核承壓設備設計階段風險評估技術的應用

張振華

（上海核工程研究設計院)

0 引言

21世紀初以來，基于風險的檢測[1]（RBI）技術已經在各個行業，特別是石化行業得到了應用。2006年，國家質檢總局下發了在中國石化部分企業對壓力容器與管道等承壓設備進行基于風險的檢測 (RBI)試點的通知[2],以承壓設備為對象的RBI技術開始得到了較為廣泛的工程應用[3-4]。2007年,就我國多數壓力容器在設計時對使用中的失效風險考慮不足，尤其是對因介質環境影響考慮不足而導致設備過早失效的問題，有關專家和學者提出了開展基于風險與壽命的設計研究，希望在設計早期就能識別與控制設備在使用環節的風險,這一想法也得到國家科技部、全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會及中國石化等企業的支持[5]。

因此，TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》對部分壓力容器提出了設計階段的風險評估要求，在其設計部分的3.6節規定：“對于第Ⅲ類壓力容器，設計時應當出具包括主要失效模式和風險控制等內容的風險評估報告”[6]。在設計階段進行風險評估，是國際上壓力容器界提出的基于失效模式設計理念的產物，是壓力容器設計發展的趨勢，也越來越獲得各行業設計人員的認可。

作為核級承壓設備的設計人員，在從事相關核承壓設備設計的工作中，同樣也意識到風險評估對核承壓設備設計的重要性。考慮到核級承壓設備的設計壽命或者使用壽命一般要遠高于民用壓力容器，因此通過對民用壓力容器設計技術發展的趨勢來判斷，相信風險評估技術也將在核承壓設備設計中得到越來越廣泛的應用，并起到十分重要的作用。本文闡述了風險評估技術的一些基本特點和筆者的一些思考，供有關同行參考。

1 風險評估技術的產生和目的

通過對大量的在役生產裝置的風險分析和評價發現，很多設備發生事故或失效都是由于設計不合理或者設計的環境要求與壽命全過程中的實際使用環境相偏離而導致的。盡管在役設備的風險評價與風險控制能夠提高設備的安全性，但這種方法依然只是被動的預防。如果能在設備的設計階段就預測設備全壽命過程中的失效模式和失效機理，進行基于失效模式的設計，事先就做好設備在使用過程中的風險控制，這對保障設備的長周期安全運行將產生重大意義。正因為如此，設計階段的風險評估技術被提出來了，并越來越受到重視。

目前，民用壓力容器的設計是以GB 150、ASME等國內外相關標準為基礎而開展的，這些標準都規定承壓設備在工藝規定的設計壓力、設計溫度和介質條件下，必須滿足強度、剛度和穩定性要求。然而現行設計標準與設計軟件缺乏壓力容器使用過程中失效機理與失效模式等數據庫的支撐，沒有完全考慮壓力容器全壽命過程中動態服役環境下的各種風險因素。在介質危害性問題上往往考慮的是均勻腐蝕引起的減薄問題，而對于其他因服役環境引起的失效 （包括失效機理與失效模式）考慮甚少[7]。這就使得承壓設備要么由于設計不足造成在使用過程中發生突然失效或過早失效，要么由于選材或者制造工藝的要求過高，造成不必要的浪費，缺乏經濟性。

近十年來，國內外在承壓設備的風險識別、評價與控制技術方面迅速發展，這就使得在承壓設備設計制造的早期預測全壽命過程中的風險、開展基于風險與壽命的設計 （RBD）成為可能。

在設計階段增加風險評估，肯定會增大設計難度，會對設計人員有更高的要求，同時也會增加設計成本，但是從設備應用的安全角度來看，這是完全合理的。

設計時要求的風險評估報告內容主要包括容器可能的失效模式、風險控制等。設計階段進行風險評估的目的包括以下內容：①分析壓力容器在使用過程中可能出現的失效，提出規避失效的方法和措施；②依據風險工程的理論，評價風險的水平，采取措施來控制風險水平；③告訴容器的用戶，容器可能出現的破壞形式，以及當發生破壞時應該采取的措施，便于用戶制定合適的應急預案；④向壓力容器用戶提供足夠的信息，其最終目的是保證容器的安全使用。

