shù)據(jù)的宏觀安全風險防控和應急技術(shù)研究。
圖1為項目總體研究及課題分解方案。各課題之間的邏輯關(guān)系為:課題一為典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷關(guān)鍵技術(shù)研究,主要針對高參數(shù)下承壓設備典型材料損傷機理、演化規(guī)律及損傷表征等基礎共性問題開展研究,為后續(xù)風險防控技術(shù)研究奠定基礎。課題二至五主要針對承壓設備建造及在役階段關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究。課題二為高參數(shù)承壓設備設計制造風險防控關(guān)鍵技術(shù)研究,解決承壓設備設計制造階段關(guān)鍵技術(shù)難題,為保證設備在壽命周期中的本質(zhì)安全提供技術(shù)支撐,是后續(xù)在役階段風險防控得以實現(xiàn)的前提保障。課題三至五研究服役階段的風險防控技術(shù),其中課題三為成套裝置承壓設備服役過程風險控制關(guān)鍵技術(shù)研究,以成套裝置承壓設備為對象,研究在役階段風險控制關(guān)鍵技術(shù),不僅從控制失效可能性角度出發(fā),在課題一及課題二基礎上進一步發(fā)展在役階段損傷風險控制技術(shù),更從控制失效后果方面考慮,研究安全屏障等后果風險防控技術(shù),為實現(xiàn)成套裝置中承壓設備風險可控提供技術(shù)支撐。課題四為電站鍋爐在役階段風險控制關(guān)鍵技術(shù)研究,以電站鍋爐為研究對象,與課題三共同完善在役階段承壓設備系統(tǒng)風險防控體系,同時深入拓展了鍋爐服役環(huán)境下?lián)p傷防控技術(shù)方法,為保證鍋爐在役風險可控提供支撐。課題五為超期服役承壓設備壽命預測及延壽關(guān)鍵技術(shù)研究,針對超期服役承壓設備的風險防控、壽命預測及修復延壽等關(guān)鍵技術(shù)難題開展研究。拓展了風險防控技術(shù)體系的壽命周期涵蓋范圍,為超期服役設備風險防控及延壽提供技術(shù)支撐。課題六是對課題一至五中形成的關(guān)鍵技術(shù)方法進行系統(tǒng)集成及標準化,并研究承壓設備宏觀安全風險防控技術(shù)體系及應急處置技術(shù),構(gòu)建應急平臺并示范應用,為承壓設備監(jiān)管環(huán)節(jié)風險防控提供支撐,實現(xiàn)承壓設備全壽命周期風險防控及治理。
圖1 總體研究及課題分解方案
3.1 課題1:典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷技術(shù)研究
研究典型耐熱鋼及焊接接頭的蠕變損傷機制和高溫組織演變,開發(fā)大型試件蠕變損傷程度的可控模擬技術(shù)及損傷分級大型試塊,搭建聲學、磁學無損檢測多信號采集平臺,建立基于金相圖譜、硬度、無損檢測等多尺度表征手段的耐熱鋼高溫蠕變損傷綜合定量評價和早期診斷方法;研究典型奧氏體和鐵素體耐熱鋼焊接接頭的應力松弛開裂的損傷機理及預測方法,探索焊接工藝和應力松弛開裂的關(guān)聯(lián)規(guī)律,形成預防應力松弛開裂的調(diào)控技術(shù);針對蒸汽氧化問題,選取超臨界環(huán)境用奧氏體耐熱鋼,研究超臨界水蒸汽氧化動力學,建立抗蒸汽氧化性能評價方法和基于高溫蒸汽氧化的選材準則;針對煤化工高溫設備的腐蝕問題,搭建實驗室模擬高溫小分子有機酸腐蝕試驗裝置,研究腐蝕機理和失效模式,確定小分子有機酸腐蝕環(huán)境典型材料的使用范圍,為承壓設備提供選材導向性準則。
3.2 課題2:高參數(shù)承壓設備設計制造風險防控關(guān)鍵技術(shù)研究
研究高溫焊接結(jié)構(gòu)(含異種鋼焊接結(jié)構(gòu))蠕變及蠕變疲勞失效機制,建立高溫蠕變、蠕變疲勞強度設計準則;開發(fā)深冷溫度斷裂韌性測試裝置,綜合考慮設計載荷、壁厚、應力水平等因素影響,建立基于斷裂力學的低溫深冷壓力容器防脆斷設計方法,合理確定壓力容器最低設計金屬溫度;開發(fā)低溫換熱器超臨界相變傳熱試驗裝置,解決超臨界相變傳熱工藝設計、兩相流體誘導管束振動預防控制技術(shù)難題,實現(xiàn)150t/h汽化能力的大型LNG接收站中間流體型高效汽化器國產(chǎn)化;建立大直徑復合材料高壓容器的可變強度和剛度設計方法,考慮溫度影響的爆破強度和疲勞壽命預測方法,研制大直徑鋁合金內(nèi)襯復合材料高壓儲氫容器和鋼內(nèi)襯復合材料CNG氣瓶;最終建立一套高溫、高壓、低溫、深冷等苛刻服役條件下重要承壓設備全壽命周期損傷規(guī)律識別預測、基于失效模式的風險防控設計制造技術(shù)方法。
