基于風(fēng)險的檢驗(yàn)(RBI)在硫磺回收裝置的應(yīng)用

鄧 聰，鄭俊輝，王 磊，胡華勝，李緒豐

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528521)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，特種設(shè)備的使用量也快速增加，特種設(shè)備具有風(fēng)險性和事故易發(fā)性，如果發(fā)生事故，易造成重大的財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡[1]。對特種設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險評估的意義在于，通過分析、論證和評估特種設(shè)備可能產(chǎn)生的損失，提出相應(yīng)的對策措施，有效地預(yù)防事故的發(fā)生，減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[2]。同時要一定程度上避免企業(yè)因檢驗(yàn)過度而造成的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

本文根據(jù)我國特種設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及特征，以某廠磺回收裝置內(nèi)的壓力容器和壓力管道為關(guān)注對象，應(yīng)用基于風(fēng)險的檢驗(yàn)(RBI)的技術(shù)，盡可能減少過度檢驗(yàn)和無效檢驗(yàn)，降低檢驗(yàn)時間和費(fèi)用，并根據(jù)最終的風(fēng)險水平科學(xué)合理地確定檢驗(yàn)周期，實(shí)現(xiàn)裝置的長周期安全高效運(yùn)行[4-5]。

1 基于風(fēng)險的檢驗(yàn)實(shí)施流程

本文針對某廠硫磺回收裝置壓力容器36臺、345條壓力管道實(shí)施基于風(fēng)險的檢驗(yàn)。結(jié)合裝置的工藝、物流、運(yùn)行情況以及歷史檢驗(yàn)報告等，分析其潛在的失效機(jī)理，通過RBI定量分析手段，計(jì)算計(jì)劃全面檢驗(yàn)時間點(diǎn)(2019年4月1日)的失效可能性和失效后果，并得到設(shè)備的風(fēng)險結(jié)果。依據(jù)其風(fēng)險水平，有針對性地制定優(yōu)化檢驗(yàn)策略，并給出所有設(shè)備的延期檢驗(yàn)建議。

圖1 硫磺回收裝置RBI實(shí)施流程圖

2 基于風(fēng)險的檢驗(yàn)(RBI)應(yīng)用

2.1 硫磺回收裝置介紹

硫磺回收裝置采用兩頭一尾設(shè)計(jì)，由制硫、尾氣處理和液硫成型三個部分組成。裝置的設(shè)計(jì)操作彈性為30%～110%。裝置的原料氣來源分兩部分。一部分是來自脫硫聯(lián)合裝置和本裝置TGTU單元再生塔循環(huán)回硫磺回收單元(SRU)的胺酸氣(AAG)；另一部分是來自酸性水汽提裝置的SWS酸氣(SWG)。裝置設(shè)計(jì)年開工時數(shù)按8400小時。

裝置于2009年4月投入使用，已于2011年、2014年進(jìn)行過兩次大修，裝置歷史運(yùn)行情況良好。2015年和2016年年度檢查結(jié)果為符合要求。硫磺回收裝置待評估的特種設(shè)備數(shù)量見表1。

表1 硫磺回收裝置待評估的特種設(shè)備數(shù)量

2.2 物流劃分

硫磺回收裝置物流成分較為復(fù)雜，含H2S、NH3等腐蝕性介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)成分差異，將物流劃分為29種，在表2中列舉了部分物流的典型物流和及其主要成分含量。

表2 硫磺回收裝置物流種類(部分)

2.3 腐蝕機(jī)理分析

根據(jù)設(shè)備和管道的材質(zhì)，綜合考慮物流類別和操作工況，綜合分析得到硫磺回收裝置承壓設(shè)備的損傷模式和腐蝕機(jī)理：

(1)酸性水腐蝕

本裝置酸性氣原料中含H2S、NH3等腐蝕性介質(zhì)，其反應(yīng)形成硫氫化氨，NH4HS在低溫下會析出結(jié)晶，引發(fā)結(jié)垢和堵塞，注水沖洗后則形成酸性水的沖刷腐蝕。腐蝕隨著NH4HS濃度增大和速度加快而增加。濃度超過2wt%時，溶液愈來愈具有腐蝕性。

主要腐蝕區(qū)域：酸性氣進(jìn)料系統(tǒng)、酸性水系統(tǒng)。

(2)濕硫化氫腐蝕

當(dāng)碳鋼和低合金鋼材暴露在含有大約50 mg/L或更多硫化氫的液體水時，發(fā)生濕硫化氫破壞，包括氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)四種形式。