因此，壓力容器的設計文件其內容較傳統的范圍有了擴大，即除了常規的強度計算書或應力分析報告、設計圖樣、制造技術條件等外，還增加了“風險評估報告”，這是設計階段進行風險評估的重要手段和方法。

2 風險評估技術在我國的應用

目前國際上一些技術標準把設計階段的風險評估技術分為三個部分，即危害識別、風險評估和風險控制，其系統標準和行業規定的風險可接受準則都已經相當完備，可以支撐設計階段風險評估工作的實施。

風險控制不僅僅涉及設備使用中的失效模式，同時也涉及設備建造過程中的起吊、運輸、安裝、操作、檢驗和維修等各個方面，包括壓力容器使用、維修和改造時須注意的事項。

我國的標準目前尚沒有完成風險評估體系的建設，基于失效模式的設計理念剛剛被引入到壓力容器的設計中，還沒有條件全面開展完整的風險評估工作。目前，我國的設計階段風險評估主要是進行危害識別和風險控制，主要的目的是提高設計的可靠性。

基于風險與壽命的設計 （RBD）理念就是承壓設備設計壽命 （預定的使用壽命）內，考慮全壽命過程中動態服役條件下可能出現的各種失效模式及其失效機理，考慮風險對設備安全性與壽命的影響，通過合理選材、改進結構設計和優化制造工藝等措施，在設計、制造的早期控制和降低承壓設備在全壽命過程中的風險，并且結合工藝流程采取其他的有效措施，使其安全服役到預定的設計壽命。

在我國對所有的承壓設備都采用RBD方法來進行設計，既不現實，也無可能，但對影響國家能源經濟的重要行業 （如石化、電力等企業）的大型、高參數、高危險性重要承壓設備開展RBD方法研究卻是非常必要的。在這些設備上應用RBD方法，在設計、制造階段就按預定的壽命進行事先評估并控制設備在使用中的風險，將全過程風險和壽命要求與設備選材和設備制造工藝相結合，考慮設備系統對設備的保障措施，考慮操作、開停車過程和維修的具體要求，用系統工程學來保證設備在設計壽命內的長周期安全運行。

3 核承壓設備設計中應用風險評估技術的思考

核電是關系到國家能源經濟的重要行業。核電因其存在著潛在的放射性危害，使得對核承壓設備的安全性、可靠性和有效性提出了比一般民用壓力容器更高的要求。也就是說，核電更需要考慮其壽命周期內可能出現的各種失效模式及其失效機理，從而有針對性地通過改進設計來降低各種風險，以確保其長周期安全運行。

3.1 核承壓設備存在的風險特征

核承壓設備的工作條件 (如工作壓力、工作溫度、中子輻射、介質毒性和爆炸危害程度等)決定了其固有的危險特性，其危險程度取決于設備蘊含的能量 (用設計壓力P和容積V或PV值表示)和介質危害性的釋放 (介質特性)。也就是說，核承壓設備作為危險源具有其固有的危險因素和潛在的危險性。化學介質的毒性、化學介質對金屬和非金屬材料的腐蝕性、火災危險性、物理性爆炸和化學性爆炸、噪聲等都是危險因素[8]。此外，核承壓設備所特有的中子輻射危害更是需要十分重視和預防的危險因素。這些危險因素都可能引發人員傷亡、財物損毀、環境污染、能源浪費等風險事件。

總體來說，核承壓設備的危險源的種類主要有毒物釋放 （放射性物質歸類為毒物）、火災、爆炸、泄漏窒息等四類。

核承壓設備存在著風險。核承壓設備的失效形式就是其風險的直接表現。核承壓設備的失效是由于壓力或其他載荷超過許用極限而喪失正常工作能力導致的。失效必將產生危害，盡管其失效形態多種多樣。核承壓設備的失效主要表現為強度、剛度、穩定性和腐蝕失效四種失效形態，這些失效形態不僅從承壓設備的功能和盛裝介質的固有危險性分析有可能出現，人為的或環境的因素也能增加危險事件出現的概率。只有危險成因得到控制，風險才能降低到預期程度。

