基于關鍵性的換熱器分級評價及應用

郝新煥, 江 臣, 伍世昌, 錢恕濤

(1.中國石油獨山子石化分公司研究院,新疆 克拉瑪依 833699;2.中國石油獨山子石化分公司機動設備處,新疆 克拉瑪依 833699)

換熱器作為煉化企業應用最廣泛的設備,也是腐蝕問題較多的設備。對于煉化裝置,換熱器占靜設備總量的40%左右,占裝置投資總量的 1/5 左右,其結構復雜,工況多樣,它的平穩運行對裝置安全長周期運行意義重大[1-2]。

由于換熱器數量龐大,管理難度增大,造成現有的維護方式,既消耗有限的資源又不能突出關鍵設備必要的特護,從而導致部分關鍵環節存在失修或維護不到位;管理處于事后維修狀態,通常發生泄漏后才會引起重視,存在管理滯后、預知性檢修不足的情況,因此有必要開展科學有效的管理策略研究,進行全生命周期管理。

1 評價方法的選擇

隨著企業可持續發展的需求,進入21世紀,完整性管理理念已成為石化行業設備管理的主要理論體系之一。

設備完整性管理思路:設備風險識別和評價→設備分級→制定風險管理策略并實施→設備低風險運行→再評估→設備風險識別和評價,循環往復。

在完整性管理體系中,要達到目標,風險管理是其有效的途徑和基礎[3-5]。首先就是要對風險進行評價分級,目前設備管理中,風險評估普遍采用RBI技術,是用失效的可能性和失效后果來評價,由于其評價的復雜性,需要大量的檢測數據及失效信息做支持,工作量較大,其軟件使用難度較大,不能被廣大技術人員掌握,需要專門的機構進行評價,嚴重影響其使用效果;且其分析結果應用停留在制定檢驗計劃階段,在日常管理中沒有發揮作用,不涉及風險減緩具體措施,對于靜設備完整性管理還不完善[6]。而換熱器由于其結構復雜,運行工況的多樣性,其失效原因往往是多種形式或多種因素的綜合結果,且其失效主要在換熱管,檢驗覆蓋率較低,采用RBI評價準確度不高。因此可采用資產關鍵性分析(ACA)和設備失效模式及影響分析(FMEA)相結合的方式對換熱器的可靠性進行評價、分級。

1.1 資產關鍵性分析

ACA是一種通過評估資產對企業實現生產經營目標的潛在影響程度以確定資產關鍵程度的方法,利用關鍵性分析評定裝置、系統、子系統和設備的風險,根據資產的關鍵性級別進行相關資源的合理分配,從而把主要精力用在關鍵的少數,以達到事半功倍的效果。

1.2 設備失效模式和后果分析

FMEA是通過分析每種失效模式對設備的影響,評價出每種失效模式影響的風險優先順序數(RPN),根據評價結果,制定相應管理措施和維修保養方式,從而盡可能地減少和消除故障的產生,減少設備的非正常停運,提高設備的可靠性和維修性。這是一種事前行為,體現預防為主的思想。

1.3 總體評價流程

基于設備完整性管理,采用ACA對換熱器進行嚴酷度分析,采用FMEA進行失效模式分析,然后對兩要素進行綜合評估,評價換熱器的關鍵性,進行分級;再對失效模式進一步分析,形成健康性評價、分級;綜合關鍵性和健康性得出重點管控對象;制定分級管控和全生命周期管控策略,管控或降低風險[7]。風險評估及管控總體流程見圖1。

圖1 換熱器風險評估及管控總體流程

2 評價方法的建立

設備關鍵性分析常用的方法包括風險矩陣和量化評分的分析方法,具體過程見圖2。

根據ACA分析方法和流程,通過現場故障數據統計、專家評估、定量化建模等手段,建立設備分級規則、評定標準和評價方法。

(1)設備信息的收集:對評價涉及的換熱器的規格、管束數量、溫度、壓力、材質、介質、投用時間、堵管數量和影響生產的程度等情況進行全面的收集,形成換熱器基礎信息臺賬,對換熱器的運行情況進行摸底。通過對換熱器信息進行統計分析,可以看出換熱器目前存在的問題,從而摸清針對性的失效評價因素及標準。