重點(diǎn)腐蝕區(qū)域：酸性氣進(jìn)料系統(tǒng)、溶劑再生塔頂酸性氣系統(tǒng)。

(3)胺腐蝕與胺開裂

①局部減薄

胺腐蝕是局部腐蝕的一種形式，常常發(fā)生于一些用胺處理氣體裝置的碳鋼設(shè)備上。問題出現(xiàn)在再生塔塔底與再生塔底重沸器的沖刷腐蝕，重沸器管束上部承受高速的氣液兩相流速和紊流、出現(xiàn)酸氣閃蒸、空泡腐蝕或者液滴沖擊現(xiàn)象，造成硫化鐵保護(hù)膜破裂與重沸器殼體頂部的汽蝕和上升管彎頭沖刷。

②應(yīng)力腐蝕開裂

胺腐蝕開裂主要發(fā)生碳鋼設(shè)備的高硬度區(qū)和高殘余應(yīng)力區(qū)，金相觀察一般表現(xiàn)為網(wǎng)狀的、細(xì)小的、充滿腐蝕物的裂紋。鐵素體低合金鋼也具有開裂敏感性。開裂一般發(fā)生在強(qiáng)堿且含有很低濃度的酸性氣體的貧烷醇胺溶液中。

重點(diǎn)腐蝕區(qū)域：貧富胺液換熱系統(tǒng)、溶劑再生塔底重沸系統(tǒng)。

(4)高溫硫腐蝕

酸性氣燃燒后的高溫含硫過程氣主組分為硫化物，硫化物在高溫環(huán)境下會對設(shè)備造成高溫硫腐蝕減薄，高溫硫腐蝕通常是一種均勻腐蝕的形式，它可發(fā)生在大約高于204 ℃(400 ℉)的溫度下，在溫度超過240 ℃時腐蝕會隨溫度的升高而迅速加劇。影響高溫硫腐蝕的另外一個重要因素是流速，流速越大，腐蝕速率越大。

重點(diǎn)腐蝕區(qū)域：高溫轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

(5)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

300系列奧氏體不銹鋼和鎳基合金在拉應(yīng)力和氯化物溶液的作用下發(fā)生的表面開裂。影響氯化物應(yīng)力腐蝕的因素有：金屬溫度60 ℃以上、氯化物濃度、殘余應(yīng)力、載荷或結(jié)構(gòu)等造成的局部高應(yīng)力與敏化的材料。材料敏化通常是冷加工后形成的應(yīng)變馬氏體沒有經(jīng)過固溶化熱處理、或在材料敏化溫度下停留。

重點(diǎn)腐蝕區(qū)域：奧氏體不銹鋼設(shè)備及管道。

(6)循環(huán)水腐蝕

循環(huán)水腐蝕通常發(fā)生在水冷器的管程，表現(xiàn)為水銹、水垢，以及垢下的坑蝕和局部腐蝕。

(7)其他腐蝕機(jī)理

保溫層下腐蝕、高溫硫化氫/氫腐蝕(尾氣處理單元加氫反應(yīng)系統(tǒng))、大氣腐蝕。

2.4 風(fēng)險分析

將現(xiàn)場采集的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入中特通用石化裝置工程風(fēng)險分析系統(tǒng)，其中腐蝕速率參考上一檢驗(yàn)周期測厚數(shù)據(jù)計(jì)算得到，涂層和保溫狀況設(shè)定為平均狀況；個別設(shè)備和管道根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行調(diào)整；腐蝕環(huán)境為沿海潮濕氣候；基于GB/T 26610 《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》進(jìn)行分析計(jì)算，得到設(shè)備和管道的風(fēng)險矩陣，如圖2和圖3所示。

圖2 設(shè)備風(fēng)險矩陣圖

圖3 管道風(fēng)險矩陣圖

從圖2、圖3可知，低風(fēng)險的設(shè)備和管道占比分別為61.1%和76.5%，中風(fēng)險分別為30.6%和19.1%，由此可見中風(fēng)險和低風(fēng)險設(shè)備和管道占大不多，裝置總體風(fēng)險可控。高風(fēng)險的設(shè)備和管道占比為5.6%和1.2%，中高風(fēng)險分別為2.8%和3.2%，這部分設(shè)備和管道應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。風(fēng)險等級統(tǒng)計(jì)詳見表3。

表3 硫磺回收裝置設(shè)備及管道風(fēng)險等級統(tǒng)計(jì)

