成套裝置基于風險的預知性檢驗及智慧管理

曹邏煒 謝國山 莊法坤

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

世界上大型事故損失有一半來自于煉油化工行業，如2005年BP美國煉油廠爆炸，2010年蘭州石化化工廠爆炸等。對石化設備事故及失效原因的統計結果顯示：機械失效41%、自然災害6%、操作失誤20%、工藝波動6%、設計失誤4%、破壞行為/縱火3%、不明原因18%。其中，機械失效、工藝波動均與檢驗與維護相關，占據比例約達50%［1-2］。

目前，石油化工設備管理依托的傳統檢驗模式在實踐過程中存在諸多弊端［3］，包括：

停車檢修期間進行，往往僅為滿足法規要求被動檢驗。

未根據實際情況和失效模式進行有區別性、針對性地檢測。

檢測過程不分重點，存在某些關鍵設備檢驗不足，而低風險設備卻檢驗過度的問題。

檢驗發現的部分問題難以在檢修期間整改，缺乏預知性。

裝置的生產計劃檢修周期與法定檢驗周期不一致、不匹配。

停工檢修工期短，急需通過在線檢測的方式實現定期檢驗的要求。

為解決以上問題，亟須結合當前智慧化、標準化和信息化的技術發展趨勢，實現檢驗模式由傳統檢驗向預知性檢驗的轉變。

1 基于風險的預知性檢驗

1.1 預知性檢驗概述

預知性檢驗是在基于風險的檢驗（RBI）基礎上發展起來的一項技術，它針對設備延期、登記注冊、隱患排查和優化檢驗等目標［2］，以TSG-2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱大容規）為基礎，以損傷模式識別、風險分析、腐蝕檢查和流場分析為技術手段，最終給出最優化的檢驗時間、檢驗設備、檢驗部位和檢驗策略。

1.2 預知性檢驗主要內容

1.2.1 什么時間檢

參照《大容規》中定期檢驗部分，要求金屬壓力容器一般于投用后3年內進行首次檢驗，以后的檢驗周期由檢驗機構根據壓力容器的安全狀況等級給出，一般是安全狀況等級1、2級的每6年檢驗一次，3級每3～6年檢驗一次，4級的監控使用且累計監控使用時間不得超過3年，安全狀況等級為5級的應當對缺陷進行處理，否則不得繼續使用。而對于非金屬壓力容器，首檢要求在1年內進行，按照其安全狀況等級，1級3年一檢，2級2年一檢，3級監控使用，累計不超過1年，4級則不得繼續使用當前介質［4］。

《大容規》還規定了檢驗周期縮短、檢驗周期延長以及無法進行或不能進行定期檢驗的壓力容器等特殊情況。比如，安全狀況等級為1、2級的金屬壓力容器，當介質腐蝕速率低于0.1mm/a時且有可靠的耐腐蝕金屬襯里或熱噴涂金屬涂層時，通過1～2次定期檢驗，確認腐蝕輕微或者襯里完好，其檢驗周期最長可延長至12年［4］。

但對于實施RBI的壓力容器，可以采用以下方法確定其檢驗周期：

參照上述檢驗周期，根據壓力容器風險水平延長或縮短檢驗周期，但最長不得超過9年（這是基于風險的檢驗周期，非定期檢驗周期，下同）。

以壓力容器的剩余使用年限為依據，檢驗周期最長不超過壓力容器剩余使用年限的一半，并且不得超過9年。

因此，預知性檢驗的時間需要參考RBI檢驗周期、政府法規要求，以及工廠整體的大修計劃或周期來綜合制定。

1.2.2 什么設備檢

預知性檢驗通過對評估范圍內覆蓋設備的風險計算，給出評估設備的風險矩陣，如圖1所示，給出容器、管道和安全閥在高風險、中高風險、中風險和低風險的數量分布，如圖2所示。最終，如圖3所示，在企業中10%的設備占據了94%的風險。因此，預知性檢驗針對的是數量占比少量的高風險、中高風險和部分后果稍高的中風險設備，這些設備的累積風險值卻占據了所有設備總風險的90%以上甚至更高，能極大地節約檢驗資源［2］。

圖1 評估范圍內覆蓋設備的風險矩陣

1.2.3 什么部位檢

不同于基于風險的檢驗，預知性檢驗還需要確定在什么部位檢的問題，這就需要借助損傷模式識別、腐蝕檢查和流場分析等技術（如圖4），對于腐蝕檢查過程中的重點損傷部位、流場模擬過程中的沖刷或腐蝕嚴重部位進行重點檢驗。

