從風險評估到風險防控 科技攻關推動承壓設備安全科技工作迎來新業態

壽比南 邵珊珊 賈國棟 謝國山

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家質量監督檢驗檢疫總局 北京 100088）

從風險評估到風險防控 科技攻關推動承壓設備安全科技工作迎來新業態

壽比南1邵珊珊1賈國棟2謝國山1

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家質量監督檢驗檢疫總局 北京 100088）

自“七五”以來，通過承壓設備安全科技工作，在極限及結構安定性分析、含缺陷結構安全性評價、剩余壽命預測、基于風險的檢驗、聲發射和電磁無損檢測等方面取得了大量的科研成果，構建了基于風險的承壓設備安全保障技術體系。但隨著設備高參數化、超期服役設備不斷增加和物聯網、大數據等技術的發展，現有安全保障體系面臨著新的機遇和挑戰。十三五期間，國家重點專項“高參數承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究”項目獲得立項。該項目將實現高參數承壓設備安全科技工作從“風險評估”到“風險防控”的重點轉變，推動承壓設備安全科技工作迎來新業態。

高參數 承壓設備 安全保障體系 風險防控

承壓類特種設備包括鍋爐、壓力容器和壓力管道等，是影響國民經濟和密切聯系人們生活的重要基礎裝備，在石油、化工、電力、機械、冶金、船舶、交通、輕工、建材、醫藥、航空航天等行業廣泛應用。據國家質檢總局統計，截至2015年底，全國承壓類特種設備總量達398.58萬臺，其中鍋爐57.92萬臺、壓力容器340.66萬臺，另有氣瓶13698萬只、壓力管道43.63萬公里［1］。承壓類特種設備種類多樣、涉及面廣、綜合性強，事故后果及影響巨大，直接關系到生產安全、經濟發展和社會穩定，是各國公共安全領域的關注焦點。

1 以科研帶動發展，構建承壓設備安全保障體系

承壓類特種設備安全科技工作始于“七五”科研攻關階段。80年代初期，通過普查發現我國近40萬臺壓力容器存在各種嚴重缺陷，按法規標準規定應報廢更換，測算約需200～400億元資金并占用全國壓力容器制造能力2～3年時間，如果采取在全面檢驗的基礎上進行徹底修復和部分報廢、更新，也需100～200億元，這顯然是不切實際的［2］。因此，“七五”和“八五”期間，針對上述問題開展了帶缺陷壓力容器安全性評定研究工作，建立了科學的評估方法，研究成果納入了《壓力容器安全評定規范》［3］和我國特種設備安全技術規范《壓力容器定期檢驗規則》［4］。

“九五”和“十五”主要圍繞壓力管道開展了深入的研究工作。“九五”期間，針對工業管線中近80%的焊縫存在超標缺陷的問題，進行了含缺陷壓力管道的安全評定方法研究，研究成果納入了2004年發布的國家推薦標準《含缺陷壓力容器安全評定》［5］。“十五”期間，針對埋地燃氣管道普遍處于疲于堵漏搶險、無奈盲目更新和監察無規范、檢測無手段、評價無方法的高成本、低成效的被動局面，開展了埋地管道不開挖檢測、腐蝕防護效果評價等研究工作，實現了我國燃氣行業變“被動應急”為“主動預防、科學維護”，研究成果納入了《壓力管道定期檢驗規則：長輸（油氣）管道》［6］和《壓力管道定期檢驗規則：公用管道》［7］。

通過“七五”到“十五”期間的研究工作，基本建立了傳統的承壓類特種設備安全保障技術體系，其基本技術路線為通過檢查和檢測發現缺陷，根據缺陷情況，按照“合于使用”的原則評定承壓設備的安全狀況等級，根據安全狀況等級確定其定期檢驗周期。該體系在解決我國在二十世紀80年代初期壓力容器和二十世紀90年代末期工業管道所面臨的量大面廣的歷史遺留問題，保證承壓設備的安全使用等方面，發揮了極大的作用［8］。

