田薇 閻江濤 胡建勝 唐萍 孔帥 金南輝

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 杭州 310020； 2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室 杭州 310020； 3. 嘉興新嘉愛斯熱電有限公司 浙江嘉興 314000)

0 引言

風(fēng)險管理理念是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟性相統(tǒng)一的理念與方法，它是在對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險發(fā)生的可能性與失效后果進行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險排序，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以保障系統(tǒng)安全和減少運行費用為目的，優(yōu)化檢驗策略的一種風(fēng)險管理方式。已有相關(guān)機構(gòu)的工程技術(shù)人員將風(fēng)險管理方法應(yīng)用于石化行業(yè)并進行了系列研究與實踐，趙帆[1]將風(fēng)險管理方法應(yīng)用于海上壓力容器及壓力管道并研發(fā)了基于風(fēng)險的檢驗管理系統(tǒng)；夏立[2]對壓力容器與壓力管道的風(fēng)險管理技術(shù)進行了解讀與改進方法的相關(guān)研究；陳學(xué)東等[3-6]將風(fēng)險管理方法應(yīng)用于中石化裝置并進行了一系列的實踐與探究；王鋒淮等[7]將風(fēng)險管理應(yīng)用于煉油廠的常減壓裝置以優(yōu)化檢驗資源。然而，鮮有應(yīng)用研究與文章報道風(fēng)險管理方法在循環(huán)流化床鍋爐上的應(yīng)用與實踐。

循環(huán)流化床鍋爐采用的是目前工業(yè)化程度最高的潔凈煤燃燒技術(shù)，主要應(yīng)用于各大發(fā)電廠。然而循環(huán)流化床鍋爐服役過程中易產(chǎn)生一系列事故隱患，需要通過科學(xué)合理的安全管理及符合相關(guān)規(guī)程的定期檢驗來保證正常運行。常規(guī)的定期檢驗方法檢驗任務(wù)重、停爐檢修成本高，且需在有限的定期檢驗時間內(nèi)完成檢驗任務(wù)。因此，將風(fēng)險管理方法應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐，探究進一步提高循環(huán)流化床鍋爐承壓部件安全性與經(jīng)濟性的檢驗檢修策略，增強檢驗檢修的針對性和有效性，具有重要的工程意義?；诖?，本文研究開發(fā)了一套基于風(fēng)險管理的循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)險分析系統(tǒng)，將基于風(fēng)險的管理方法應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐的風(fēng)險分析過程，實現(xiàn)整個風(fēng)險分析過程的程序化、自動化，可以很大程度上提高風(fēng)險分析過程中失效概率與失效后果、靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)、動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)等相關(guān)參數(shù)計算的效率及準確率。

1 循環(huán)流化床鍋爐的風(fēng)險管理系統(tǒng)的研究

循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)險管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用對象為鍋爐的承壓系統(tǒng)，風(fēng)險管理的主要步驟有：制定風(fēng)險分析計劃、選擇風(fēng)險分析類型、劃分部件、識別失效模式、收集相關(guān)數(shù)據(jù)、風(fēng)險分析與評價、根據(jù)風(fēng)險分析與評價結(jié)果制定檢驗計劃、得出風(fēng)險分析與管理的結(jié)論與建議，流程如圖1 所示。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)風(fēng)險管理流程

1.1 承壓系統(tǒng)的部件及失效模式劃分

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)中部件的用途、服役工況、失效原因?qū)⒀h(huán)流化床承壓系統(tǒng)劃分為21個承壓部件，分別為：主蒸汽管道、主給水管道、省煤器至汽包連接管、下降管、汽水引入管、飽和蒸汽引出管、一級過熱器連接管、二級過熱器連接管、三級過熱器連接管、省煤器管子、一級過熱器管子、二級過熱器管子、三級過熱器管子、水冷壁管子、水冷屏管子、水冷壁集箱、過熱器集箱、省煤器集箱、集汽集箱、減溫器、鍋筒。針對每個部件的損傷原因?qū)⒉考澐譃椴煌氖Ｊ?，以主蒸汽管道為例，根?jù)失效原因及損傷機理，可以將其失效模式具體分為8種，分別為：韌性斷裂、脆性斷裂、蠕變斷裂、疲勞斷裂、蠕變與疲勞交互作用開裂、腐蝕開裂、沖蝕開裂，其余部件的具體失效模式就不在此贅述，循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)的部件劃分如圖2所示。

