朱愛娟 方 珍

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

特種設(shè)備是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)。特種設(shè)備的安全工作直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的大局。壓力容器在一定溫度和壓力下工作，裝載介質(zhì)復(fù)雜，且在十分苛刻的環(huán)境下運(yùn)行，在石油化工裝置等領(lǐng)域被廣泛使用。壓力容器的主要危險(xiǎn)是其密封介質(zhì)的能力易失效，表現(xiàn)形式主要包括爆炸和泄漏兩種，常見的壓力容器事故有爆炸、泄漏、爆燃、火災(zāi)、中毒以及設(shè)備損壞等類型。很多石油化工企業(yè)建立歷史已達(dá)30年以上，其各種生產(chǎn)裝置內(nèi)存在較多的超年限服役的壓力容器，數(shù)量眾多，對(duì)于生產(chǎn)至關(guān)重要，如何保證其安全使用是一個(gè)值得深入研究的重要課題。

1 超年限服役壓力容器概述和研究現(xiàn)狀

超年限服役壓力容器是指超過設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器。根據(jù)《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》和《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG 21—2016)之規(guī)定，超年限服役壓力容器是指使用超過20年或超過設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器。根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局特設(shè)局歷年來(lái)全國(guó)特種設(shè)備事故發(fā)生環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的事故發(fā)生在使用環(huán)節(jié)?？梢灶A(yù)見，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，增強(qiáng)使用環(huán)節(jié)的管理和檢驗(yàn)檢測(cè)將成為提高特種設(shè)備安全保障和降低事故發(fā)生率的重要對(duì)策之一。

目前，國(guó)內(nèi)許多石化企業(yè)、發(fā)電廠、鋼廠等單位已運(yùn)行了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，這些企業(yè)的壓力容器普遍存在超年限服役的現(xiàn)象。以某石化企業(yè)為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2014年底，1 800多臺(tái)壓力容器的使用年限超過20年，其中超過25年的壓力容器有900多臺(tái)，超過30年的壓力容器有440多臺(tái)。在未來(lái)5年內(nèi)，將增加1 000多臺(tái)使用年限超20年的壓力容器，總數(shù)可達(dá)近3 000臺(tái)，具體如圖1所示。

圖1 截至2014年底某石化廠超20年在役壓力容器統(tǒng)計(jì)

超年限服役壓力容器存在一定隱患，概括起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：(1)材料在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致在材料性能上的變化，如韌脆轉(zhuǎn)變溫度的提高、石墨化、珠光體球化等；(2)交變載荷的作用，早期的壓力容器規(guī)范未涉及疲勞設(shè)計(jì)，經(jīng)常在高溫、壓力波動(dòng)作用下運(yùn)行，且經(jīng)受頻繁開停車，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在不出現(xiàn)顯著的塑形變形時(shí)，很容易導(dǎo)致斷裂的出現(xiàn)；(3)材料在長(zhǎng)期的高溫下運(yùn)行，產(chǎn)生蠕變損傷或高溫?cái)嗔?，從而?dǎo)致容器失效；(4)早期的設(shè)計(jì)制造規(guī)范、材料標(biāo)準(zhǔn)、冶金水平等存在許多局限性，如焊縫位置和焊接方式不合理等；(5)壓力容器長(zhǎng)期服役情況下，由疲勞、蠕變、腐蝕等損傷交互作用累計(jì)的損傷導(dǎo)致容器失效；(6)于生產(chǎn)工藝改變或原料介質(zhì)成分不同，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)未能考慮的損傷機(jī)理，對(duì)原設(shè)計(jì)壽命周期產(chǎn)生影響。但是目前針對(duì)超年限服役壓力容器如何檢驗(yàn)和管理的研究較少，還沒有建立一個(gè)行之有效的準(zhǔn)則和方法體系。因此，對(duì)這些超年限壓力容器如何進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)和使用管理成了一個(gè)亟待解決的問題。雖然相關(guān)的法律和法規(guī)條文中對(duì)超年限服役壓力容器進(jìn)行了一些規(guī)定和限制，但對(duì)于如何具體執(zhí)行檢驗(yàn)檢測(cè)并沒有詳細(xì)的條文說明，如過嚴(yán)可能造成過度檢驗(yàn)和過嚴(yán)管理，但過松則可能造成檢驗(yàn)不足和管理缺失。因此采用科學(xué)的方法研究超年限服役壓力容器的檢驗(yàn)和管理是非常必要的。

