風險評估技術在丙烯腈裝置的應用研究

薛利杰

摘 要：通過運用風險評估技術，對某化工企業丙烯腈裝置失效后果和失效概率進行定量分析，確定該裝置潛在的損傷機理及其嚴重程度，結合腐蝕回路和物流回路的科學有效劃分，確定了該裝置內中高及以上風險的壓力容器及管道，以及在兩個檢驗周期內風險分布及變化情況，風險分析的結果為提高檢驗有效性提供數據支撐，為企業加強日常管理提供科學依據。

關鍵詞：基于風險的檢驗；丙烯腈裝置；損傷機理；應力腐蝕

1概況

風險管理是在經濟與社會效益、風險和費用的三度空間中尋求達到風險最小，效益最大的目標。石化裝置中基于風險的設備完整性管理主要包括RBI（Risk-Based Inspection）、RCM（Reliability-Centered Maintenance）以及SIL（Safety Integrity Level），RBI、RCM與SIL共同構成了基于風險的設備管理方法的核心內容，是確保裝置安全的最重要手段。基于風險的檢驗（RBI），是在風險分析基礎上，找出薄弱環節，以確保本質安全和減少運行費用為目標，優化檢驗策略的一種管理方式。本項目主要對化工企業丙烯腈裝置進行風險評估，該裝置采用丙烯氨氧化法生產丙烯腈，共包含反應部分、精制部分、廢水處理、硫銨濃縮單元、催化劑沉降系統、制冷單元、乙腈單元等工段。前，丙烯腈裝置于2012年開始投料生產，整個裝置工藝穩定，設備運行良好，整個單元計劃于2019年進行定期檢驗。

2損傷機理分析

丙烯腈裝置主要工藝介質為丙烯、合成氨、空氣、硫酸、醋酸等，丙烯腈裝置潛在的損傷模式主要為減薄、環境開裂、外部腐蝕、材質劣化等，主要損傷機理為內部腐蝕減薄、氯化物應力腐蝕開裂、氨應力腐蝕開裂、大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、珠光體球化等。

2.1內部腐蝕減薄

內部腐蝕減薄主要是由內部介質引起的腐蝕，金屬材料本體發生損失引起壁厚減薄，存在均勻或局部腐蝕兩種不同形態，丙烯腈裝置中的內部介質引發的腐蝕，正常情況下腐蝕的速率比較低。

2.2氯化物應力腐蝕開裂

由于丙烯腈生產工藝中可能含有氯離子，并且該裝置部分使用了不銹鋼建造的壓力容器和管道，因此氯化物應力腐蝕開裂是潛在的損傷形式。氯化物應力腐蝕開裂影響因素主要包括材料、應力、濃度、溫度、pH值等，在多種因素綜合具備下，產生起源于表面的開裂，不會引起明顯的減薄，這些裂紋主要呈現分叉、樹枝狀。

2.3氨應力腐蝕開裂

壓力容器或管道材質為碳鋼和低合金鋼，在介質為無水液氨中的環境下，容易發生氨應力腐蝕開裂。對于碳鋼或低合金鋼，主要影響因素包括殘余應力、溫度、含水量和雜質等。對于材質為碳鋼，又未進行過熱處理，這種情況下，焊縫金屬和熱影響區在液氨中都可能發生開裂。對于銅合金，大多數情況會發生表面開裂，裂紋沿晶或穿晶擴展，裂紋中存在淺藍色腐蝕產物。

2.4外部腐蝕

包括無隔熱層大氣腐蝕和有隔熱層大氣腐蝕兩種形式。無隔熱層大氣腐蝕是未敷設覆蓋層的金屬在大氣中發生的腐蝕，對于碳鋼和低合金鋼，其損傷形態遭受腐蝕時主要表現為均勻減薄或局部減薄，影響因素主要有大氣成份、濕度、溫度等。有隔熱層的大氣腐蝕是指敷設隔熱層等覆蓋層的金屬在覆蓋層下發生的腐蝕，又稱層下腐蝕。對于碳鋼和低合金鋼，其遭受腐蝕時損傷形態主要表現為覆蓋層下局部減薄，其主要影響因素主要有大氣成份、結構和覆蓋層質量、溫度、運行周期、高濕度區域等。

2.5珠光體球化

材料在高溫（440℃～760℃）長期使用過程中，珠光體中滲碳體（碳化物）形態由最初的層片狀逐漸轉變成球狀的過程。受影響的常用碳鋼和低合金鋼，主要影響因素包括溫度、微觀組織。目視檢測一般不能發現球化，主要通過金相分析判斷。材料因球化而強度降低，強度下降最大降幅可達30%，同時延展性一般會增大，應力集中區域會發生變形。

2.6其他損傷

丙烯腈裝置中還包括其他損傷，如沖蝕、振動疲勞等。

3物流回路和腐蝕回路劃分

物流首先按單元的工藝流程來進行劃分，物流組份主要根據單元初始工藝設計資料、流程以及分析數據等來確定，共劃分為48個物流。腐蝕回路劃分主要按照裝置主工藝流程和腐蝕特征來劃分，劃分的依據是基于：相同或相似的工藝介質操作條件+相同的設備或管道材質會產生相似的腐蝕機理，基本上同一個腐蝕回路中的設備及管道具有相似的選材及腐蝕特性。

4風險分析結果

2024年與2019年的分析結果相比較，有44個容器項的失效可能性類別從1上升到3，對高可能性系數起作用的主要損傷機理是氯化物應力腐蝕開裂；對于管道項，有227條管線的失效可能性類別從1上升到2。對高可能性系數起作用的主要損傷機理是氯化物應力腐蝕開裂和液氨應力腐蝕開裂。

5檢驗策略

根據分析評估的結果，結合損傷機理，采取更有效的檢驗檢測方法，制定更加科學合理的檢驗策略。比如，根據損傷機理來確定應檢查的缺陷類型；根據損傷發生的部位來選擇檢驗部位；根據需檢測的缺陷類型選擇采用何種檢測方法；根據安全與經濟效益協調統一的原則來確定檢驗周期。企業在管理過程中，還需要考慮采取有效降低風險的措施，由于風險是失效可能性與失效后果的組合，因此只要是能降低失效可能性或失效后果的措施都能起到降低風險的作用。可以通過在線檢驗調整風險、提高檢驗有效性調整風險、提高管理水平降低風險等方式降低失效可能性。對于那些由于介質毒性程度高或易燃爆而使設備與管道失效后果等級高的情況，可增加在線監測、有毒物質泄漏報警裝置等安全保護措施，控制易燃、易爆、有毒物質的泄漏和擴散后果，達到降低失效后果的目的。

參考文獻：

[1] GB/T 26610.1—2011，承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第1部分：基本要求和實施程序[S].

[2] 趙國相，田利，郭妍瓊，等.基于風險的檢驗技術在含硫天然氣處理裝置中的應用[J].石油化工設備.