電站鍋爐受熱面管損傷風險評估方法研究*

李正剛，石端偉*，廖冬梅，李茂東

（1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.廣州市特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510100）

0 引 言

近年來，隨著高參數(shù)、大容量的大型火電機組及設備迅速發(fā)展，電站設備的安全可靠性越來越重要。目前，影響火電機組可靠性的主要原因集中反映在鍋爐設備上，電站鍋爐運行的可靠性直接影響到電廠的經(jīng)濟性和安全性。鍋爐的主要承壓部件是鍋爐受熱面管，包括過熱器管、再熱器管、水冷壁管和省煤器管等部件，長期在高溫高壓、煙氣飛灰等十分惡劣的使用環(huán)境介質中運行，服役過程中會發(fā)生蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等一系列的老化損傷失效，由此可能出現(xiàn)嚴重的受熱面管爆漏事故。我國大型火電站鍋爐四管爆漏引起的停爐占機組非計劃停用時間約40%，占鍋爐設備非計劃停用時間約70%［1］。電站鍋爐受熱面爆漏失效是造成非計劃停運的主要原因，對機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行威脅極大。而且隨著老機組服役時間的增加及新增大型機組投產(chǎn)和參數(shù)的提高，這類事故還有逐年上升的趨勢。如能對電站鍋爐受熱面管損傷失效早分析、早判斷，并進行有效的預測與控制，對其存在的隱患進行分析，有針對性地防患于未然，將對合理安排檢修策略、縮短檢修時間、降低臨檢率及減少檢修費用具有重要意義。

基于風險的檢驗與維修技術正是一項研究如何使設備運行更安全、更可靠、設備維修成本更低的新技術。在我國火力發(fā)電領域，基于風險的檢驗與維修目前正處于起步階段，國內(nèi)學者和研究機構對風險檢驗方法及其在電站設備中的應用研究越來越關注［2］。本研究將從現(xiàn)行電站鍋爐受熱面檢驗標準入手分析其存在的主要問題，探討電站鍋爐受熱面管損傷風險評估方法及過程，重點分析并確定風險矩陣評估中概率與后果嚴重程度的量化，從而實現(xiàn)對鍋爐受熱面管損傷的風險評估。

1 鍋爐受熱面管損傷與風險評估

1.1 電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗依據(jù)及存在問題

現(xiàn)行的電站鍋爐受熱面管檢驗與判別標準有DL/T 438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》、DLT 939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢驗技術導則》和DL 647-2004《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》等，在這些標準中，對鍋爐受熱面管的檢驗與判別主要存在如下問題：

（1）所有檢驗與判別標準都是定性評判，這些標準僅從鍋爐受熱面管檢驗出發(fā)，從不同方面定性評判部件損傷失效與否，給出了“是”與“非”、“好”與“壞”的限值或門檻值；例如：合金鋼管外徑蠕變變形大于2.5%，碳素鋼管外徑蠕變變形大于3.5%，或腐蝕點深度大于壁厚的30%時，應及時更換。

（2）對于“檢驗結果未達到判廢標準的損傷，但存在爆漏失效可能”的潛在危險及危害一律接受，處理方法單一，盲目性較大；例如，當管子的腐蝕點坑深小于原壁厚的30%而大于原壁厚的20%的潛在危險性如何評判和控制，無據(jù)可查。

（3）在鍋爐受熱面管實際檢修和運行過程中，對于“未達到判廢標準的損傷，但卻存在失效可能”的潛在危險實際是允許存在的，由于研究者未進行量化分析，其潛在風險的大小也就不能被準確掌握，對這些潛在危險的控制與處理就存在盲目性。

對于這部分未達到判廢標準但仍繼續(xù)使用的管子而言，的確存在很大的潛在風險，繼續(xù)使用時如何對這些潛在的危險進行評估，進而經(jīng)濟、合理地預防和處理就顯得尤為重要。針對上述問題，對鍋爐受熱面管損傷，通過采用風險評估方法對潛在的危險進行分析、評估、控制等，即分析損傷后鍋爐受熱面管發(fā)生失效的概率大小和后果嚴重程度，那么就可以根據(jù)風險值，結合具體情況做出科學的決策，有計劃、有針對性、及時合理地進行預防和處理［3］。

1.2 風險評估方法及應用

風險評估是對待評估系統(tǒng)或設備發(fā)生事故和危害的危險性進行定性和定量分析，評價系統(tǒng)或設備發(fā)生危險的可能性和后果嚴重程度，以尋求最小的事故發(fā)生率、最小的損失和最優(yōu)的安全投資效益為目的，又稱為危險評價［4-5］。風險評估是對危險的可能性和后果嚴重程度進行定性以及定量的分析，然后綜合確定出風險的程度和風險分布，并在此基礎上制定科學的檢驗策略，對高風險設備進行重點檢驗，可以達到在保證設備安全運行的基礎上顯著降低檢驗成本的目的，它是電站設備維修決策中的一個重要環(huán)節(jié)［6］。

