姜 灝，陸而勝，曹 燦，閆 磊

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.合肥通用無損檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

基于RBI（Risk Based Inspection，以風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)的檢驗(yàn)）的檢驗(yàn)策略是在追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念基礎(chǔ)上建立起來的一種優(yōu)化檢驗(yàn)策略的方法，其實(shí)質(zhì)就是對危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行分析與排序，發(fā)現(xiàn)主要問題與薄弱環(huán)節(jié)，確保本質(zhì)安全，同時(shí)減少運(yùn)行費(fèi)用。因其優(yōu)化檢驗(yàn)策略在節(jié)約檢修資源、節(jié)省檢驗(yàn)費(fèi)用方面的巨大優(yōu)勢，該技術(shù)在國內(nèi)外石油化工生產(chǎn)企業(yè)中已被普遍應(yīng)用。我國在21 世紀(jì)初也開展了RBI 的研究與應(yīng)用。2006 年5 月12 日，國家質(zhì)檢總局以國質(zhì)檢特[2006]198 號文發(fā)出了《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》；2009 年8 月3 日，國家質(zhì)檢總局頒布的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》將基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)納入定期檢驗(yàn)內(nèi)容；2015 年4 月2 日，由國家能源局頒布的《承壓設(shè)備無損檢測》也增加了根據(jù)材料失效模式或風(fēng)險(xiǎn)評估分析結(jié)果選擇超聲檢測技術(shù)的內(nèi)容。合肥通用機(jī)械研究院有限公司自2003 年在中石化茂名分公司首次完成乙烯裂解裝置、加氫裂化裝置的定量RBI 工作以來，累計(jì)完成中石化、中石油等生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)百套石化裝置的定量RBI 工作，為定期檢驗(yàn)的檢驗(yàn)計(jì)劃優(yōu)化提供了有力保障，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 風(fēng)險(xiǎn)評估

2016 年10—12 月，受某石化公司的委托，合肥通用機(jī)械研究院有限公司承擔(dān)該公司煤制氫凈化裝置的首次風(fēng)險(xiǎn)評估（RBI）項(xiàng)目。自2016 年10 月起，項(xiàng)目組經(jīng)過1 個(gè)月的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及近2 個(gè)月的風(fēng)險(xiǎn)分析工作，對煤制氫凈化裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，其中包括壓力容器104 臺，壓力管道723 條，安全閥106臺（表1）。經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評估得到：

（1）裝置腐蝕定性分析。經(jīng)過對本裝置腐蝕的定性分析，認(rèn)為重點(diǎn)腐蝕的可能部位是：變換單元冷卻系統(tǒng)及分液系統(tǒng)、甲醇洗單元的閃蒸塔、熱再生塔塔頂系統(tǒng)等低溫部位，變換單元變換系統(tǒng)、高溫?fù)Q熱系統(tǒng)、甲烷化單元的甲烷化爐及高溫?fù)Q熱系統(tǒng)等高溫部位。

（2）風(fēng)險(xiǎn)分布與統(tǒng)計(jì)。通過對裝置范圍內(nèi)的設(shè)備與管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，得到裝置設(shè)備與管道的風(fēng)險(xiǎn)分布情況與統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備7 臺，占裝置設(shè)備6.7%；中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備14 臺，占裝置設(shè)備13.4%；高風(fēng)險(xiǎn)管道0 條，中高風(fēng)險(xiǎn)管道41 條，占裝置管道5.7%。煤制氫凈化裝置設(shè)備和管道的風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖1、圖2 所示，具體風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)見表2。

（3）根據(jù)裝置設(shè)備與管道的風(fēng)險(xiǎn)狀況及損傷機(jī)理分布狀況，制定有針對性的檢驗(yàn)策略，為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)制定檢驗(yàn)方案提供參考依據(jù)。

（4）科學(xué)合理提出建議的安全閥下次校驗(yàn)時(shí)間。

表1 煤制氫凈化裝置評估數(shù)量

圖1 煤制氫凈化裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)矩陣

圖2 煤制氫凈化裝置管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表2 煤制氫凈化裝置設(shè)備及管道風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)

2 定期檢驗(yàn)檢測情況

2017 年2 月，受該公司的委托，合肥通用機(jī)械研究院有限公司承擔(dān)其煤制氫凈化裝置停工檢維修期間的壓力容器（104 臺）定期檢驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)之前的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，將計(jì)算減薄腐蝕速率≥0.25 mm/年或應(yīng)力腐蝕開裂敏感性為中或高的設(shè)備作為檢驗(yàn)檢測中重點(diǎn)關(guān)注對象，對風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)局部抽檢。檢測過程中發(fā)現(xiàn)104 臺壓力容器中有2 臺出現(xiàn)較明顯壁厚減薄，5臺設(shè)備出現(xiàn)裂紋或超標(biāo)缺陷，實(shí)際檢驗(yàn)檢測結(jié)果與RBI 評估結(jié)果基本吻合。但其中有1 臺RBI 評估結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備發(fā)現(xiàn)了大量裂紋，與RBI 評估結(jié)果矛盾。為此，與用戶一起對該設(shè)備進(jìn)行了詳盡的調(diào)查，分析設(shè)備的檢測結(jié)果與缺陷成因。

