超設計使用年限設備的風險控制

陳高俊，余王偉，鐘 杰，錢俊鋒，王芳芳

(1.合肥通用機械研究院特種設備檢驗站有限公司，安徽合肥 230031； 2.中國石化燕山分公司，北京 102500)

0 引言

近年來，部分超設計使用年限設備[1]由于風險控制措施不完善，造成了設備失效事故。本文以某石化企業超設計年限設備為例，通過半定量的風險評估方式[2]，對設備進行風險識別，構建區別管理模式，同時通過開展基于檢驗的風險隱患排查，有效控制設備風險水平。

1 超設計使用年限設備的風險管理

依據故障曲線理論，超設計年限設備大多數已經進入了耗損故障周期，不同于偶發故障周期的設備，該周期內的部分設備具有著較高的故障風險。設備使用單位可以引入半定量法風險評估技術(如圖1所示)，進行風險識別和風險管控。風險評估技術是從失效概率和失效后果方面，量化了各項評估因子，以各因子綜合評估結果形成的風險矩陣來代表設備風險水平。失效后果是區分設備在裝置中的重要程度。失效概率是設備、管理等多種因素綜合的結果。企業可根據自身需求，調整設備評估體系中的評估因子量化值，構建滿足自身需求的設備風險管理制度。根據風險識別結果劃分風險區域，同時通過設置風險控制線來確定不同風險設備的管控措施，對風險控制線上方區域的設備應采取有效措施降低風險。

圖1 超設計使用年限設備的風險評估系統

2 超設計使用年限設備隱患排查及風險控制

超設計使用年限設備的隱患排查(如圖2所示)是依據設備失效概率評估要求而設置的。以隱患排查及風險控制為核心，對影響設備使用安全的各個環節進行評估。本文重點從設備檢驗及損傷傾向[3]方面，對超設計年限使用的設備進行隱患排查。

圖2 超設計使用年限設備的風險隱患排查

2.1 超設計使用年限設備檢驗項目

超設計年限服役的設備本體及其設備組成件、儀表及安全附件等設施的可靠性隨著服役時間增長而降低，導致設備事故的發生。超設計使用年限設備以隱患排查及風險控制為目標的檢驗，應對設備進行本體焊口、設備母材、設備組裝焊口、法蘭密封面、螺栓支吊架、組成件等進行符合性驗證。即檢驗應涵蓋設備在制造、安裝等各個環節所進行的符合性驗證。另外，上次檢驗中所檢測的合格部位，在檢驗周期內出現新增缺陷的概率較低，安全可靠性較高。因此超設計使用年限的設備應重點關注前次檢驗未抽查部位。依據圖1中的風險評估等級，制訂了不同的抽查的評估項目，如表1所示。

表1 檢驗評估項目及風險等級劃分

對超設計年限服役的設備進行檢驗時，結合其設計安裝資料及當前使用狀況，推斷出設備所面臨的主要損傷傾向。根據損傷傾向，選取具有代表性的檢驗部位進行抽查，且與上次檢驗部位重合率不大于30%。大型容器的檢驗部位應包含設備的上中下不同區域(即介質不同狀態的部位)；抽查一定比例的母材質量時，對容器抽查的鋼板應在距離焊縫一定距離抽查不少于500 mm×500 mm的區域；對管道主體是對直管段的抽查，應在直管一端抽查不少于500 mm。設備組成件和儀表及安全附件的檢驗，主體是對其進行功能驗證(即其功能能滿足設備使用要求)，必要時對其進行無損檢測，條件允許的應對其電儀系統進行SIL評估。

2.2 依托檢驗的隱患排查及風險控制

基于上述研究，對某催化裝置[4-5]超設計使用年限的設備(90臺容器和420條管道)開展了依托于檢驗的隱患排查及風險控制。發現各類隱患200余處，其中設備本體類隱患占46%，設備組成件類隱患占47.9%，儀表及其安全附件類隱患占6.1%。對這些隱患進行統計分析發現，約有30%的設備及其組成件存在腐蝕問題，其中部分設備存在嚴重的腐蝕減薄類隱患；約1%的設備存在不滿足最新標準的設計要求；大約5%的設備存在裂紋隱患；約5%的設備存在其他問題，比如壓力表損壞、閥門操作不靈便、隔熱襯里損傷等。

