一起基于RBI 檢驗策略的案例分析

姜 灝，陸而勝，曹 燦，閆 磊

（1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.合肥通用無損檢測技術有限責任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

基于RBI（Risk Based Inspection，以風險為基礎的檢驗）的檢驗策略是在追求系統安全性與經濟性統一的理念基礎上建立起來的一種優化檢驗策略的方法，其實質就是對危險事件發生的可能性與后果進行分析與排序，發現主要問題與薄弱環節，確保本質安全，同時減少運行費用。因其優化檢驗策略在節約檢修資源、節省檢驗費用方面的巨大優勢，該技術在國內外石油化工生產企業中已被普遍應用。我國在21 世紀初也開展了RBI 的研究與應用。2006 年5 月12 日，國家質檢總局以國質檢特[2006]198 號文發出了《關于開展基于風險的檢驗（RBI）技術試點應用工作的通知》；2009 年8 月3 日，國家質檢總局頒布的《固定式壓力容器安全技術監察規程》將基于風險的檢驗（RBI）技術納入定期檢驗內容；2015 年4 月2 日，由國家能源局頒布的《承壓設備無損檢測》也增加了根據材料失效模式或風險評估分析結果選擇超聲檢測技術的內容。合肥通用機械研究院有限公司自2003 年在中石化茂名分公司首次完成乙烯裂解裝置、加氫裂化裝置的定量RBI 工作以來，累計完成中石化、中石油等生產企業的數百套石化裝置的定量RBI 工作，為定期檢驗的檢驗計劃優化提供了有力保障，取得了明顯的經濟效益。

1 風險評估

2016 年10—12 月，受某石化公司的委托，合肥通用機械研究院有限公司承擔該公司煤制氫凈化裝置的首次風險評估（RBI）項目。自2016 年10 月起，項目組經過1 個月的現場數據采集及近2 個月的風險分析工作，對煤制氫凈化裝置進行風險評估，其中包括壓力容器104 臺，壓力管道723 條，安全閥106臺（表1）。經過風險評估得到：

（1）裝置腐蝕定性分析。經過對本裝置腐蝕的定性分析，認為重點腐蝕的可能部位是：變換單元冷卻系統及分液系統、甲醇洗單元的閃蒸塔、熱再生塔塔頂系統等低溫部位，變換單元變換系統、高溫換熱系統、甲烷化單元的甲烷化爐及高溫換熱系統等高溫部位。

（2）風險分布與統計。通過對裝置范圍內的設備與管道進行風險計算，得到裝置設備與管道的風險分布情況與統計結果，高風險設備7 臺，占裝置設備6.7%；中高風險設備14 臺，占裝置設備13.4%；高風險管道0 條，中高風險管道41 條，占裝置管道5.7%。煤制氫凈化裝置設備和管道的風險矩陣如圖1、圖2 所示，具體風險統計見表2。

（3）根據裝置設備與管道的風險狀況及損傷機理分布狀況，制定有針對性的檢驗策略，為檢驗機構制定檢驗方案提供參考依據。

（4）科學合理提出建議的安全閥下次校驗時間。

表1 煤制氫凈化裝置評估數量

圖1 煤制氫凈化裝置設備風險矩陣

圖2 煤制氫凈化裝置管道風險矩陣

表2 煤制氫凈化裝置設備及管道風險統計

2 定期檢驗檢測情況

2017 年2 月，受該公司的委托，合肥通用機械研究院有限公司承擔其煤制氫凈化裝置停工檢維修期間的壓力容器（104 臺）定期檢驗項目。根據之前的風險評估結果，將計算減薄腐蝕速率≥0.25 mm/年或應力腐蝕開裂敏感性為中或高的設備作為檢驗檢測中重點關注對象，對風險評估結果為低風險的設備進行隨機局部抽檢。檢測過程中發現104 臺壓力容器中有2 臺出現較明顯壁厚減薄，5臺設備出現裂紋或超標缺陷，實際檢驗檢測結果與RBI 評估結果基本吻合。但其中有1 臺RBI 評估結果為低風險的設備發現了大量裂紋，與RBI 評估結果矛盾。為此，與用戶一起對該設備進行了詳盡的調查，分析設備的檢測結果與缺陷成因。