圖2 循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)的部件劃分示意

1.2 風(fēng)險分析方法

鍋爐承壓系統(tǒng)承壓部件的風(fēng)險定性分析[8]一般在缺乏具體定量數(shù)據(jù)條件下完成風(fēng)險分析。風(fēng)險半定量分析相對定性分析而言，是一種較為精確的風(fēng)險分析方法。鍋爐承壓系統(tǒng)的半定量分析應(yīng)用于失效次數(shù)、停爐時間和壽命損耗等相關(guān)失效數(shù)據(jù)可量化條件下的風(fēng)險分析。本文結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐的實際運行情況，將半定量的分析方法應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)承壓部件的風(fēng)險分析。

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐具體結(jié)構(gòu)將其承壓系統(tǒng)劃分為21個承壓部件，并且每個承壓部件根據(jù)失效原因及損傷機理劃分為不同的失效模式，每個承壓部件每種失效模式下，風(fēng)險半定量分析需要采集的失效數(shù)據(jù)包括：非計劃停爐次數(shù)Nu,ij、計劃檢修中發(fā)現(xiàn)的失效次數(shù)Nf,ij、統(tǒng)計期間的日歷小時數(shù)tPH、非計劃停爐檢修時間tu,ij、投入使用的累積日歷時間τij、設(shè)計壽命τD,ij、運行時間、修復(fù)費用及人員傷亡情況。

承壓部件的靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)等于失效概率與失效后果的乘積，動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)等于靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)與失效發(fā)生的可能性系數(shù)Cij的乘積。

1.2.1 失效概率的計算方法

失效概率指的是鍋爐承壓系統(tǒng)第i個承壓部件第j種失效模式發(fā)生的頻度，用Pij表示，計算公式如下：

(1)

式中，tPH為統(tǒng)計期間的日歷小時數(shù)，h；Nij為第i個承壓部件第j種失效模式的總次數(shù)，次。

1.2.2 失效后果的統(tǒng)計方法

失效后果指的是第i個承壓部件第j種失效模式引起的非計劃停爐的平均非計劃停爐檢修時間，用Sij表示，計算公式如下：

(2)

式中，tu,ij為第i個承壓部件第j種失效模式引起的非計劃停爐檢修時間，h；Nu,ij為第i個承壓部件第j種失效模式引起的非計劃停爐次數(shù)，次。

1.2.3 失效發(fā)生可能性系數(shù)的統(tǒng)計方法

(1)累積壽命損耗的計算方法

循環(huán)流化床鍋爐第i個承壓部件第j個部位的失效發(fā)生可能性系數(shù)Cij按式(3)計算：

Cij=[2Eij+1]

(3)

式中，[2Eij+1]為不超過(2Eij+1)的最大整數(shù)；Eij為循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)的第i個承壓部件第j個部位的累積壽命損耗，等于第i個承壓部件第j個部位投入使用的累積日歷時間τij與第i個承壓部件第j個部位的設(shè)計壽命τD,ij的比值。

1.2.4 計算靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)和動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)

(1)靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)的計算方法

靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rs,ij描述的是第i個承壓部件第j種失效模式的靜態(tài)風(fēng)險。Rs,ij的物理意義表示單位時間內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)的承壓部件失效引起的非計劃停爐的經(jīng)濟損失，計算公式如下：

Rs,ij=Pij×Sij

(4)

(2)動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)的計算方法

動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rd,ij描述第i個承壓部件第j種失效模式的動態(tài)風(fēng)險。Rd,ij的物理意義表示當(dāng)前單位時間內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐承壓系統(tǒng)的承壓部件失效引起的非計劃停爐的經(jīng)濟損失，計算公式如下：

Rd,ij=Pij×Cij×Sij=Ps,ij×Cij

(5)

