壓力容器與管道風險三維可視化研究*

程 偉，任日菊，趙 蕾3，陳 煒，陳 浩，余 進

(1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥通用機械研究院特種設備檢驗站有限公司，安徽 合肥 230031；3.中石化長輸油氣管道檢測有限公司，江蘇 徐州 221000)

基于風險的檢驗(Risk-based inspection，簡稱RBI，也稱為風險評估)是一種針對材料損傷概率及設備失效的風險和管理過程，對這種風險管理主要通過對設備的檢測來實現[1-5]。

1 二維風險圖

在RBI評估過程中，為了更好地展示石化裝置的風險情況，通常需要繪制石化裝置的風險圖，如圖1所示[6]。

圖1 常頂系統二維風險圖

由圖1可以看出：

(1)二維風險圖可以用來標識設備不同部位的風險；

(2)二維風險圖分別用紅色、黃色、藍色、綠色來標識高風險、中高風險、中風險、低風險；但是二維風險圖卻無法標識設備不同方位的風險，也無法標識管道的風險。

為了直觀全面地標識石化裝置壓力容器和管道的風險，利用三維CAD軟件，對壓力容器與管道進行風險三維的可視化研究。

2 三維建模軟件概況

三維建模軟件有CAD,SolidWorks,Pro/Engineer,Inventor,UG和PDMS等。

SolidWorks和PDMS是現階段石化行業主流的三維建模軟件；但對計算機硬件要求較高，且軟件價格較昂貴。三維CAD軟件對計算機硬件要求不高，但具備了最基本的三維建模功能，可以用于壓力容器與管道風險三維可視化研究。

三維CAD軟件的優勢在于：可以對最基本的建模單元(比如管道、接管和法蘭)進行各種各樣的編輯，適合于繪制單個設備或者小型的石化單元。而SolidWorks和PDMS則適合繪制石化廠或者成套石化裝置的三維建模，由于這些軟件中各種建模單元已經進行了定制，所以不宜對最基本的建模單元進行編輯。

3 壓力容器與管道三維風險可視化

3.1 壓力容器三維風險可視化

根據生產工藝過程中作用原理的不同，壓力容器分為反應容器、換熱容器、分離容器及儲存容器。最常見的壓力容器包括反應器、塔器、換熱器及罐。在對常減壓蒸餾裝置進行RBI評估過程中發現：常壓塔頂回流罐的上部主要與塔頂油氣接觸，而下部則經常與油接觸，腐蝕機理不同，風險也不一樣。利用三維CAD軟件繪制某石化廠常壓塔頂回流罐的三維模型，如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可以看出：三維風險圖不僅可以標識常壓塔頂回流罐上、下部位的風險，還可以標識出回流罐上主要接管的風險。

圖2 臥罐三維風險圖(正視圖)

圖3 臥罐三維風險圖(側視圖)

對換熱器進行RBI評估，會得到管箱、殼體和管束的風險，而二維的風險圖僅能標識出管箱和殼體的風險，無法標識管束的風險。利用三維風險圖，可以標識管束、管板、浮頭及接管的風險，如圖4和圖5所示。

圖4 換熱器整體三維風險圖

圖5 換熱器管束三維風險圖

三維風險圖同樣采用不同顏色來標識不同的風險,但不同之處在于：(1)三維風險圖可以標識接管的風險；(2)三維風險圖可以標識設備不同部位的風險，比如常壓塔頂回流罐上部分、下半部分風險(圖2和圖3)；(3)三維風險圖還可以標識一些二維風險圖無法標識的設備部件的風險，比如換熱器管束、管板和浮頭等(見圖4和圖5)。

3.2 壓力管道風險三維可視化

二維風險圖無法標識壓力管道的風險，一方面設備和設備之間可能存在多條管線，而在二維風險圖上設備和設備之間只能繪制一條管線；另一方面，一條管道一般都包含若干個管道組成件，而這些管道組成件的風險也未必一致。

在對石化裝置進行RBI評估過程中，不僅會得到壓力容器的風險，還會得到壓力管道的風險，為了形象、直觀地展現壓力管道的風險，利用三維CAD軟件，對壓力管道進行了風險三維可視化研究。

在檢驗檢測過程中，經常發現管道彎頭外側出現減薄，與彎頭內側相比較，彎頭外側風險更高，為了更好地標識彎頭的風險情況，利用三維CAD軟件，繪制某石化廠某個彎頭三維風險圖，如圖6所示。

圖6 彎頭三維風險圖

為了更好地展示一條壓力管道上不同管道組成件的風險，利用三維CAD軟件，繪制某石化廠某條管道的三維風險圖，如圖7所示。由圖7可以看出：壓力管道的三維風險圖，不僅可以標識同一條管道上不同管道組成件的風險，還可以標識管道組成件上不同方位的風險。

3.3 常壓塔頂冷凝系統風險三維可視化

采用三維CAD軟件，對某石化廠常頂系統進行三維建模，并根據RBI評估風險[6]，標識其三維風險，如圖8所示。局部放大，如圖9所示。

圖7 管道三維風險圖

圖8 常頂系統三維風險圖

圖9 局部三維風險圖

由圖8和圖9可以看出：常壓塔頂冷凝系統三維風險圖不僅直觀展示了該系統設備與管道的布置情況，還標識了該系統設備與管道的風險情況，方便管理人員更快捷地查找，了解設備和管道風險，提升管理水平。

4 結束語

(1)三維建模軟件眾多，三維CAD軟件適用于繪制單個設備或者小型的石化單元，而SolidWorks和PDMS則適合繪制石化廠或者成套石化裝置的三維建模。

(2)通過RBI評估技術，確定壓力容器與管道的風險，并繪制風險圖。現有的二維風險圖，雖然繪制耗時較少，可以簡單展示壓力容器的風險，但無法標識壓力容器不同方位的風險，無法標識設備接管的風險，更無法標識管道的風險。

(3)采用三維CAD軟件，繪制壓力容器與管道的三維風險圖，不僅可以直觀地展示壓力容器與管道的風險，還可以標識壓力容器與管道不同方位的風險、進而可以標識接管的風險、可以標識管線上各個管道組成件的風險。三維風險圖，還有利于設備管理人員更好地查找壓力容器與管道的風險，提升設備管理水平。