目前，國(guó)內(nèi)的石化行業(yè)已進(jìn)入發(fā)展鼎盛期，其中許多石化企業(yè)建廠歷史均較長(zhǎng)，許多壓力容器處于超年限服役狀態(tài)，這些壓力容器之所以還在繼續(xù)服役，與我國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)展需求相關(guān)。

(1)對(duì)于超年限服役的壓力容器，國(guó)內(nèi)的法律法規(guī)中如《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》第四十八條、《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第7.1.7款、《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》(TSG 08—2017)第2.14款中對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在滿足一定條件下，可以繼續(xù)進(jìn)行服役。

(2)壓力容器的設(shè)計(jì)壽命通常不等于實(shí)際使用壽命，它僅僅是設(shè)計(jì)者根據(jù)容器預(yù)期的使用條件而給出的估計(jì)，一般情況下采用的數(shù)值比較保守，許多壓力容器達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后仍有富足的剩余壽命。如實(shí)際的腐蝕速率小于設(shè)計(jì)時(shí)的腐蝕速率，設(shè)計(jì)時(shí)采用的疲勞、高溫蠕變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)過于保守等。超年限壓力容器是否繼續(xù)服役不能搞“一刀切”，應(yīng)當(dāng)依據(jù)該容器實(shí)際使用情況、損傷機(jī)理及失效模式、檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果等各方面因素綜合考慮后來(lái)確定。

(3)由于石化企業(yè)的投資巨大，因此設(shè)備的使用壽命直接影響資源、能源和資金的利用。一個(gè)“短命工程”和一個(gè)“長(zhǎng)壽工程”對(duì)資源和資金消耗的差別很大。因此，簡(jiǎn)單地淘汰超年限壓力容器的做法不科學(xué)，與現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求相違背，科學(xué)的做法是采用高新技術(shù)方法挖掘這些設(shè)備的潛力，使之能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間[1]。由此可見，盡可能延長(zhǎng)石化裝置的使用壽命，是當(dāng)前實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要需求。

對(duì)于超年限服役壓力容器的檢驗(yàn)檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了一些規(guī)定，如歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445-3—2009中，對(duì)超過設(shè)計(jì)期限的疲勞和蠕變條件下的壓力容器有一個(gè)推薦性規(guī)定：即重點(diǎn)在容器高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。我國(guó)的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第7.1.7款中雖然提到“參照定期檢驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)”，但按照此有關(guān)規(guī)定是否能夠滿足超期服役的壓力容器的檢驗(yàn)要求仍需進(jìn)一步研究。另外，一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者也進(jìn)行了有益的探討，如以剩余壽命的失效概率評(píng)價(jià)方法[2-3]，應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)、應(yīng)力測(cè)定和超聲波探傷相結(jié)合的方法[4]，采用工程物探調(diào)查和軟件評(píng)估方法[5]，采用宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)和失效機(jī)理相結(jié)合的方法[6-7]等。

對(duì)于超年限服役壓力容器監(jiān)管方面，雖然我國(guó)在承壓類特種設(shè)備分類上已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但是仍存在定量性差、較少考慮現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)因素、較少涉及人員管理環(huán)境因素等缺點(diǎn)，不能把系統(tǒng)中多維度的風(fēng)險(xiǎn)影響因素納入其中，整體系統(tǒng)地進(jìn)行分析評(píng)判[8-9]。因此，針對(duì)超年限服役壓力容器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并分類分級(jí)，體現(xiàn)科學(xué)管理中“突出重點(diǎn)、分類管理、精準(zhǔn)管理”的思想，是提升石化企業(yè)安全管理效能的重要手段。風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的方法按照表現(xiàn)形式有風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等幾種。