2.5 降低風(fēng)險措施

檢驗(yàn)檢測本身不能改變承壓設(shè)備的損傷機(jī)理和失效模式，但通過RBI 技術(shù)應(yīng)用，可以極大地提高預(yù)測損傷機(jī)理的能力，優(yōu)化檢驗(yàn)資源，達(dá)到降低設(shè)備風(fēng)險水平的目的。

表4所列為硫磺回收裝置中風(fēng)險水平為高的容器和管道。

為保證硫磺回收裝置承壓設(shè)備安全運(yùn)行到下個檢修周期，需要進(jìn)行一次在線檢驗(yàn)，以降低其風(fēng)險水平。進(jìn)行在線檢驗(yàn)的對象是以2019年4月1日為評價時間點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到高風(fēng)險或者實(shí)效可能性大于等于4的設(shè)備。

表4 重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備和管道

這些設(shè)備在日常維護(hù)和監(jiān)控過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，實(shí)施有針對性的防腐、檢驗(yàn)或監(jiān)測手段，防患于未然，如利用渦流測厚技術(shù)和超聲波導(dǎo)波檢測等方法對腐蝕速率大的設(shè)備進(jìn)行腐蝕監(jiān)測。

3 檢驗(yàn)策略的探討

基于風(fēng)險的檢驗(yàn)(RBI)技術(shù)的應(yīng)用目的旨在指導(dǎo)和優(yōu)化檢驗(yàn)，即在滿足即在滿足國家技術(shù)法規(guī)要求的前提下，根據(jù)設(shè)備的風(fēng)險狀況來制定更有針對性的檢驗(yàn)策略，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)檢驗(yàn)“過度檢驗(yàn)”和“檢驗(yàn)不足或無效”的現(xiàn)象。針對該硫磺回收裝置RBI 技術(shù)應(yīng)用的具體情況，參照其他工廠的經(jīng)驗(yàn)，檢驗(yàn)策略的制定可遵循以下幾方面的原則：

(1)由于RBI的評估僅限于工藝有害物料對生產(chǎn)過程的影響，工廠在管理過程中還要考慮超出設(shè)計(jì)范圍因素的影響。

(2)制定設(shè)備檢驗(yàn)計(jì)劃除考慮RBI的檢驗(yàn)策略外，還要考慮設(shè)計(jì)與制造過程中存在的歷史遺留問題的影響。

(3)裝置加工的原料須符合設(shè)計(jì)要求，原料中硫、氮等含量應(yīng)嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

(4)基于風(fēng)險的檢驗(yàn)策略并不要求所有設(shè)備和管道的檢驗(yàn)有效性都要達(dá)到高度有效，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇檢驗(yàn)有效性，將檢驗(yàn)的重點(diǎn)集中在風(fēng)險較高的設(shè)備和管道上。

(5)部分檢驗(yàn)工作前移：RBI 檢驗(yàn)策略為外部宏觀檢查和壁厚測定的管道，無須開蓋檢驗(yàn)的容器，可將部分檢驗(yàn)工作提前至大修前進(jìn)行，可以縮短大修時間，為企業(yè)節(jié)省成本。

4 結(jié) 論

(1)通過對硫磺回收裝置承壓設(shè)備實(shí)施RBI風(fēng)險分析，裝置總體風(fēng)險水平穩(wěn)定，依據(jù)企業(yè)風(fēng)險可接受水平，在保證工藝穩(wěn)定的前提下，低于企業(yè)風(fēng)險可接受水平的承壓設(shè)備可以運(yùn)行到2019年4月1日前進(jìn)行定期檢驗(yàn)；高于風(fēng)險可接受水平的承壓設(shè)備需要實(shí)施有針對性地降風(fēng)險措施。

(2)硫磺回收裝置中潛在的失效模式主要有酸性水腐蝕、濕硫化氫腐蝕、胺腐蝕與胺開裂、高溫硫腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、循環(huán)水腐蝕、其他腐蝕機(jī)理，這為制定有效的檢驗(yàn)策略提供了科學(xué)依據(jù)，可幫助企業(yè)做到“對癥下藥”，并將檢驗(yàn)的重點(diǎn)放在風(fēng)險等級較高的容器和管道上。

(3)通過RBI技術(shù)的應(yīng)用，可將部分檢驗(yàn)工作提前至停車前，在有限的停車時間里可按時、按質(zhì)、按量完成大修計(jì)劃，滿足企業(yè)的需要，為國內(nèi)同類型裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。