2.1 設(shè)備參數(shù)

該設(shè)備名稱：低壓蒸汽過熱器，單位內(nèi)編號：1210E005，為鞍座U 形管式換熱器（見圖3、圖4），主要性能參數(shù)見表3。

2.2 檢驗(yàn)檢測內(nèi)容及結(jié)果

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果及檢驗(yàn)策略

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估根據(jù)采集的設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工藝流程物流組分，對低壓蒸汽過熱器風(fēng)險(xiǎn)狀況及損傷機(jī)理分布狀況進(jìn)行分析，制定有針對性的檢驗(yàn)策略（表4）。

2.2.2 資料審查及檢驗(yàn)方案

資料審查：該低壓蒸汽過熱器有設(shè)計(jì)文件、產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明文件、竣工圖、監(jiān)檢證書和使用登記證等資料檔案。年度檢查表和運(yùn)行記錄未見異常。檢驗(yàn)方案中的檢測計(jì)劃基本按RBI 檢驗(yàn)策略（表4）執(zhí)行。

2.2.3 檢測內(nèi)容與結(jié)果

對低壓蒸汽過熱器進(jìn)行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)問題。對低壓蒸汽過熱器殼程筒體、封頭和管程筒體、封頭及接管（圖3 所示N1、N2 接管）進(jìn)行壁厚測定，未發(fā)現(xiàn)壁厚明顯減薄。對管箱內(nèi)壁（圖4 所示H5 焊縫及N1、N2接管角縫）進(jìn)行著色滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。對管箱外壁（圖4 所示Z4、H6 焊縫）和殼程外壁（圖4 所示H1 上半圈焊縫、Z1 北端（殼程封頭側(cè)）500 mm 焊縫）進(jìn)行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。對管箱外壁（圖4 所示Z4、H6 焊縫、N1 接管）角縫和殼程外壁（圖4 所示H1、H4 上半圈焊縫、Z1 北端（殼程封頭側(cè)）500 mm）焊縫進(jìn)行磁粉檢測，H4上半圈焊縫發(fā)現(xiàn)橫向裂紋11 條（圖5），長度5～20 mm。然后對H4 上半圈焊縫進(jìn)行超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)橫向裂紋類超標(biāo)缺陷29條，反射波幅超過定量線以上6～10 dB，缺陷高度3～16 mm。

圖3 低壓蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)示意

圖4 低壓蒸汽過熱器焊縫位置展開示意

表3 低壓蒸汽過熱器主要參數(shù)

表4 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級、損傷機(jī)理及檢驗(yàn)策略

圖5 H4 焊縫缺陷

將檢測結(jié)果報(bào)給用戶后，決定對低壓蒸汽過熱器抽芯后增加表面檢測。對管箱內(nèi)壁（圖4 所示Z4、H6）焊縫及鄰近復(fù)合板進(jìn)行著色滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。對殼程內(nèi)壁（圖4 所示H3、H4）焊縫及臨近母材進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)大量裂紋。隨后對殼程內(nèi)壁焊縫及母材進(jìn)行100%磁粉檢測，在H2、H3、H4 焊縫及母材上發(fā)現(xiàn)大量裂紋（圖6～圖8）。用裂紋測深儀對裂紋檢測測試，焊縫裂紋深度3.2～14 mm，部分裂紋為貫穿裂紋；母材裂紋深度2.9～9.7 mm。對裂紋進(jìn)行金相檢測，宏觀形貌見圖9，微觀形貌見圖10。最后檢驗(yàn)意見為更換殼程殼體。

3 裂紋成因分析

在用戶的要求和大力幫助下，通過調(diào)查低壓蒸汽過熱器殼程工藝流程運(yùn)行情況，對工藝物料監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、裂紋分布位置、裂紋宏觀形貌和微觀形貌進(jìn)行綜合分析推斷，給出檢驗(yàn)結(jié)果及建議。