2.1 設備參數

該設備名稱：低壓蒸汽過熱器，單位內編號：1210E005，為鞍座U 形管式換熱器（見圖3、圖4），主要性能參數見表3。

2.2 檢驗檢測內容及結果

2.2.1 風險評估結果及檢驗策略

根據風險評估根據采集的設備基礎數據和工藝流程物流組分，對低壓蒸汽過熱器風險狀況及損傷機理分布狀況進行分析，制定有針對性的檢驗策略（表4）。

2.2.2 資料審查及檢驗方案

資料審查：該低壓蒸汽過熱器有設計文件、產品合格證、質量證明文件、竣工圖、監檢證書和使用登記證等資料檔案。年度檢查表和運行記錄未見異常。檢驗方案中的檢測計劃基本按RBI 檢驗策略（表4）執行。

2.2.3 檢測內容與結果

對低壓蒸汽過熱器進行宏觀檢查，未發現問題。對低壓蒸汽過熱器殼程筒體、封頭和管程筒體、封頭及接管（圖3 所示N1、N2 接管）進行壁厚測定，未發現壁厚明顯減薄。對管箱內壁（圖4 所示H5 焊縫及N1、N2接管角縫）進行著色滲透檢測，未發現缺陷顯示。對管箱外壁（圖4 所示Z4、H6 焊縫）和殼程外壁（圖4 所示H1 上半圈焊縫、Z1 北端（殼程封頭側）500 mm 焊縫）進行超聲波檢測，未發現超標缺陷。對管箱外壁（圖4 所示Z4、H6 焊縫、N1 接管）角縫和殼程外壁（圖4 所示H1、H4 上半圈焊縫、Z1 北端（殼程封頭側）500 mm）焊縫進行磁粉檢測，H4上半圈焊縫發現橫向裂紋11 條（圖5），長度5～20 mm。然后對H4 上半圈焊縫進行超聲波檢測，發現橫向裂紋類超標缺陷29條，反射波幅超過定量線以上6～10 dB，缺陷高度3～16 mm。

圖3 低壓蒸汽過熱器結構示意

圖4 低壓蒸汽過熱器焊縫位置展開示意

表3 低壓蒸汽過熱器主要參數

表4 設備風險等級、損傷機理及檢驗策略

圖5 H4 焊縫缺陷

將檢測結果報給用戶后，決定對低壓蒸汽過熱器抽芯后增加表面檢測。對管箱內壁（圖4 所示Z4、H6）焊縫及鄰近復合板進行著色滲透檢測，未發現缺陷顯示。對殼程內壁（圖4 所示H3、H4）焊縫及臨近母材進行磁粉檢測，發現大量裂紋。隨后對殼程內壁焊縫及母材進行100%磁粉檢測，在H2、H3、H4 焊縫及母材上發現大量裂紋（圖6～圖8）。用裂紋測深儀對裂紋檢測測試，焊縫裂紋深度3.2～14 mm，部分裂紋為貫穿裂紋；母材裂紋深度2.9～9.7 mm。對裂紋進行金相檢測，宏觀形貌見圖9，微觀形貌見圖10。最后檢驗意見為更換殼程殼體。

3 裂紋成因分析

在用戶的要求和大力幫助下，通過調查低壓蒸汽過熱器殼程工藝流程運行情況，對工藝物料監控數據、裂紋分布位置、裂紋宏觀形貌和微觀形貌進行綜合分析推斷，給出檢驗結果及建議。