2.2.1 不符合設計要求類問題隱患排查及風險控制

對超設計使用年限的設備應關注其結構、材質、使用條件等方面是否滿足最新的標準要求。例如本次隱患排查中存在法蘭尺寸與管道尺寸不匹配的強行組焊(如圖3所示)；碳鋼管道(20G)的使用溫度達到600 ℃；十字焊口或T字焊口上開孔等問題。對于此類的不符合設計標準項風險控制，應加強壁厚和焊口的質量檢測，必要時應做應力分析。對于較弱風險抵抗能力類問題(圖3)，應進行更換處理，從而降低系統風險。對設備質量及使用無影響類問題，可以不計入風險控制措施中。其他類的應參照腐蝕、裂紋等類問題要求進行處理。

圖3 法蘭焊口強行組焊

2.2.2 腐蝕類問題隱患排查及風險控制

近年來,由于原料油組分發生變化，使得煉油各流程中的P、S、污垢等有害組分超標，導致介質中腐蝕性成分超出設備原定的設計數值，使得整個系統面臨嚴重的損傷,例如高溫硫化物腐蝕、磷酸腐蝕、沖刷、高溫氫損傷等?；趽p傷傾向識別及現場抽查結果，應對提高對重點區域抽查比例。例如本次隱患排查中，對存在較嚴重的腐蝕減薄的分餾塔后冷卻區域和穩定區域設備增加了抽查比例。發現管道的腐蝕減薄多數都是沖刷加上介質腐蝕性增強原因造成的。而部分容器設備不僅存在全面減薄，同時具有明顯的嚴重局部腐蝕減薄，特別是容器的底部。污泥長期在設備底部不流動區域聚集，加上本身介質腐蝕性成分超標，使得設備底部形成了垢下腐蝕環境。其中8臺浮頭式換熱器由于污垢在外浮頭處聚集(如圖4 所示)，使得外浮頭的壁厚減薄最高達規格壁厚的50%。因此對高齡設備進行壁厚抽查時，一定兼具工藝的變化，選擇代表性區域(由于介質成分不同，其腐蝕機理也不同，也會在設備頂部出現腐蝕減薄，例如濕H2S、HCl等腐蝕機理)，對介質流動的死區務必做到抽查，例如集液包、液位計接管等區域。

圖4 外浮頭垢下腐蝕減薄

對于腐蝕量在腐蝕裕量內的設備，可在不降低使用周期的條件下降低安全等級，同時標注腐蝕區域方便下個周期進行數據比對。對于較嚴重的腐蝕優先考慮修補。對于不滿足使用要求或不能修補的設備應停止使用，同時根據腐蝕機理考慮是否需要對新設備在工藝、材質、結構等方面進行優化。做好對此類風險的防控，可顯著降低設備的風險水平。

2.2.3 裂紋類問題隱患排查及風險控制

裂紋類問題主要集中在設備小接管內壁焊口裂紋、設備主焊縫上的裂紋以及設備的母材裂紋。對裂紋類隱患的風險控制，主要是及時進行以可靠性為中心的維修(RCM)；對不具備返修條件的裂紋，在臨時使用的條件下，可經過適應性評估(FFS)合格后監控使用，待具備返修條件，應及時進行返修或者更換相應部件和設備。

早期I、II類設備的接管焊縫普遍未打坡口，直接內外蓋面焊，使得接管焊縫中心存在未焊透。該未焊透空隙區使得接管角焊縫的應力水平提高(碳鋼與空氣的膨脹系數不同，會提高應力水平)，加上介質的誘導，導致裂紋生成概率較高。本次檢驗過程中發現各類裂紋30余條，其中近60%的裂紋為內壁角焊縫裂紋(如圖5所示)。因此加強超設計使用年限的設備的小接管焊口隱患排查，可顯著降低設備的失效風險。

圖5 設備內壁接管角焊縫裂紋

除上述接管裂紋外，也應加強超設計使用年限設備對接焊縫的隱患排查。對接焊縫可能存在坡口未清理干凈、焊接條件環境不達標等情況，使得焊口存在埋藏缺陷，這些埋藏缺陷在時間和應力共同作用下，有一定概率形成較大安全隱患的冷裂紋，圖6所示為穩定塔封頭拼縫上一條由埋藏缺陷引起的長20 mm、深10 mm的冷裂紋。因此超設計使用年限的設備焊縫的超聲抽查和磁粉抽查，可有效排查部分安全隱患。