風險管理科學在工業(yè)生產(chǎn)設備運行檢修中的應用最早起源于核工業(yè)，研究人員為了確定檢修的優(yōu)先次序，并做出基于風險的決策，由此發(fā)展了概率風險分析技術。挪威船級社在海洋石油平臺上采用了基于風險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）技術，美國自1995年開始了基于風險的檢測在石化裝置檢驗中的研究，并在2000年發(fā)布了API 580（基于風險的檢驗）和API 581（基于風險的檢驗的資源文件）兩個推薦標準［7-8］。2006年國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了《關于開展基于風險的檢驗（RBI）技術試點應用工作的通知》，明確了基于風險的檢驗技術是在特種設備安全性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的基礎上建立的一種優(yōu)化檢驗方案的方法，并于特種設備檢驗檢測領域試點［9］。

風險評估技術方法一般可以分為以下3類：

（1）定性分析。定性分析一般只是被用來作為風險的顯示，而不是對風險進行評估。由于定性分析所需資料較少，其區(qū)別能力就非常有限，但它可以用于對設備迅速按重點進行排序，以便于作進一步的風險分析。研究者一般采用專家打分方法、故障樹方法。

（2）半定量分析。半定量分析是介于定性和定量之間的一種分析方法，研究者采用比較簡化的假設，方法比較簡單，需要的資料較定性分析要多。主要是以風險指數(shù)為基礎的風險評價方法。

（3）定量分析。定量分析需要提供比較詳細的基礎數(shù)據(jù)，包括工藝流程數(shù)據(jù)、設備設計資料、歷年維（檢）修記錄、工藝介質分析數(shù)據(jù)、失效分析記錄等。然后在以上數(shù)據(jù)的基礎上，利用相關理論方法進行分析。定量分析是制定詳細檢驗計劃的基礎，主要是概率風險評價。

本研究以風險理論為基礎，風險是用事故可能性與損傷的程度來表達的經(jīng)濟損失與人員傷害的度量。這可以表明：①發(fā)生事故的概率，它是用來預測生產(chǎn)過程中某部件、設備等可能發(fā)生什么事故及其發(fā)生事故的可能性有多大；②生產(chǎn)過程中發(fā)生事故可能造成設備財產(chǎn)損失和人員安全損害的程度，即事故后果；③生產(chǎn)過程中發(fā)生事故的概率與事故后果，即生產(chǎn)系統(tǒng)的事故風險。

風險可用下式表示：

式中：R—系統(tǒng)事故風險，F(xiàn)—系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性（概率），C—系統(tǒng)發(fā)生事故的嚴重程度（后果）。

傳統(tǒng)的鍋爐受熱面管檢測技術與判廢標準往往是定期大范圍的普查。在風險分析的基礎上，研究者對影響鍋爐受熱面管風險的各種因素做定量化評估，對鍋爐受熱面管的風險等級做出判斷，并根據(jù)設備的風險等級確定要重點關注的部件，優(yōu)先對重要設備和部件進行檢驗，做到既減少檢修成本，又可以降低系統(tǒng)的整體風險水平。目前國際上采用基于風險的檢驗技術對在役設備進行維護和檢驗已成為發(fā)展方向［10-13］。

2 鍋爐受熱面管損傷風險評估過程

對鍋爐受熱面管損傷進行風險評估，就是考慮鍋爐受熱面管在高溫、高壓的環(huán)境中氧化、腐蝕、減薄以及組織性能變化的不確定性，因而需要對其存在的風險進行概率和后果嚴重程度分析，進而評價鍋爐受熱面的安全狀況，為安全運行、合理檢修提供理論依據(jù)和科學指導。

鍋爐受熱面管的風險評估的基本過程包括：資料收集、現(xiàn)場檢驗、損傷特征識別、對危險發(fā)生頻率的評估、對危險產(chǎn)生后果的評估和風險評估等過程，示意圖如圖1所示。

風險矩陣是將風險發(fā)生概率與后果影響程度這兩個量綱綜合考慮的一種常用方法。該方法通過將風險發(fā)生概率與后果影響程度以矩陣的形式表示，并以此為依據(jù)評定項目的風險等級，如極低、低、中、高、極高等風險級別。

圖1 鍋爐受熱面管風險評估的基本過程

以下介紹鍋爐受熱面管風險矩陣評估過程中的概率分析、后果嚴重程度分析和損傷風險矩陣評估。

2.1 概率分析

概率分析就是要確定鍋爐受熱面管因出現(xiàn)各種損傷后發(fā)生失效的概率。在風險矩陣中，風險發(fā)生概率標度（F）取值范圍在0～1之間，既可以采用序數(shù)標度，如從可能性極低到幾乎確定無疑的相對概率值來表示的風險發(fā)生概率標度，也可以采用普通標度，如0.1、0.3、0.5等，為具體的風險發(fā)生概率賦值。