2 超年限壓力容器損傷機(jī)理分析

根據(jù)可靠性理論，設(shè)備的失效都遵循浴盆曲線規(guī)律，由于曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個(gè)階段：早期失效期、正常使用期、耗損老化失效期。超年限服役的壓力容器是一種特殊的情況，如圖2所示，處于Ⅱ、Ⅲ階段之間，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行專項(xiàng)研究。

超年限服役壓力容器由于受到環(huán)境、時(shí)間、工況、介質(zhì)等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的損傷，這些損傷對(duì)超年限壓力容器的繼續(xù)安全服役會(huì)產(chǎn)生一定的安全隱患。因此，超年限壓力容器的檢驗(yàn)及安全評(píng)價(jià)應(yīng)針對(duì)這些損傷來(lái)進(jìn)行，參照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，超年限壓力容器與時(shí)間相關(guān)的損傷機(jī)理及檢驗(yàn)方法如表1所示。

圖2 浴盆曲線示意

表1 超年限壓力容器損傷機(jī)理與檢測(cè)手段對(duì)照

3 超年限服役壓力容器剩余壽命評(píng)估方法

通過對(duì)超年限服役壓力容器進(jìn)行損傷機(jī)理和失效模式分析，找出最容易出問題的部位，在強(qiáng)度校核基礎(chǔ)上(必要時(shí)須進(jìn)行有限元分析)，結(jié)合合于使用評(píng)價(jià)，建立基于“成本-效益”的3級(jí)超年限服役壓力容器剩余壽命評(píng)估方法。

3.1 基于設(shè)計(jì)參數(shù)的1級(jí)剩余壽命評(píng)估

在1級(jí)剩余壽命評(píng)估中，將采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中所提供的簡(jiǎn)化應(yīng)力分析(如環(huán)向的應(yīng)力計(jì)算)和設(shè)計(jì)參數(shù)。該等級(jí)應(yīng)系統(tǒng)地辨識(shí)那些需要進(jìn)行剩余壽命分析的關(guān)鍵部件，并進(jìn)行較為保守的篩選。

1級(jí)壽命評(píng)估主要包括設(shè)計(jì)計(jì)算的審查，以及部件關(guān)于服役壽命、溫度和循環(huán)載荷、所采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的再評(píng)價(jià)，以及其他類似或相關(guān)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。該等級(jí)壽命評(píng)估是在獲得最少的檢驗(yàn)和部件信息的情況下，最為基本和保守的篩選準(zhǔn)則。該等級(jí)的剩余壽命評(píng)估也可初步確定設(shè)備需要維護(hù)或更換的時(shí)間點(diǎn)以及失效速率。

3.2 基于運(yùn)行數(shù)據(jù)和操作歷程的2級(jí)剩余壽命評(píng)估

2級(jí)剩余壽命評(píng)估可通過采用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，比如從現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)有的測(cè)試傳感器中獲得數(shù)據(jù)，以作出一個(gè)較為詳細(xì)的壽命預(yù)測(cè)，從而得到比1級(jí)評(píng)估更為精確的結(jié)果。在2級(jí)評(píng)估中，同樣需要1級(jí)評(píng)估的信息，但還需增補(bǔ)通過常規(guī)檢驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，以及通過應(yīng)力計(jì)算分析獲得的數(shù)據(jù)。

2級(jí)剩余壽命評(píng)估中通常需要獲得以下的數(shù)據(jù)和信息：

(1)宏觀檢查或無(wú)損檢測(cè)，但對(duì)于初期的蠕變損傷以及那些未預(yù)料的微觀損傷，常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)通常無(wú)法探測(cè)到；

(2)測(cè)量或?qū)彶楫?dāng)前實(shí)際運(yùn)行的溫度、應(yīng)力或應(yīng)變，以及已知的缺陷；

(3)審查或估計(jì)壓力和溫度歷程，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)與服役之間溫度差和外力的影響；