3.3 課題3:成套裝置承壓設備服役過程風險控制關(guān)鍵技術(shù)研究
研究甲酸/硫酸混合環(huán)境、典型煙氣露點腐蝕和含Cl-多介質(zhì)應力腐蝕等復雜介質(zhì)環(huán)境下腐蝕機理及工藝操作安全邊界,建立復雜介質(zhì)環(huán)境下承壓設備基于損傷的工藝操作安全邊界確定方法;針對腐蝕減薄、材質(zhì)劣化等承壓設備典型損傷,開展高溫、在線監(jiān)檢測評價技術(shù)研究,開發(fā)相關(guān)在線監(jiān)檢測裝備;研究新型煤化工裝置等典型裝置基于流程的腐蝕防控技術(shù),建立基于流程的腐蝕分布、規(guī)范腐蝕監(jiān)檢測及工藝防腐方法,形成新型煤化工裝置典型流程的損傷分布圖及腐蝕防控操作指南;針對國內(nèi)典型石化裝置特點,構(gòu)建安全屏障評估模型,建立典型石化裝置安全屏障評估方法;研究在役承壓設備系統(tǒng)風險控制技術(shù)方法及體系,包括工藝操作安全邊界控制與安全屏障評估對風險控制的影響,構(gòu)建在役承壓設備風險控制技術(shù)體系,并示范應用。
3.4 課題4:電站鍋爐安全服役風險防控關(guān)鍵技術(shù)研究
研究電站鍋爐水冷壁管材高溫腐蝕、磨損和變形等組合損傷機理、表征及預測模型;獲得燃燒和蒸汽氧化條件下鎳基合金熱腐蝕氧化反應動力學規(guī)律和腐蝕速率,建立腐蝕氧化性元素輸運模型;針對過熱器和再熱器用典型耐熱鋼和異種鋼焊接接頭,研究其蠕變損傷及其老化規(guī)律,建立快速壽命預測方法;研究復雜多邊界電磁檢測解析模型,揭示大提離、并排小管徑腐蝕電磁檢測的機理;建立水冷壁壁溫和異種鋼壁溫微尺度傳熱計算模型并預測壁溫分布規(guī)律,揭示低溫腐蝕及組合低溫腐蝕多因素反應動力學規(guī)律;研究制粉系統(tǒng)環(huán)境下典型高揮發(fā)分煤種的水分和揮發(fā)分釋放特性、煤粉沉積規(guī)律、煤粉氣固兩相流爆燃特性,提出高揮發(fā)分煤種制粉系統(tǒng)爆燃預警的定量評判方法,提出電站鍋爐前后墻對沖燃燒器風險定量評價技術(shù)及其安全風險等級分類方法。
3.5 課題5:超期服役承壓設備壽命預測及延壽關(guān)鍵技術(shù)研究
針對腐蝕、疲勞和蠕變等典型時間相關(guān)失效模式,研究承壓設備典型材料長期腐蝕速率預測方法,典型材料疲勞設計曲線在溫度及循環(huán)次數(shù)方面的適用范圍拓展方法,蠕變疲勞及腐蝕疲勞條件下裂紋萌生及擴展損傷演化規(guī)律;研究基于可靠性的設備剩余壽命預測方法,包括失效準則參量分布特征及參數(shù)敏感性、組合失效模式聯(lián)合失效概率、全尺寸疲勞壽命試驗驗證等;針對高危害性表面損傷,研究高拘束條件下高能微弧冷焊修補、非晶涂覆、表面冷噴涂等承壓設備損傷修復延壽技術(shù)及工藝優(yōu)化;基于超期服役承壓設備損傷演化規(guī)律、剩余壽命及損傷修復延壽技術(shù),研究安全狀態(tài)參數(shù)權(quán)重、安全性綜合評估模型構(gòu)建、基于安全狀態(tài)參數(shù)或基于時間相關(guān)運行可靠性的承壓設備安全分級方法,開展超期服役承壓設備壽命預測、延壽及安全分級工程示范。
3.6 課題6:承壓設備基于大數(shù)據(jù)的宏觀安全風險防控和應急技術(shù)研究
研究宏觀安全風險理論,建立安全狀態(tài)參數(shù)識別技術(shù),構(gòu)建宏觀安全風險防控大數(shù)據(jù)預警模型;研究典型承壓類特種設備事故過程仿真再現(xiàn)和數(shù)值反演技術(shù),建立毒性介質(zhì)泄漏擴散模型和火災環(huán)境下多物理場耦合響應演化模型,提出相應應急處置技術(shù);研究新常態(tài)下承壓類特種設備安全監(jiān)管技術(shù)體系,開展市場準入模式、現(xiàn)場監(jiān)察、監(jiān)督檢驗機制優(yōu)化研究;研究宏觀安全風險數(shù)據(jù)報告制度和可追溯機制,建立安全狀態(tài)參數(shù)、應急等專業(yè)數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建國家承壓設備宏觀安全風險防控與應急平臺;針對長管拖車、深冷罐車、小型氨制冷裝置等典型承壓設備,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開展全壽命周期信息可追溯監(jiān)管及宏觀安全風險定位、預警與應急響應示范應用。