(3)靜態(tài)和動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)的應(yīng)用

動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)考慮了循環(huán)流化床鍋爐承壓部件的安全狀態(tài)隨時間的變化情況，在待評估承壓部件累積壽命損耗可量化的情況下，應(yīng)用動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)開展承壓部件的風(fēng)險等級分析。

(4)承壓部件失效后果修正系數(shù)

1)根據(jù)人員傷亡或修復(fù)費用確定失效后果修正系數(shù)k(見表1)。

表1 失效后果修正系數(shù)

2)當(dāng)分別按照人員傷亡與修復(fù)費用得出失效后果修正系數(shù)k不一致時，建議取比較大的失效后果修正系數(shù)。

3)當(dāng)無法確定失效后果修正系數(shù)k時，建議取k=1。

(5)承壓部件風(fēng)險排序數(shù)的計算方法

電站鍋爐承壓系統(tǒng)的第i個承壓部件有n種失效模式，該部件靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rs,i(h/a)和動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rd,i(h/a)分別按式(8)和式(9)計算：

(8)

(9)

1.2.5 判斷風(fēng)險等級

在風(fēng)險半定量評價中，根據(jù)承壓系統(tǒng)的第i個承壓部件的靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rs,i或者動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)Rd,i確定部件的風(fēng)險等級，將承壓部件按照表2劃分為4個風(fēng)險等級。

表2 風(fēng)險排序數(shù)與風(fēng)險等級

2 風(fēng)險管理系統(tǒng)軟件的開發(fā)

2.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于以上的風(fēng)險管理流程與方法，開發(fā)了循環(huán)流化床鍋爐承壓部件風(fēng)險管理系統(tǒng)，圖3為系統(tǒng)的工作流程圖。該軟件主要功能包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、風(fēng)險分析計算、判斷風(fēng)險等級、部件風(fēng)險等級歸類、生成報告。

圖3 系統(tǒng)風(fēng)險分析工作流程

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。將風(fēng)險分析所需的失效數(shù)據(jù)(非計劃停爐次數(shù)Nu,ij、計劃檢修中發(fā)現(xiàn)的失效次數(shù)Nf,ij、統(tǒng)計期間的日歷小時數(shù)tPH、非計劃停爐檢修時間tu,ij、投入使用的累積日歷時間τij、設(shè)計壽命τD,ij、運行時間、修復(fù)費用及人員傷亡情況)記錄在給定的Excel表格中，然后在系統(tǒng)中導(dǎo)入該表格，實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

(2)風(fēng)險分析計算。將半定量的分析方法的計算過程寫入系統(tǒng)指定的功能模塊“風(fēng)險分析計算”中，并實現(xiàn)對導(dǎo)入數(shù)據(jù)的一鍵計算，可計算得到每個部件每種失效模式下的靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)和動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)，以及每個部件所有失效模式疊加的總靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)和總動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)。

(3)判斷風(fēng)險等級。根據(jù)風(fēng)險等級計算得到的部件總動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)對其風(fēng)險等級進行判斷。

(4)部件風(fēng)險等級歸類。按照4個風(fēng)險等級“高風(fēng)險”、“中風(fēng)險”、“低風(fēng)險”、“極低風(fēng)險”將相同風(fēng)險等級的部件進行歸類。

(5)生成報告。將計算所得的每個部件每種失效模式風(fēng)險分析計算的中間過程數(shù)據(jù)包括失效停爐次數(shù)、失效概率、失效后果、累積壽命損耗、失效發(fā)生可能性系數(shù)以及每個部件總靜態(tài)風(fēng)險排序數(shù)與總動態(tài)風(fēng)險排序數(shù)等計算結(jié)果導(dǎo)出，生成風(fēng)險分析技術(shù)報告。

2.2 系統(tǒng)的主要功能模塊及使用說明

基于以上設(shè)計框架，該系統(tǒng)主要由文件、操作、幫助等功能模塊組成。

(1)文件功能?！靶陆ā庇脕碓诮缑嫔闲陆瞻妆砀瘢诰€填寫數(shù)據(jù)并進行風(fēng)險計算分析；“導(dǎo)入”用來導(dǎo)入本地文件Excel中已填寫好的數(shù)據(jù)，進行風(fēng)險計算分析；“保存”用于保存已計算好的結(jié)果生成Excel文件；“生成報告” 用來將風(fēng)險分析等級生成Excel形式的風(fēng)險分析技術(shù)報告文件；“退出”用于退出或關(guān)閉本軟件。