2 引入“風險”理念，建立基于風險的安全保障新體系

隨著我國經濟和社會的快速發展，以及全球經濟一體化和我國加入WTO以后帶來的激烈競爭，成套裝置承壓設備的長周期運行勢在必行。為了實現安全性和經濟性統籌兼顧的目標，我國于本世紀初引入了“風險”的理念?！笆晃濉逼陂g開展了承壓設備損傷模式識別、風險評估等關鍵技術的研究，“十二五”期間對“十一五”的研究工作進行了橫向拓展和縱向深入，圍繞預知檢測、在線檢測和基于風險的管理進行了大量深入的研究，研制了《承壓設備損傷模式識別》［9］、《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》［10］、《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》［11］，《無損檢測 脈沖渦流檢測方法》［12］等國家標準，建立了基于風險的承壓設備安全保障新體系。

與傳統檢驗相比，采用基于風險的檢驗（RBI）技術可更有針對性制訂和優化檢驗方案，降低成套裝置承壓設備的風險，合理規定檢驗周期，節省檢驗成本。RBI技術已被《固定式壓力容器安全技術監察規程》［13-14］和《壓力管道安全技術監察規程 工業管道》［15］采納，實現了我國承壓設備檢驗理念的重大轉變，即從工藝無關到工藝相關、從單臺設備到成套裝置建立系統的檢驗策略、從解決先天不足到防患于未然，從檢測缺陷為先到風險和損傷模式識別為先［16］，對于提升承壓類特種設備長周期運行安全保障技術和能力具有重要的意義，為政府安全監管提供了有力的技術支撐。據統計，“十二五”期間在特種設備數量增長70%的情況下，萬臺特種設備死亡率下降了46%［1］，可見基于風險的承壓設備安全保障新體系在提高產品質量、保障生產和公共安全、降低事故率等方面發揮了重要作用。

3 設備高參數化，“風險評估”體系面臨新挑戰

隨著國際經濟形勢快速變化、我國科技自主創新能力提高和能源結構調整，現有承壓設備安全保障技術體系面臨新的挑戰。一是承壓類特種設備不斷向高參數方向發展，設計邊界不斷拓展，如出口壓力為35MPa，出口溫度達到630℃的電站鍋爐；內直徑達5000mm、壁厚達到340mm，工作壓力為20MPa、工作溫度為454℃的煤液化加氫反應器；設計溫度達-253℃的300m3液氫儲罐等。為應對設計邊界的擴展，新型抗氫鋼、耐腐蝕不銹鋼和耐深冷低溫鋼等新材料，纖維纏繞等新結構，應變強化、超厚鍛件焊接等新制造技術大量應用。承壓設備高參數化帶來了一系列新的問題，如超高壓容器的腐蝕疲勞損傷、高溫容器的蠕變疲勞損傷、深冷容器的脆性斷裂等，對承壓設備的設計、制造、使用安全管理和政府安全監管都提出了更高要求。

二是復雜環境下設備的損傷機理研究有待進一步深入。由于生產工藝的復雜性，很多設備在復雜介質環境下服役，其失效往往不是單一損傷導致的，如煤化工下游聚甲醛裝置中甲酸+硫酸、甲酸+三聚甲醛，煤化工、制氫裝置中CO2+H2S+Cl，制氫、柴油加氫裝置中Cl-+OH-等復雜介質環境下的腐蝕，電站鍋爐中高溫腐蝕與磨損、變形組合損傷，都是承壓設備長周期運行的安全不確定因素。國內外普遍采用基于失效模式的設計方法，復雜環境下失效是由哪些損傷機理主導的，其表征方法、主要影響因素和防護措施都是關注的焦點，有待進一步深入、系統的研究。