對各指標的標度確定遵循兩個原則：①風險評估結果與現(xiàn)行標準評判結果一致，即按照風險矩陣評估后的判廢等級應該與現(xiàn)行標準的定性評判的結果一致；②比現(xiàn)行標準更加細致合理，即用風險評估方法對鍋爐受熱面管損傷潛在危險分析，有針對性、有目的性地加以預控，相對經(jīng)濟合理地防患于未然。鍋爐受熱面管風險發(fā)生概率標度如表1所示。

2.2 后果嚴重程度分析

后果嚴重程度分析就是分析鍋爐受熱面管因為出現(xiàn)各種損傷后在高溫、高壓環(huán)境的作用下可能導致的各種事故后果及損失。后果嚴重程度取值范圍也是在0～1之間，取值為0表示風險損失較小，取值為1表示風險損失大。風險影響標度可反映某項風險發(fā)生后所造成的后果嚴重程度，風險影響標度（衡量后果嚴重程度的水平）可以用相對比例來描述，如“很低”、“低”、“中等”、“高”、“很高”，同時也可以采用數(shù)字比例為風險影響標度來賦值。這些數(shù)值可以是線性值，例如，0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，或非線性值，例如，0.05、0.1、0.2、0.4、0.8，非線性值反映了回避高影響風險的愿望。

后果嚴重程度數(shù)字比例可以根據(jù)項目具體需要自行選擇其可能產(chǎn)生的后果（C）。本研究參考國家電網(wǎng)安監(jiān)［2005］145號《國家電網(wǎng)公司電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》、國電發(fā)［2000］643號《電業(yè)生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》等相關規(guī)程標準內(nèi)容，電力行業(yè)事故（障礙）劃分方式如下：電力行業(yè)事故大致分為人身事故、電網(wǎng)事故和設備事故3類。設備事故的等級劃分如下：特大設備事故、重大設備事故、一般設備事故、設備一類障礙、設備二類障礙［14］。對于電站鍋爐這樣發(fā)電機組主設備，受熱面管發(fā)生爆漏失效往往造成主設備被迫停運和非計劃檢修等一般設備事故。例如，當鍋爐受熱面管檢查發(fā)現(xiàn)一處損傷，其風險發(fā)生概率很高（F=0.8），造成的事故后果嚴重程度通常為一般設備事故（C=0.4），按照現(xiàn)行標準需要更換處理，風險評估的結果應該與現(xiàn)行標準的定性評判結果一致，為高度危險，立即換管。

表1 鍋爐受熱面管風險發(fā)生概率標度分級

由此，本研究可以得到鍋爐受熱面管的事故后果嚴重程度分級，分級表如表2所示。

表2 鍋爐受熱面管事故后果嚴重程度分級表

3 鍋爐受熱面管損傷風險評估的方法

根據(jù)鍋爐受熱面檢查項目的具體情況及檢查結果，本研究首先估算出每項風險發(fā)生概率和后果嚴重程度，然后將兩者相乘，得到一個風險值。然后采用風險概率影響程度矩陣的形式，對每項風險的等級進行評定，最終得出每項風險的重要性及其緊迫程度。

一個典型的概率影響風險矩陣如圖2所示，黑色區(qū)域表示風險值較大，陰影區(qū)域表示風險值較?。?5］；風險值介于兩者之間的灰色、白色區(qū)域表示中等風險。風險值可以為設備運行和檢修人員提供指導，如果風險發(fā)生概率較高，且會產(chǎn)生不利影響程度，即處于風險概率影響程度矩陣的灰色區(qū)域，則需要積極地對其采取風險應對措施；對于處于低風險區(qū)域的風險事件，則只需對其進行觀察，并準備應急儲備，而無須采取積極的措施。

圖2 風險矩陣

風險等級是依據(jù)表2中后果嚴重程度分級并結合鍋爐管損傷概率和實際情況來定義的，鍋爐受熱面管損傷經(jīng)過風險評估后，各種損傷情況按風險高低排序，研究者在監(jiān)督、運行和檢修中就可以區(qū)別對待，突出重點，根據(jù)風險評估等級，采取不同預控措施，具體措施如表3所示。

表3 鍋爐受熱面管損傷風險等級表

4 結束語

本研究將風險評估應用于電站鍋爐受熱面管損傷評估中，提出并討論了電站鍋爐受熱面管損傷狀態(tài)風險評估基本方法和基本過程，分析了電站鍋爐受熱面現(xiàn)行檢驗標準存在問題，提出了電站鍋爐受熱面管風險評估的必要性和可行性。通過用風險評估方法對電站鍋爐受熱面管損傷潛在危險進行分析、評估、控制，可以根據(jù)具體情況做出科學的決策，有計劃、有針對性、經(jīng)濟合理地進行預防和處理；結合電站鍋爐受熱面檢驗標準，討論并確定了風險矩陣評估過程中概率標度和后果嚴重程度的賦值及量化取值范圍；利用鍋爐受熱面管損傷風險評估方法，科學地反映了鍋爐受熱面損傷的風險等級，制定了不同預控措施，并為電站設備狀態(tài)維修決策提供了依據(jù)。

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