(4)測(cè)量壓力容器本體重要的幾何尺寸，包括壁厚和不圓度；

(5)審查檢驗(yàn)、維護(hù)、修理或更換記錄；

(6)通過現(xiàn)場(chǎng)金相或覆膜金相的方法進(jìn)行容器表面微觀檢測(cè)；

(7)審查質(zhì)量證明書等制造資料來(lái)確定實(shí)際建造材料的性能和化學(xué)成分。

3.3 基于試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的3級(jí)剩余壽命評(píng)估

在3級(jí)剩余壽命評(píng)估中，通常需要最為詳細(xì)的檢驗(yàn)和部件信息，以及大量的和更加復(fù)雜的檢測(cè)數(shù)據(jù)，如金相和力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，并在1、2級(jí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仍需增補(bǔ)由監(jiān)控(如熱電偶、應(yīng)變計(jì)或振動(dòng)監(jiān)測(cè))獲得的數(shù)據(jù)。該等級(jí)也可能需要復(fù)雜的應(yīng)力分析(如有限元方法)以及蠕變加速試驗(yàn)或斷裂韌性測(cè)試數(shù)據(jù)。該等級(jí)給出了一個(gè)最為詳細(xì)的剩余壽命評(píng)估，從而得出比2級(jí)評(píng)估更為精確的結(jié)果。

3級(jí)剩余壽命評(píng)估通常需要增補(bǔ)下面的數(shù)據(jù)和信息：

(1)從在役設(shè)備上取樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和金相檢測(cè)，包括加速蠕變?cè)囼?yàn)和斷裂韌性試驗(yàn)；

(2)其他的專門試驗(yàn)，如腐蝕或磨蝕加速試驗(yàn)；

(3)采用更加詳細(xì)的應(yīng)力信息進(jìn)行評(píng)估，如應(yīng)變儀和有限元分析。

4 超年限服役壓力容器檢驗(yàn)方法及步驟

對(duì)于超年限服役壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)方法的選擇，主要依據(jù)以下幾個(gè)方面進(jìn)行：根據(jù)損傷機(jī)理來(lái)確定應(yīng)檢查的缺陷類型；根據(jù)損傷發(fā)生的部位來(lái)選擇檢驗(yàn)部位；根據(jù)需檢測(cè)的缺陷類型選擇采用何種檢測(cè)方法；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和剩余使用壽命確定檢驗(yàn)有效性。

檢驗(yàn)評(píng)估過程共分兩個(gè)階段：第一階段是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、軟件錄入、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；第二階段為制定檢驗(yàn)策略、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、評(píng)估服役適應(yīng)性、制定監(jiān)控措施、制定檢驗(yàn)周期。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)階段主要針對(duì)：容器部件損傷機(jī)理以及腐蝕速率或敏感性分析，確定容器部件失效的可能性、失效后果、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。制定檢驗(yàn)策略主要針對(duì)設(shè)備的失效模式進(jìn)行制定，將較多的檢驗(yàn)資源投入到高風(fēng)險(xiǎn)部件。

評(píng)估服役適應(yīng)性主要根據(jù)其腐蝕速率來(lái)確定其剩余壽命和未來(lái)服役狀態(tài)。未來(lái)服役狀態(tài)包括符合要求、基本符合要求和不符合要求3個(gè)方面。

(1)符合要求：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為中、低風(fēng)險(xiǎn)，或通過檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)只有輕度不影響安全的缺陷，可以按照預(yù)測(cè)的剩余使用壽命繼續(xù)使用。

(2)基本符合要求：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為中高風(fēng)險(xiǎn)以上(包括中高風(fēng)險(xiǎn))及失效可能性不小于4，且通過檢驗(yàn)后無(wú)法進(jìn)行降級(jí)的；或通過檢驗(yàn)僅發(fā)現(xiàn)一般缺陷；或雖然發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，但經(jīng)過合于使用評(píng)價(jià)并修復(fù)后認(rèn)為可以延期使用的情況，可以按預(yù)測(cè)的剩余使用壽命監(jiān)控使用或降級(jí)使用。