(2)操作功能?！耙绘I計算”對用戶在線填寫的數(shù)據(jù)或本地文件Excel中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行計算并判斷風(fēng)險等級；“繪圖”將計算得出的部件風(fēng)險等級，以各個部件為縱坐標，風(fēng)險等級(高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險、極低風(fēng)險)進行繪制柱狀圖；“部件風(fēng)險等級分類”將所有部件的風(fēng)險等級按照“高風(fēng)險”、“中風(fēng)險”、“低風(fēng)險”、“極低風(fēng)險”4個等級分類列出，方便針對每種風(fēng)險等級的承壓部件給出檢測檢驗策略；“復(fù)位”是對導(dǎo)入數(shù)據(jù)及計算結(jié)果清零，以便重新開始計算。

(3)幫助功能。提示說明本軟件的操作步驟及各個操作的功能。

3 案例分析及系統(tǒng)應(yīng)用

以某發(fā)電廠的某臺循環(huán)流化床鍋爐為例，介紹風(fēng)險管理實施過程及系統(tǒng)應(yīng)用。

3.1 循環(huán)流化床鍋爐的基本情況

該鍋爐設(shè)計壽命為30 a，于2014年7月25日投產(chǎn)，目前已累計投入使用的運行時間為43 000 h，統(tǒng)計期間的日歷小時數(shù)為43 000 h。根據(jù)現(xiàn)場采集到的失效數(shù)據(jù)，有4個部件存在失效停爐，分別為：三級過熱器連接管、一級過熱器管子、三級過熱器管子、水冷壁管子。部件停爐失效數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 鍋爐部件的失效模式及失效數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用及風(fēng)險分析結(jié)果

采用本風(fēng)險管理系統(tǒng)進行風(fēng)險分析，風(fēng)險分析結(jié)果如下：有2個部件風(fēng)險等級為“中風(fēng)險”，2個部件風(fēng)險等級為“低風(fēng)險”，17個部件風(fēng)險等級為“極低風(fēng)險”，無“高風(fēng)險”部件。具體風(fēng)險分析計算結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 風(fēng)險排序數(shù)結(jié)果界面

3.3 基于風(fēng)險分析結(jié)果的檢驗計劃建議

本鍋爐風(fēng)險分析結(jié)果：有2個部件處于“中風(fēng)險”，建議在半年內(nèi)安排C級或D級檢修，并對這些承壓部件進行全面檢查。

C級檢修標準項目的主要內(nèi)容有：①消除運行中發(fā)生的缺陷；②重點清掃、檢查和處理易損、易磨部件，必要時進行實測和試驗；③按各項技術(shù)監(jiān)督規(guī)定檢查項目。

D級檢修的主要內(nèi)容是消除設(shè)備和系統(tǒng)的缺陷。

4 結(jié)論

(1)本文提出的循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)險管理系統(tǒng)是參考現(xiàn)有風(fēng)險分析方法并結(jié)合循環(huán)流化床的具體結(jié)構(gòu)及運行工況的創(chuàng)新性應(yīng)用，該風(fēng)險管理系統(tǒng)依據(jù)歷史失效數(shù)據(jù)計算得出循環(huán)流化床承壓部件的風(fēng)險等級，根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果制定有針對性的基于風(fēng)險的檢驗檢修計劃，一方面減少了檢驗的費用，另一方面也降低了因定檢停爐造成的運營損失。

(2) 將基于風(fēng)險管理過程開發(fā)的軟件應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐承壓部件的風(fēng)險評價與分析，提高了循環(huán)流化床鍋爐承壓部件風(fēng)險評價的工作效率，規(guī)范了鍋爐承壓部件風(fēng)險評價過程控制和管理程序，提高了鍋爐的風(fēng)險管理水平，受到了企業(yè)用戶的認可與好評。