三是超期服役承壓設備不斷增加。由于改革開放以后我國經濟快速發展和需求增加，我國在上世紀80-90年代興建了一大批石化裝置，如僅1984年就批準了中石化大慶、揚子、齊魯、鎮海、寧夏、烏魯木齊和上海石化等7個大型項目。當時投產的承壓設備已接近或超過設備設計壽命（一般為10～25年），逐步步入老舊階段。盡管法規規定超期服役設備經檢驗合格并辦理使用登記證書變更后仍可繼續使用，但超期服役設備的損傷累積（如疲勞、材質劣化等）更為嚴重，安全風險也將急劇增加。目前對超期服役設備安全狀況的科學研究不足，沒有相關標準和法規條文對超期服役承壓設備所需開展的檢驗和評價工作進行詳細的規定，導致超期服役設備的使用和檢驗缺乏有效的依據和技術支撐。

此外，隨著政府簡政放權、行政許可改革、標準化改革等舉措實施，我國已開展特種設備安全技術規范和國家標準的精簡整合工作，目標是要明確承壓類特種設備在設計、制造、使用維護等各環節的基本安全要求，厘清法規和標準的關系，為承壓類特種設備安全保障體系的完善帶來了新的挑戰。與此同時，互聯網+、大數據和物聯網等技術的發展，也為承壓類特種設備安全監管帶來了一系列新的機遇，如與信息技術相融合的檢測、監測儀器裝備研發，以物聯網為基礎的安全監管數據的采集、傳輸和儲存，以大數據、云計算為基礎的數據分析與挖掘等將是未來的研究熱點［17］。

因此，探索將安全保障技術體系從“風險評估”向“風險控制和預防”轉變，從承壓設備的設計制造等早期階段預防安全風險、在服役階段降低和控制安全風險，并結合物聯網、大數據等技術對承壓設備進行科學高效的安全監管，成為“十三五”期間承壓類特種設備安全科技工作的重點。

4 安全管控關口前移，探索“風險控制和預防”新業態

2016年7月，由中國特種設備檢測研究院為牽頭單位，由合肥通用機械研究院、西安交通大學、北京航空航天大學、華東理工大學、武漢大學、上海發電設備成套設計研究院、寶山鋼鐵股份有限公司、浙江大學、南京工業大學、中國石化工程建設有限公司等29家單位組成的國家特種設備安全檢測與評價重點領域創新團隊在“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項領域提出的“高參數承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究”項目（編號：2016YFC0801900）獲得科技部批準立項。

該項目總體目標為建立高參數承壓類特種設備全壽命周期的風險防控技術方法體系，從承壓設備的設計制造等早期階段預防安全風險、在服役階段降低和控制安全風險，并結合物聯網、大數據等技術對承壓設備進行科學高效的安全監管，構建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險防控和應急平臺，使安全管控關口前移，實現安全保障技術體系從“風險評估”向“風險控制和預防”的重大轉變。

該項目針對我國鍋爐、壓力容器和管道等高參數承壓類特種設備安全保障重大需求，針對全壽命周期內的風險防控和治理中存在的科技瓶頸難題，重點研究承壓設備典型材料組合損傷機理、表征、演化規律，基于損傷和失效模式、安全狀態參數的風險控制理論等基礎共性問題，支撐全壽命周期設計、制造、服役、監管各環節的關鍵技術研究，主要包括：1）典型材料及焊接接頭的高溫損傷的定量評價、分級及早期診斷技術；2）基于失效模式的承壓設備風險防控設計方法和制造技術；3）嚴苛服役環境下承壓設備系統風險控制技術（含成套裝置和電站鍋爐）；4）超期服役設備安全分級、壽命預測及延壽技術；5）基于大數據的承壓類特種設備宏觀安全風險防控和事故應急處置技術等關鍵技術難題。

項目通過分析高參數下典型材料損傷機理和演化規律等，為設計、制造、服役、監管等環節的風險防控技術研究奠定基礎。在建造階段，重點研究材料性能控制、結構優化設計、制造工藝篩選等關鍵技術，突出本質安全與風險預防；在服役階段，重點研究檢測監測、安全評價、壽命預測、損傷修復等關鍵技術及儀器裝備，突出風險控制與治理；在政府技術支撐和社會化服務方面，構建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險防控和應急平臺，建立并完善高參數承壓設備“設計、制造、使用、檢驗檢測、政府監管”全壽命周期的安全保障技術體系，項目課題設置和技術路線如圖1所示。