通過本項目的研究,將建立我國承壓設備系統(tǒng)全壽命周期風險防控技術(shù)方法體系和應急平臺,大幅提升承壓設備風險防控與治理的技術(shù)能力和裝備水平,為防止重特大安全事故、促進企業(yè)安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管提供有力的技術(shù)支撐。本項目預期成果為提出新方法49項,制修訂國家/行業(yè)標準12項,安全技術(shù)規(guī)范5項,研制檢驗、檢測、監(jiān)測等裝置、設備或樣機15臺/套,申請發(fā)明專利38項,應用示范40項,發(fā)表科技論文150篇以上,培養(yǎng)人才93人。
5.1 本項目科學預期指標及科學價值
在科學預期指標方面,揭示高參數(shù)承壓設備典型材料組合損傷機理、演化規(guī)律和表征方法,建立基于損傷和失效模式、安全狀態(tài)參數(shù)的承壓設備風險控制理論,為實現(xiàn)承壓類特種設備全壽命周期風險防控奠定理論基礎。
在科學價值方面,本項目揭示了高參數(shù)承壓設備典型材料組合損傷機理、演化規(guī)律和定量表征方法,拓展了承壓設備典型材料在高溫、深冷、多介質(zhì)腐蝕等嚴苛服役環(huán)境下的損傷機理及演化規(guī)律基礎理論,豐富創(chuàng)新了多尺度損傷表征及評價方法,對于推動領域科學進步具有巨大的價值;另一方面,本項目建立的基于損傷和失效模式、安全狀態(tài)參數(shù)的承壓設備風險防控理論,完善了設備風險理論體系,融合多領域?qū)W科,發(fā)展了承壓設備設計制造理論、損傷監(jiān)檢測理論、風險及壽命評價理論等,促進了相關(guān)領域科學技術(shù)發(fā)展進步。
5.2 本項目技術(shù)預期指標及社會與經(jīng)濟效益
本項目預期在承壓類特種設備典型材料損傷表征、評價及診斷技術(shù)、基于失效模式的風險防控設計方法和制造技術(shù)、承壓設備系統(tǒng)風險控制技術(shù)、以及基于大數(shù)據(jù)的宏觀安全風險防控和事故應急處置技術(shù)等方面提出新技術(shù)、新方法49項,形成安全技術(shù)規(guī)范5項、國家及行業(yè)標準12項,開發(fā)大型高溫蠕變損傷試驗表征平臺、低功耗成套裝置腐蝕在線監(jiān)測及評價系統(tǒng)等重要監(jiān)檢測設備及試驗平臺15臺/套,在役承壓設備風險控制管理系統(tǒng)、典型承壓設備宏觀安全風險預警軟件等軟件系統(tǒng)8套,方法及設備成果轉(zhuǎn)化為發(fā)明專利38項。研究成果填補風險防控與治理領域存在的技術(shù)空白,整體達到國際先進水平,部分達到國際領先水平。通過本項目研究解決高參數(shù)承壓設備生產(chǎn)安全保障與重大事故防控關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題,顯著提升我國高參數(shù)承壓設備風險防控及治理水平。通過本項目研究成果,實現(xiàn)汽化能力150t/h大型LNG接收站中間流體型高效汽化器、纖維纏繞復合材料儲氫容器及天然氣儲存容器等重要承壓設備的國產(chǎn)化,推動我國承壓設備等重大裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)進步;通過風險防控新方法、新設備應用,為十三五末承壓類特種設備萬臺事故率降低20%提供技術(shù)支撐,實現(xiàn)示范裝置的承壓類特種設備平均檢驗周期比相關(guān)國家標準規(guī)范延長20%,從而大幅提升我國石化、電力等產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益及核心競爭力。
本項目從材料性能、損傷演變和檢測評價的基礎技術(shù)出發(fā),研究內(nèi)容覆蓋承壓設備設計、建造、運維檢驗、超期服役評價、延壽技術(shù)中風險控制的全鏈條。從微觀風險控制到宏觀安全防控與應急技術(shù)。項目研究成果將推進我國鍋爐壓力容器行業(yè)高溫材料準入規(guī)范的進一步完善和健全,促進我國材料準入體系與國際接軌,顯著提升國產(chǎn)材料的國際競爭力;在保障國家重大工程建設順利進行、提高企業(yè)產(chǎn)品競爭力方面發(fā)揮重要作用,推動我國裝備制造業(yè)的技術(shù)進步;提升我國承壓設備風險防控及治理水平,顯著降低承壓設備事故發(fā)生概率,通過有效優(yōu)化檢修、管理資源配置,節(jié)約設備檢修費用、延長平均檢驗周期、延長設備使用年限、避免盲目設備報廢等方式形成直接經(jīng)濟效益;通過降低燃煤機組的污染物超低排放,創(chuàng)造良好生態(tài)效益;提高政府監(jiān)管的針對性和有效性,降低行政成本和企業(yè)負擔,避免或減少事故和衍生事故造成生產(chǎn)損失;提高監(jiān)管部門公信力,促進行業(yè)自律,提高公眾安全感,為政府和企業(yè)的風險防控和治理提供技術(shù)支撐。