(3)不符合要求：檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，經(jīng)過合于使用評(píng)價(jià)后，認(rèn)為不能保證安全運(yùn)行的情況；或已到達(dá)預(yù)測(cè)的剩余使用壽命末期的情況，應(yīng)當(dāng)修復(fù)、報(bào)廢或更換。

制定監(jiān)控措施主要對(duì)具有以下情況的壓力容器實(shí)施監(jiān)控：一種情況為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為中高風(fēng)險(xiǎn)及以上且失效可能性等級(jí)大于等于4；另一種情況為檢驗(yàn)員出具的檢驗(yàn)報(bào)告中已判定為基本符合要求。

檢驗(yàn)周期的確定主要考慮以下幾個(gè)方面因素：國(guó)內(nèi)相關(guān)法律規(guī)范的要求；設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與檢驗(yàn)歷史；含缺陷設(shè)備完整性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)結(jié)果等。具體執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 超年限服役壓力容器檢驗(yàn)評(píng)估過程示意

5 超年限服役壓力容器風(fēng)險(xiǎn)管理方法

運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本理論，研究超年限壓力容器事故發(fā)生的可能性以及后果的嚴(yán)重程度，全面系統(tǒng)地考慮多維度的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立超年限服役壓力容器風(fēng)險(xiǎn)分類分級(jí)模型。以超年限服役壓力容器為分析“點(diǎn)”，服役時(shí)間為分析“線”，“人、機(jī)、環(huán)、管、法”為分析“面”，構(gòu)建多維度風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)分析體系。將超年限服役壓力容器分為不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取合理有效的檢驗(yàn)及管理手段，最終可以降低事故發(fā)生率，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

根據(jù)事故預(yù)防的3E(技術(shù)、教育、管理)要素理論以及安全系統(tǒng)4M(人、機(jī)、環(huán)、管)要素理論，確定超年限服役壓力容器發(fā)生事故的可能性及后果嚴(yán)重程度影響因素。超年限服役壓力容器發(fā)生事故的可能性主要從設(shè)備本體技術(shù)情況、管理、使用運(yùn)行3個(gè)方面進(jìn)行考慮，從不同的角度以預(yù)防的思路尋找影響事故發(fā)生可能性大小的因素；發(fā)生事故后果嚴(yán)重程度主要考慮人員、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)四個(gè)方面，全面綜合考量可能造成的后果嚴(yán)重程度。并建立超年限服役壓力容器分類分級(jí)數(shù)學(xué)模型，最終將可能性和后果嚴(yán)重性以風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方式輸出。

超年限服役壓力容器管理方法將采用風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法，利用上述風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，主要分為低、中、高三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，并利用ABC管理方法，對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)采用不同類別的管理策略(A、B、C類)。

A類：低風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)行常規(guī)管理為主、安全監(jiān)控為輔的模式；

B類：中度風(fēng)險(xiǎn)，即重點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)施常規(guī)管理和安全監(jiān)控并重的管理方式，在常規(guī)管理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)投入一定資源加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行安全管理；

C類：高風(fēng)險(xiǎn)，包括設(shè)備存在重大安全隱患、不符合法律法規(guī)要求等，實(shí)行全面重點(diǎn)管理，要投入大量的資源有效監(jiān)控，加強(qiáng)管理的動(dòng)態(tài)性、時(shí)效性，防止事故發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

通過分析超年限服役壓力容器相關(guān)的潛在損傷機(jī)理，建立了針對(duì)超年限服役壓力容器的檢驗(yàn)方法，引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)和合于使用對(duì)超年限服役的壓力容器進(jìn)行評(píng)價(jià)；同時(shí)，針對(duì)超年限服役壓力容器提出一種分類分級(jí)管理方法，以保障超年限壓力容器安全可靠的運(yùn)行。