圖1 項目課題設置和技術路線

通過該項目的研究工作，預期形成高參數承壓設備設計制造、在線檢測監測、壽命預測和延壽、風險控制、安全監管等方面的新方法49項，制修訂特種設備安全技術規范5項、國家或行業標準12項，研發試驗裝置、設備或樣機15臺/套，申請國家發明專利38項。一方面可以在高溫設備蠕變疲勞、低溫設備防脆斷設計方法和大型LNG接收站中間流體高效汽化器、符合材料高壓容器制造技術方面擁有自主知識產權，打破國外的壟斷，創造巨大的經濟效益；另一方面將實現我國高參數承壓類特種設備安全科技工作從“風險評估”向“風險防控”轉變，形成承壓設備設計、制造、使用維護、檢驗檢測、政府監管等全鏈條風險管理的閉環，顯著提升我國高參數承壓設備風險防控和治理的技術能力和裝備，為防止重特大安全事故、促進安全生產和政府安全監管提供有力的技術支撐。

［基金支持：本項目由國家重點研發計劃2016YFC0801900項目資助］

［1］ 質檢總局關于2015年全國特種設備安全狀況情況的通報［Z］.

［2］ 陶雪榮，沈功田，俞躍，等.特種設備安全科技發展回望［J］.中國特種設備安全，2015，31（6）：22-32.

［3］ SAPV—95 壓力容器安全評定規范［S］.

［4］ TSG R7001—2004 壓力容器定期檢驗規則［S］.

［5］ GB/T 19624 在用含缺陷壓力容器安全評定［S］.

［6］ TSG D7003—2010 壓力管道定期檢驗規則：長輸（油氣）管道［S］.

［7］ TSG D7004—2010 壓力管道定期檢驗規則：公用管道［S］.

［8］ 陳鋼，賈國棟，謝鐵軍，等.關于完善我國壓力容器壓力管道定期檢驗規范體系的思考［J］.壓力容器，2006，24（8）：40-44.

［9］ GB/T 30579—2014 承壓設備損傷模式識別［S］.

［10］ GB/T 26610.1～5 承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則［S］.

［11］ GB/T 18182—2012 金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法［S］.

［12］ GB/T 28705—2012 無損檢測 脈沖渦流檢測方法［S］.

［13］ TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.

［14］ TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.

［15］ TSG R0001—2009 壓力管道安全技術監察規程長輸管道［S］.

［16］ 邵珊珊，賈國棟，謝國山，等.我國在役承壓設備檢測評價法規標準體系進展［J］.中國特種設備安全，2016，32（6）：9-13.

［17］ 劉三江.“互聯網+”催生特種設備智能檢驗新業態——對新形勢下開展特種設備檢驗工作的思考［N］.中國質量報，2016-3-24（3）.

From Risk Evaluation to Risk Control and Prevention - Research Promotes New Type of Business of Pressurized Equipment Safety Scientific and Technical Study

Shou Binan1Shao Shanshan1Jia Guodong2Xie Guoshan1
（1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）
（2. General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China Beijing 100088）

From the 7th “Five Years” period， many research achievements （e.g. structure collapse and shakedown analysis， safety assessment of structure containing defects， residual life prediction， risk-based insoection，acoustic emission and electromagnetic nondestructive testing， etc.） have been obtained. The risk-based safety guarantee system of pressurized equipment has been established. However， with the development trend of higher parameter， the increasing quantity of extended service pressurized equipments， the development of internet of things and big data technology， the safety guarantee system faces new opportunities and challenges. During the13th “Five Years” period，the national key research and development program “The key technical research on rish prevention and management of high parameter pressurized equipment” was approved. This program will promote the safety technical study change from “Risk evaluation” to “Risk control and prevention” and usher the new type of business.

High parameter Pressurized equipment Safety guarantee system Risk control and prevention

X924

B

1673-257X（2016）10-0001-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.001

壽比南（1957～），男，研究員，從事特種設備安全和承壓設備標準化技術工作。

2016-10-04）