[基金支持:本項目由國家重點研發(fā)計劃“高參數(shù)承壓類特種設備風險防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究(2016YFC0801900)”項目資助]
Research on the Key Technologies of Risk Control and Management of High Parameters Pressure Special Equipment
Song Ming Shao shanshan Shou binan
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
Pressure equipment including boiler, pressure vessel, pressure pipeline, is the basic equipment in petrochemical, power, energy and other industries. The production safety is the key point in the public safety and social economic development. In recent years, due to the larger-scale, higher parameter, complex applications in harsh environment of the pressure equipment, and the increasing number of extended service equipment, safety risk has increased dramatically. The development trend of pressure equipment for the design, manufacture and use of safety management and safety supervision of the government have put forward higher requirements in typical materials of high temperature damage characterization, risk prevention, early design and manufacture of equipment in service risk control, extended service life prediction and life extension, equipment macro security risk prevention and emergency disposal and other aspects need to be further deep research. This paper introduces the background, the objective and scheme design, the main research tasks, expected results, desired economic and social benefits.
Pressure equipment Boiler Petrochemical equipment Damage evaluation Inspection Risk control and management
X924
A
1673-257X(2016)11-0005-05
10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.002
宋明(1983~),男,博士,高級工程師,從事材料性能評價方法研究及失效分析工作。
簡介:壽比南(1957~),男,研究員,總工程師,從事特種設備標準化及承壓設備標準化技術(shù)工作。
2016-11-08)