3.2 核承壓設備設計階段應關注的失效模式

核承壓設備的潛在風險會造成一定程度上的危害，降低風險是設計階段應關注的焦點之一。首先應基于核承壓設備的運行特點分析產生危害的要素和發生危害的可能性，然后分析產生危害的原因，再者確定消除危害的措施并評價措施的有效性、可靠性和經濟性。核承壓設備在完工后和運行期間，由于人員、設備、材料、方法和環境等各種因素的影響，也會產生危害性后果。因此，在設計階段應充分預測并向用戶提供充分的安全保障信息。

核承壓設備所承受的載荷不同，其失效模式是不同的，主要的失效模式有壁厚減薄、焊縫表面開裂、尺寸變化、機械損傷等多種。如果說對一臺在特定工況條件下的承壓設備的主要失效模式還可以進行理論上的分析判斷的話，那么對其失效可能性的預測則更加困難。對風險控制的措施有許多種，如設計上的周密考慮、生產中嚴格的設備工藝操作規程和日常巡檢維護措施、定期檢驗措施等。對危險性較高的核承壓設備而言，進行風險評估無疑是十分重要的和完全必要的。這也是貫徹國家關于安全、環保等方面政策的具體舉措。但對設備設計人員而言，在具體的實施過程中可能還有許多困難，比如風險分析報告的格式、內容、深度等都需在具體的實施過程中不斷完善。當然，這些都可以借鑒民用壓力容器領域的經驗，并針對核電領域的特殊要求和工況進行調整。

我國目前正在制定 《承壓設備損傷模式識別》標準，擬提出一套比較完整的、合適我國承壓設備現狀的損傷模式和識別方法，其內容主要包括承壓設備主要損傷模式、失效機理、影響因素、敏感材料、可能發生失效的設備或構件、檢測方法等。此套標準的完善，必將有效地促進我國核承壓設備設計階段風險評估技術的發展。

4 結束語

核承壓設備設計階段的風險評估受到了越來越多設計者的重視，也漸漸地在各種場合被提及，各核電設計院包括國家核安全局都在關注此問題。核承壓設備設計階段的風險評估技術對提高核電安全，保證設備和系統的可靠性，都具有十分現實的意義。相信在各方不斷地努力下，在對風險評估技術認知的不斷加深下，核承壓設備設計階段的風險評估將逐步地引入和實施，從而提高核承壓設備長周期安全運行的能力。

[1] 陳學東，王冰，楊鐵成，等.基于風險的檢測 （RBI）在 中國石化企業的實踐及若干問題討論 [J].壓力容器，2004，21 （8）： 39-45.

[2] 國家質檢總局國質檢特 [2006]198號.關于開展基于風險的檢驗 （RBI）技術試點應用工作的通知 [S].

[3] 艾志斌，楊鐵成，陳學東，等.應用RBI技術提高我國石化裝置承壓設備安全性保護的水平 [A].見：第一次全國工程風險分析技術學術會議論文集 [C].南京，2006：21-31.

[4] 陳學東，楊鐵成，艾志斌，等.基于風險的檢測 （RBI）在實踐中若干問題討論 [J].壓力容器，2005，22（7）： 36-44.

[5] 陳學東，艾志斌，李景辰，等.壓力容器風險評估技術在國家安全技術規范中的采用 [J].壓力容器，2008，25 （12）：1-4.

[6] TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2010.

[7] 陳學東，艾志斌，楊鐵成，等.基于風險的檢測 （RBI）中以剩余壽命為基準的失效概論評價方法 [J].壓力容器，2006，23 （5）： 1-5.

[8] 馬德金.壓力容器設計階段風險評估的初步研究 [J].廣州化工，2010，38 （8）：247-249.