3.1 工藝運(yùn)行調(diào)查

圖6 裂紋位置示意

圖7 焊縫裂紋

圖8 母材裂紋

圖9 裂紋宏觀形貌

圖10 裂紋微觀形貌

煤制氫裝置自2015 年9 月投用，2015 年11 開始在廢熱鍋爐（低壓蒸汽過熱器蒸汽來源）中加入Na3PO4，作為緩蝕和阻垢劑，2015 年12 月開始在廢熱鍋爐中加入NH3，以聯(lián)氨為除氧劑。使用變頻控制，連續(xù)加藥。2015 年12 月發(fā)現(xiàn)采樣器設(shè)計(jì)有缺陷，改用現(xiàn)場液位計(jì)采樣。2016 年5 月15 日全系統(tǒng)停止加入NH3，Na3PO4一直加入至停工檢驗(yàn)（2015 年11 月—2016 年4月，加入Na3PO4濃度為25 kg/m3，此后改濃度為8～10 kg/m3）。2016 年5 月，廢熱鍋爐至低壓蒸汽過熱器蒸汽管道陸續(xù)發(fā)生過3 處彎頭泄漏，隨后更換管道。從蒸汽系統(tǒng)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，加入Na3PO4后pH 值升高，尤其是加入NH3后，pH 值最高達(dá)到12.56。

3.2 無損檢測結(jié)果

從裂紋分布位置看，裂紋集中分布在殼體東側(cè)上部，處于蒸汽流動相對較緩、易濃縮聚集處。從裂紋宏觀形貌分析，裂紋由殼體內(nèi)表面向外延伸，磁痕顯示呈直線狀、樹枝狀、龜裂狀或放射狀等多種形態(tài)，裂紋走向與所受拉應(yīng)力垂直。裂紋微觀形貌顯示深入金屬內(nèi)部的裂紋呈樹根狀，細(xì)長且?guī)в蟹种В茢酁閼?yīng)力腐蝕裂紋。

3.3 裂紋成因分析

一般情況下，碳鋼在應(yīng)力下長期暴露于熱的強(qiáng)堿環(huán)境中,極易受到NaOH 的強(qiáng)烈腐蝕，而在NaOH 環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕，主要由電化學(xué)反應(yīng)的陽極過程所引起。碳鋼在NaOH 環(huán)境中受OH-的鈍化在表面形成鈍化膜,但碳鋼的鈍化膜容易產(chǎn)生破口，在鈍化膜破口處，熱濃的NaOH 對鋼產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕：部分氫原子又滲入鋼材內(nèi)部引起脆化，并造成鋼材沖擊韌性和斷裂韌性降低。熱濃的NaOH 容易在細(xì)微缺陷部位聚集，逐漸形成起裂點(diǎn)，在設(shè)備殘余應(yīng)力、工作應(yīng)力及環(huán)境條件等諸多因素共同影響下，裂紋源慢慢擴(kuò)展形成裂紋，這就是通常所說的“堿脆”。

根據(jù)工藝運(yùn)行調(diào)查可知，廢熱鍋爐水介質(zhì)中加入Na3PO4后與水反應(yīng)（Na3PO4+H2O→Na2HPO4+NaOH）產(chǎn)生OH-，特別是在加入NH3后pH 升高，更提高了OH-的濃度。OH-在水蒸汽中通過管道（蒸汽管道在2016 年5 月發(fā)生了泄漏）被帶入低壓蒸汽過熱器殼程殼體，在殼體東側(cè)上部濃縮聚集，導(dǎo)致了堿脆開裂。而對裂紋的形貌分析也印證了這點(diǎn)。據(jù)此給出建議：更換殼程殼體，并在以后的運(yùn)行中密切關(guān)注監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，防止OH-濃度過高再次導(dǎo)致堿脆開裂。

4 案例分析

基于BBI 檢驗(yàn)策略制定的基本原則是根據(jù)損傷機(jī)理確定應(yīng)檢查的缺陷類型；根據(jù)損傷發(fā)生的情況選擇檢驗(yàn)部位；根據(jù)需檢測缺陷類型選擇采用何種檢測方法；根據(jù)安全性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則確定檢驗(yàn)周期。承壓設(shè)備檢驗(yàn)項(xiàng)目及比例根據(jù)損傷機(jī)理和失效可能性大小來確定。當(dāng)運(yùn)行工藝參數(shù)改變時(shí)，損傷機(jī)理和失效可能性大小都相應(yīng)發(fā)生變化，風(fēng)險(xiǎn)等級也隨之改變。如案例所舉，低壓蒸汽過熱器工藝變化帶來介質(zhì)組分改變時(shí)，本來風(fēng)險(xiǎn)評估為1B 的低風(fēng)險(xiǎn)等級提高了，而在定期檢驗(yàn)檢測方案制定時(shí)，由于資料審查的設(shè)備運(yùn)行記錄和年度檢查表并未涉及相關(guān)內(nèi)容，因此仍執(zhí)行原檢驗(yàn)策略的較低比例隨機(jī)抽檢已不合適。因此定期檢驗(yàn)在執(zhí)行基于BBI 的檢驗(yàn)策略時(shí)，一定要盡可能全面詳細(xì)了解是否發(fā)生有影響的外部事件，及時(shí)修正檢驗(yàn)方案，以確保本質(zhì)安全。