(2)建立失效嚴酷度評價標準:根據換熱器故障最終可能導致的影響,可結合本企業的管理方針,將其劃分為HSE影響、生產損失和財產損失三方面。根據其危害程度,分別賦予不同的分值和等級。當評估涉及的裝置單元較多和不同裝置不同單元對生產及財產的影響不同時,為了使設備風險評價更加準確,可根據單元在裝置中承擔的不同功能設立裝置系數和單元系數(K1),其中單元關鍵性系數≤裝置關鍵性系數,用于對設備風險初評結果進行修正,使評估結果更加客觀和合理。

(3)嚴酷度評價:依次按上述嚴酷度評價標準進行打分,采用經驗及實際調查的方法確定各因素所占的比重,根據ACA中,量化評分值 =∑(加權系數×要素評分),對單元系數、HSE影響、生產損失和財產損失等要素綜合,形成評估總體要素風險嚴酷度(S嚴酷)的計算公式,例如:S嚴酷=SHSE×20%+K1×20%+S生產×50%+S財產×20%。

(4)建立失效模式標準:根據煉化裝置換熱器的失效特點,對換熱器歷年失效類型進行統計分析,確定失效模式。例如對管束使用年限、腐蝕性(含介質腐蝕和沖刷腐蝕)、堵管率和是否存在附加載荷等4方面對換熱器失效模式進行評價。將其劃分成不同等級,分別賦予不同的分值,如管束使用年限評價標準見表1。

表1 管束使用年限失效模式評價標準

根據風險計算方法,評估總體要素風險失效模式(S失效)的計算公式如下:

S失效=∑(S腐蝕+S附加載荷+S堵管率+S年限)

(5)關鍵性評價:根據風險理論的數學關系,風險值=失效危害程度×發生概率;換熱器關鍵性不僅與失效后果有關,而且與失效可能性有關,其中設備的失效模式、原因、影響具有比較緊密的聯系,按照風險優先的原則,風險優先順序數RPN=發生的頻率×嚴重程度×檢測等級,對換熱器失效嚴酷度、失效模式要素評估結果進行綜合,計算RPN的公式如下:RPN=S嚴酷×S失效。

根據RPN值的大小,RPN值越大潛在問題越嚴重,其失效可能性越高,從高到低,確定風險等級將換熱器分成A,B,C和D。

其界定標準符合著名經濟學家巴萊多的二八法則,即根據美國石油學會對煉化裝置的統計和分析,80%～90%的風險來自20%左右的設備,因此在關鍵性綜合評估中將高風險A和中高風險B的換熱器數量控制在20%左右,其比例可結合企業KPI指標、維護運行成本等進行動態調整。

同時,基于“優先原則(即RPN值)的具體界限值亦可由FMEA小組具體討論而定”原則[8-9],專家采用經驗判斷法,結合各裝置換熱器歷史失效情況、換熱器的管理、檢維修成本等進行評估驗證,確定公司風險可接受水平,如RPN<30,即RPN<30可以不加控制,得出分級界定值,見表2。

表2 關鍵性分析分級界定標準

(6)健康性評價:在評價換熱管的嚴酷度和失效模式中,使用年限、介質腐蝕性、附加載荷、堵管情況等要素體現了換熱器存在的潛在失效以及該失效的后果,直接或間接地反映了換熱器的安全性,因此可將這四種要素組合用健康度的概念來評價換熱器的安全可靠性。

考慮各失效模式對換熱器的健康性影響是不同的,可取不同的占比,例如健康度的計算公式如下:健康度=S腐蝕×20%+S附加載荷×10%+S堵管率×60%+S年限×10%。

分別賦予不同的健康等級界定標準,將健康性分成4個等級,見表3。

表3 換熱器健康性等級劃分

按照上述換熱器關鍵性和健康性評價方法對裝置和單元換熱器進行評價,可以看出換熱器所處的風險、嚴重程度、關鍵性及健康程度。

3 應 用

3.1 分級管控策略

對高風險和中高風險的換熱器的失效風險和失效原因信息進行分析,可以得出裝置換熱器存在的主要腐蝕問題及風險,以及需要采取的針對性的消減措施。

結合裝置已有檢維修策略,對A至D不同關鍵等級的換熱器從設計、采購、安裝、使用維護、檢驗檢測、維修、改造、變更等方面制定分級管控策略——設備可靠性管理導則,以確保換熱器全生命周期重點管控,如主要體現在:

制造:A/B級管束應實施駐廠監造,換熱管應逐根進行渦流檢測或超聲波檢測;管子與管板接頭應采用強度脹+強度焊接方式。C/D級宜采用強度脹+密封焊接方式。

采購:新采購的A/B類水冷器循環水側應進行熱固熔處理。達不到兩個大修運行周期的C/D級水冷器循環水側應進行熱固熔處理。

驗收:A/B級換熱管與管板角焊縫射線檢測抽查比例為5%以上,且不少于20個。C/D級管束射線檢測抽查比例不少于3%,且不少于10個。

渦流檢測:A級每次大修應進行電渦流檢測。抽查比例為 5%～10%,新換熱器的首次檢測不大于4 a。B級一個大修周期應進行一次電渦流檢測,抽查比例為 3%～5%。C/D 級無腐蝕介質的運行2個大修周期,一次電渦流檢測;有腐蝕介質的,根據腐蝕情況,每個大修周期應進行一次電渦流檢測,抽查比例不超過3%。

管束更新報廢:A級水冷器使用兩個大修周期后應進行更換。腐蝕系統中的A級管束應定期進行電渦流檢測,并根據結果制定定期更換計劃,原則上運行時長不得超過兩個大修周期,修復次數不超過2次。健康性等級應保持在2級,達到3/4級的,應制定更新計劃;健康性等級達到2級的,可檢修投入使用。B級換熱器一般使用三個大修周期,原則上修復次數不超過2次。健康性等級達到3/4級的,應制定更新計劃;健康性等級達到2級的,可檢修投入使用。C/D原則上修復次數不超過3次,健康性等級達到4級的,應制定備用計劃;健康性等級達到3級和2級的,可檢修投入使用。

堵管換熱器的管束處理:A級在同一管程內,堵管數量在5%以上或超過25根,應更換新換熱器或管束。B級在同一管程內,堵管數量在10%以上或超過50根,應更換新換熱器或管束。C/D級在工藝指標允許范圍內,同一管程內,堵管數量可大于10%,最高不超過20%,超過20%時應進行整體更換或換管。

3.2 “一機一策”管控方案

為重點加強對風險大、健康性差的換熱器的管控,實施精準和差異化的管控,可對健康等級為3/4級的A/B級換熱器從運行控制參數、失效風險、工藝和材質防護措施、日常管控、查漏方法、管束更換備用情況等方面進行了梳理,逐一建立“一機一策”風險管控方案。明確高風險換熱器的風險、日常管控要點和風險消減措施,指導裝置換熱器防泄漏精細化管理、差異化管理。

3.3 檢維修及監檢測等計劃的制定

根據評價結果,將關鍵性評級高的換熱器納入大修腐蝕檢查計劃,進行重點檢查,并結合分級情況進行渦流檢測,指導裝置預防性檢維修作業計劃的制定;同時可通過風險識別,優化和完善腐蝕監檢測計劃;也可在換熱器發生泄漏等失效情況時,可通過風險評價信息表進行快速分析,找出失效原因和防范措施。

3.4 應用效果

通過風險識別,進行分級管控,結合“一機一策”管控方案,可明確換熱器的風險,指導日常操作管控及預防性檢維修作業。對裂解裝置稀釋蒸汽再沸器進行關鍵性及健康性評價,結果見表4。

表4 裂解裝置稀釋蒸汽再沸器關鍵性及健康性評價

由表4可知,裂解裝置稀釋蒸汽再沸器10-E-3012有13臺,其中6臺均為關鍵性B、健康性4級;10-E-3011有2臺,評價分別為“關鍵性B、健康性4級”和 “關鍵性B、健康性3級”,說明稀釋蒸汽單元腐蝕嚴重,需要重點關注和加強管控。