圖2 設備風險數量分布

圖3 設備累計風險與設備數量的關系

圖4 預知性檢驗部位確定技術

1.2.4 什么方法檢

預知性檢驗的檢驗策略包括在線和停車檢驗檢測。宏觀檢查和壁厚測定是最基本的檢驗方法，損傷模式為應力腐蝕開裂的部位或焊縫部位應進行一定比例的無損檢測。最終需要根據設備的損傷模式及不同檢測方法對損傷模式的檢驗有效性來確定檢驗方法。在此基礎上，應適當選擇應用一些檢驗新技術，如導波檢測（適用于在線檢測或高空、穿越管道的檢測）、TOFD檢測（剩余高壓或大厚壁檢測）、聲發射檢測（適用于在線檢測）。對于一些材質劣化的管道（如高溫蒸汽管道），在金相檢查和硬度檢查后，還可應用最新的現場力學性能在線檢測設備或小試樣法進行表面力學性能的評估，以判斷強度是否合格。最后，應當結合現場實際情況選擇最優化的檢驗方法。

1.3 基于風險的預知性檢驗技術應用

北方某石化企業，針對公司主體煉油裝置，通過預知性檢驗技術，共篩查主體裝置中的1 033條管道，占RBI評估總數4 631條的22%，加上到期應檢的管道1 683條總計共篩查了2 716條管道，僅占管道總數5 163條的52%。在檢驗檢測結果的基礎上，通過剩余壽命計算建議對161條管線在大修時對減薄嚴重部位進行了更換。通過預知檢驗技術應用，直接費用節省1/3以上［5］。

2 預知性檢驗相關標準體系的建立

預知性檢驗技術得以實施的重要基礎是相關標準體系的建立，標準體系是與檢驗過程的關鍵技術或步驟一一對應的，如圖5所示。比如，對應檢驗過程中的危險源識別（損傷識別）的是GB/T 30579-2014《承壓設備損傷模式識別》，對應制定檢驗策略的是GB/T 26610《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》等風險評估標準，缺陷處理這塊對應的是《合于使用評價》（報批稿）標準，檢測結果匯總、檢驗周期這塊又對應的是GB/T 33578-2017《成套裝置基于風險的檢驗細則》（乙烯裝置、催化裂化裝置）等成套裝置檢驗實施細則。

3 預知性檢驗的智慧管理

預知性檢驗的智慧管理主要包括四個方面內容，即損傷自動識別、風險動態更新、腐蝕超標預警和策略優化輸出。

3.1 損傷自動識別

根據GB/T 30579《承壓設備損傷模式識別》中的重要損傷描述以及GB/T 26610《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》中的損傷判別規則，可以根據材料類型、環境狀態和介質情況對設備損傷及其敏感性進行自動識別，如圖6所示。

3.2 風險動態更新

風險動態更新技術的可行很大程度上取決于該企業設備管理和工藝管理的信息化程度。該技術很重要的一點就是需要通過接口技術連接企業已有的各大系統，從中定期獲取設備運行數據、工藝分析數據、腐蝕監測數據、缺陷/故障登記數據以及設備基礎信息數據的滾動更新（如圖7），從而達到設備風險的動態計算。

3.3 腐蝕超標預警

根據靜設備腐蝕監控數據接口，可定期讀入EM系統中的在線測厚、腐蝕探針、離線測厚人工輸入數據，根據系統內置的腐蝕超標厚度臨界值，系統就可以自動預警設備的腐蝕超標情況，如圖8所示。

3.4 策略優化輸出

圖5 檢驗過程與對應規范或標準［3］

圖6 損傷及其敏感性自動判別［5］

圖7 用于風險動態更新的靜設備數據監控接口情況［5］

圖8 腐蝕超標預警模塊［5］

預知性檢驗智慧管理中的策略優化輸出主要包括檢驗周期（檢驗時間）、檢驗設備、檢驗部位和檢驗方法等內容。檢驗周期可以綜合法規標準和基于動態風險的推薦周期綜合確定；檢驗設備主要考慮動態風險計算過程中的高風險、中高風險以及部分高后果的中風險設備，因為風險是動態更新的，所以檢驗設備的輸出也會隨著時間有所變化；檢驗部位的確定取決于腐蝕探針、在線測厚等手段的布置密度，系統無法在這一塊優化升級，根據以上信息，再結合RBI標準，系統針對不同損傷機理和不同風險的設備可以給出最優化的檢驗方法。

4 展望

將設備基于風險的預知性檢驗與停工腐蝕檢查、在線或離線狀態監測、失效分析、壽命評估、判廢、故障搶修處理等專業管理工作進行整合，將專業技術與信息化技術結合，并與客戶現有信息管理系統相銜接和信息分享，依托標準和數據庫，實現設備預知性檢驗及后續評價管理的信息化、標準化和智慧化。

［1］沈功田，賈國棟，錢劍雄. 特種設備安全與節能2025科技發展戰略［M］. 北京：中國質檢出版社&中國標準出版社，2017.

［2］曹邏煒. 成套裝置預知性檢驗［R］. 第三屆國際檢驗檢測技術與裝備博覽會特種設備專題會，2015.

［3］賈國棟. 構建智能化、標準化、信息化為一體的石化裝置維護保障新型模式與管理機制［R］. 中石化系統培訓材料，2014.

［4］TSG 21-2016. 固定式壓力容器安全技術監察規程.

［5］曹邏煒. 靜設備預知維修智能管理系統［R］.2015.