3.1 工藝運行調查

圖6 裂紋位置示意

圖7 焊縫裂紋

圖8 母材裂紋

圖9 裂紋宏觀形貌

圖10 裂紋微觀形貌

煤制氫裝置自2015 年9 月投用，2015 年11 開始在廢熱鍋爐（低壓蒸汽過熱器蒸汽來源）中加入Na3PO4，作為緩蝕和阻垢劑，2015 年12 月開始在廢熱鍋爐中加入NH3，以聯氨為除氧劑。使用變頻控制，連續加藥。2015 年12 月發現采樣器設計有缺陷，改用現場液位計采樣。2016 年5 月15 日全系統停止加入NH3，Na3PO4一直加入至停工檢驗（2015 年11 月—2016 年4月，加入Na3PO4濃度為25 kg/m3，此后改濃度為8～10 kg/m3）。2016 年5 月，廢熱鍋爐至低壓蒸汽過熱器蒸汽管道陸續發生過3 處彎頭泄漏，隨后更換管道。從蒸汽系統采集的監控數據分析，加入Na3PO4后pH 值升高，尤其是加入NH3后，pH 值最高達到12.56。

3.2 無損檢測結果

從裂紋分布位置看，裂紋集中分布在殼體東側上部，處于蒸汽流動相對較緩、易濃縮聚集處。從裂紋宏觀形貌分析，裂紋由殼體內表面向外延伸，磁痕顯示呈直線狀、樹枝狀、龜裂狀或放射狀等多種形態，裂紋走向與所受拉應力垂直。裂紋微觀形貌顯示深入金屬內部的裂紋呈樹根狀，細長且帶有分支，推斷為應力腐蝕裂紋。

3.3 裂紋成因分析

一般情況下，碳鋼在應力下長期暴露于熱的強堿環境中,極易受到NaOH 的強烈腐蝕，而在NaOH 環境中的應力腐蝕，主要由電化學反應的陽極過程所引起。碳鋼在NaOH 環境中受OH-的鈍化在表面形成鈍化膜,但碳鋼的鈍化膜容易產生破口，在鈍化膜破口處，熱濃的NaOH 對鋼產生強烈腐蝕：部分氫原子又滲入鋼材內部引起脆化，并造成鋼材沖擊韌性和斷裂韌性降低。熱濃的NaOH 容易在細微缺陷部位聚集，逐漸形成起裂點，在設備殘余應力、工作應力及環境條件等諸多因素共同影響下，裂紋源慢慢擴展形成裂紋，這就是通常所說的“堿脆”。

根據工藝運行調查可知，廢熱鍋爐水介質中加入Na3PO4后與水反應（Na3PO4+H2O→Na2HPO4+NaOH）產生OH-，特別是在加入NH3后pH 升高，更提高了OH-的濃度。OH-在水蒸汽中通過管道（蒸汽管道在2016 年5 月發生了泄漏）被帶入低壓蒸汽過熱器殼程殼體，在殼體東側上部濃縮聚集，導致了堿脆開裂。而對裂紋的形貌分析也印證了這點。據此給出建議：更換殼程殼體，并在以后的運行中密切關注監控數據，防止OH-濃度過高再次導致堿脆開裂。

4 案例分析

基于BBI 檢驗策略制定的基本原則是根據損傷機理確定應檢查的缺陷類型；根據損傷發生的情況選擇檢驗部位；根據需檢測缺陷類型選擇采用何種檢測方法；根據安全性與經濟性協調統一的原則確定檢驗周期。承壓設備檢驗項目及比例根據損傷機理和失效可能性大小來確定。當運行工藝參數改變時，損傷機理和失效可能性大小都相應發生變化，風險等級也隨之改變。如案例所舉，低壓蒸汽過熱器工藝變化帶來介質組分改變時，本來風險評估為1B 的低風險等級提高了，而在定期檢驗檢測方案制定時，由于資料審查的設備運行記錄和年度檢查表并未涉及相關內容，因此仍執行原檢驗策略的較低比例隨機抽檢已不合適。因此定期檢驗在執行基于BBI 的檢驗策略時，一定要盡可能全面詳細了解是否發生有影響的外部事件，及時修正檢驗方案，以確保本質安全。