圖6 穩定塔封頭拼縫冷裂紋(未開口)

此外本次檢驗過程中發現一臺煙氣冷卻器上封頭存在12處橫穿焊縫的冷裂紋(如圖7所示)，其中部分裂紋延伸至法蘭頸，部分裂紋最深達15 mm，長度最長達100 mm。打開上封頭發現該部位內襯破損，使得高溫氣竄入，焊縫和母材中原始缺陷在熱沖擊的作用下形成了裂紋，并且多次的開停車加速了裂紋的擴張，也可能存在高溫氫損傷[6-7]，加速裂紋的擴張。前2次定期檢驗時均未抽查該部位，且前2次抽查部位基本相同，未能及時排除隱患，最終導致該設備上封頭不能修復而整體更換。對超設計使用年限設備進行隱患排查時，應保證與前次抽查重合率應不大于30%，盡可能排查未檢區域的質量，從而使設備使用安全。

圖7 煙氣冷卻器上封頭冷裂紋

考慮超設計使用年限設備面臨的環境損傷因素外，也應關注其時間效應對設備安全的影響。由于粗晶碳鋼及C-0.5Mo 等低合金鋼存在應變時效(應變老化)，使得設備母材本身制造缺陷更容易誘變成裂紋。因此對超設計使用年限的設備應考慮增加母材質量的抽查。本次在容器和管道的母材上均發現了因設備母材上原始制造缺陷引起的裂紋(如圖8所示)。開停車期間壓力和溫度的突變會導致設備的應力水平激變，原始制造缺陷被誘變成裂紋，部分設備的裂紋生成源于開停車期間。因此基于風險控制，應對關鍵的超設計使用年限設備提高母材和焊縫的抽查比例，同時嚴格執行設備開停車的程序，將會降低設備的安全風險，避免造成較嚴重的安全事故[8-10]。

圖8 母材裂紋打磨前后圖

2.2.4 組成件類問題隱患排查及風險控制

雖然組成件不能直接影響設備本體安全，但其是保障設備正常運行的關鍵因素。本文提出關注組成件對設備使用安全的影響。本次對裝置內80%閥門進行了一次隱患排查，累計更換各類問題閥門100臺。更換的閥門涉及的隱患問題主要有閥體裂紋、閥門泄漏、閥門卡塞、外表面銹蝕嚴重、閥門內漏嚴重等。在裝置生產工作中，只有部分閥門處于頻繁操作狀態，大部分閥門僅在特殊情況下使用。周期內缺乏維護的閥門，很容易出現卡塞、內漏、泄漏等問題。此外還存在螺栓銹蝕、螺栓斷裂、支吊架損壞、儀表損壞、法蘭密封面開裂等隱患，都間接影響設備安全。例如，螺栓斷裂影響密封效果甚至導致泄漏；支吊架損壞影響設備的應力分布，會誘導部分應力過大的區域產生裂紋；儀表的損壞影響對設備工藝狀態的監控等。超設計使用年限設備的組成件，也與設備一樣面臨老化、失效、損傷等問題，排查組成件的隱患情況，將有效保障設備的安全運行，降低設備的失效風險。

2.2.5 其他隱患排查及風險控制

風險排查過程中未發現明顯的材料退化問題，但是對于一些高溫設備，即使其溫度未達到當下材料金相檢驗的要求溫度，也應對其進行材料性能的驗證。材料長時間服役條件下，設備可能還存在超溫超壓、內構件損壞/損傷、襯里損傷、應變時效、熱疲勞、蠕變、腐蝕疲勞等損傷傾向。應根據現場具體情況及時調整檢驗方法及策略，制訂針對性的隱患排查方案，有效保障設備運行安全。

3 結論

超設計年限服役的設備，其設備本體、設備組成件、儀表及其安全附件等設施的可靠性將隨著服役時間增長而降低，應針對性地對其進行系統性的隱患排查，降低設備失效風險。本文對超設計使用年限設備提出了在設備重新注冊前，應開展以風險控制為核心的檢驗，參照設備驗收過程中涉及的質控要求，對設備的母材、焊縫、組成件等方面進行全面的隱患排查，發現超出風險控制線的安全隱患，應進行以可靠性為中心的維修(RCM)或經過適應性評估(FFS)合格后，采取有效的監控措施，降低設備風險。較全面評估設備的風險，從而有效控制設備風險。