通過風險識別,其主要是存在腐蝕性介質(酸、堿),存在汽蝕,有結焦的情況,引起酸性或堿性水腐蝕及垢下腐蝕,造成管束減薄及穿孔泄漏,最多的已堵管4%左右。根據識別結果,對其工藝和設備措施進行全面梳理,建立“一機一策”管控方案,協助裝置進行全面管控。制定通過急冷水系統投用甲苯萃取,減少結垢的措施,將控制方式和指標“循環甲苯流量占工藝水流量的1/12～1/8”及“甲苯萃取率不低于60%”寫進方案中,指導裝置的日常管控。

方案主要包括以下幾個方面。

風險描述:酸腐蝕(硫化氫和有機酸等)、堿腐蝕(NaOH)、垢下腐蝕;造成管束內壁均勻腐蝕和局部腐蝕,嚴重時會造成管束穿孔和泄漏。

工藝防腐措施:(1)工藝水汽提塔10-C-3001塔頂進料線連續加注中和劑,加注量為7～22 mg/L;(2)10-C-3001塔釜連續加注20%NaOH,加注量為1～5 mg/L;(3)急冷水系統投用甲苯萃取,循環甲苯流量占工藝水流量的1/12～1/8。

控制指標:(1)10-E-3012入口pH值為7～9,總鐵質量濃度不大于3 mg/L;(2)10-P-3071的pH值為7.5～9.5;(3)DS凝液中Na+控制在50 μg/kg以下;(4)甲苯萃取率不低于60%。

日常操作維護:(1)10-E-3012操作溫度(管層/殼層)160～170/180～195 ℃;操作壓力(管層/殼層)0.6～0.8/0.7～1.1 MPa。(2)稀釋蒸汽發生罐V3031液位50%～60%,控制連續排污量不低于工藝水總量的7%。(3)按照正常操作條件,鎖定閥門開度,不允許隨意調整。(4)分析工藝水AP30003油含量、COD、pH值、鐵離子,1次/周。(5)分析稀釋蒸汽AP30004油含量(1次/周)、AP30010中的pH值為7～10、鈉離子低于50 μg/kg(1次/月)。

工藝冷凝水監測:10-E-3012入口、10-P-3071中的pH值、總鐵,1次/周。

在線腐蝕監測方案:(1)10-C-3001(工藝水汽提塔)塔頂(溫度111 ℃/壓力0.05 MPa),塔釜(溫度113 ℃/壓力0.06 MPa),實時監測20號鋼腐蝕速率不大于0.2 mm/a;(2)10-V-3031(稀釋蒸汽發生罐)釜(170/0.7),實時監測20號鋼腐蝕速率不大于0.2 mm/a。

運行情況下的查漏方案:(1)分析工藝水AP30003油含量、COD、苯乙烯含量。(2)分析稀釋蒸汽AP30004和AP30010中的油含量。(3)運行設備工藝水側倒淋進行排放查漏,檢查是否有結焦或油介質。

渦流檢測:停工檢修渦流檢測比例10%～20%,發現嚴重減薄的加倍擴檢。

2022年5月腐蝕檢查,對管控效果進行了評價,自2020年采取措施后稀釋蒸汽發生器10-E-3011的運行周期已經超過了1年,達到了“單臺稀釋蒸汽發生器設備運行周期達到1年以上”的管理要求,10-E-3012換熱器的檢修周期也平均延長了半年,由原來的1年半左右到現在的2年～2年半,換熱器運行風險降低。

4 結 論

(1)采用ACA和FMEA相結合的方法,從失效嚴酷度和失效模式兩方面對換熱器的關鍵性和健康性進行評價,采用RPN綜合評估的方法,對換熱器進行分級,可為設備分級管控、實施相應的檢維修策略、制定管控措施和減少裝置非計劃停工提供理論依據。

(2)依據設備完整性管理理念,對設備進行分級管理和全生命周期管理,制定換熱器管控策略,對高風險換熱器實施重點管控,實現換熱器的精準和差異化管理,為裝置換熱器日常管控和管理決策提供依據?？蓪⒃O備運行風險降低至最小,以避免或減少突發性事件的發生,給企業帶來經濟效益的同時,確保生產裝置安全運行。

(3)根據換熱器風險分析,可以更加完善換熱器的綜合管控,建立一個全面的設備完整性管理系統,對運行裝置進行科學管理,加強換熱器管理的系統化、精細化、預知性,使設備達到長周期安全運行的目的,以提升設備管理的體系化。