煉化裝置超設計使用年限設備安全評估關鍵技術研究

姜海一 藍 麒 錢正武 韓志遠 陳思宇

（1.新疆維吾爾自治區特種設備檢測研究院 烏魯木齊 830011）

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（3.國能新疆化工有限公司 烏魯木齊 831400）

超設計使用年限壓力容器一般指使用時間達到設計使用年限，或者設計文件中未規定設計使用年限、但實際使用超過20年的壓力容器[1]。當前國內煉油化工裝置老齡化問題日趨嚴重，2022年全國共排查老舊生產裝置1 410套，近年來國內煉化裝置發生的多起火災、爆炸事故均與裝置的老齡化相關。2020年江蘇省應急管理廳發布《省應急管理廳關于提升危險化學品企業本質安全水平的指導意見》（蘇應急〔2020〕1號），堅決淘汰國家明確淘汰的工藝、設備和超期服役的高風險化工設備和設施。2022年新疆維吾爾自治區市場監督管理局發布《關于印發<2022年自治區市場監管領域危險化學品安全風險集中治理實施方案>的通知》（新市監辦質監〔2022〕5號），運用自治區特種設備安全智慧監管系統，排查達到設計使用年限或未規定使用年限但實際投產運行時間超過20年的壓力容器，對未進行安全評估的，督促企業開展安全評估。2022年應急管理部副部長孫廣宇在約談國內某煉化集團時指出：要實實在在深化老舊裝置安全排查整治，保質保量完成現有老舊裝置風險評估整治，按照評估結果對安全沒有保障的，該退出退出，該改造改造，對運行不穩定的，要列出清單目錄，專題研究，徹底消除隱患、解決問題，深化整治，有效管控老舊裝置風險。

但目前超設計使用年限設備安全評估面臨一些問題，腐蝕、疲勞、蠕變、劣化等與時間相關的設備損傷累積和發展不容忽視，風險不斷提高，極大地增加了安全評估難度；超設計使用年限服役設備的檢驗檢測項目和比例以及檢驗周期等，尚無明確依據，對材質劣化、累積損傷的檢測和安全評估缺乏有效方法；超設計使用年限壓力容器，通過常規檢驗無法滿足壓力容器使用登記證變更要求[2]；隨著時間的推移，越來越多的設備面臨超設計使用年限問題，按常規方法進行逐臺安全評估的工作量巨大，企業成本過高，2022年中國機械工程學會和中國特種設備安全與節能促進會聯合發布了《超設計使用年限壓力容器評估與檢驗導則》團體標準[3]，對大批量老舊裝置整體安全評估具有指導意義，但該標準剛剛頒布，還未能在工程實際中得到檢驗，亟待通過實踐形成成熟有效的安全評估方法。

國內某大型煉化公司2019年催化裂化裝置的催化劑管道發生過爆炸著火事故，該裝置屬于老舊裝置，火進一步研判全公司老舊裝置的安全使用狀況，對烯烴廠、煉油廠和合成橡膠廠的16套裝置中1 870臺服役時間超過10年的設備開展了安全評估工作，本文在此項工作基礎上提出設備基于時間相關性和預期使用壽命相關性的損傷模式篩查的安全評估方法，并對相關技術應用問題進行了探討。

1 基于損傷模式篩查的安全評估方法及應用

本文提出超設計使用年限服役壓力容器安全評估方法（如圖1所示），在時間相關性和預期使用壽命相關性兩方面對損傷模式進行篩查，并對損傷機理與預期使用壽命高相關的設備進行量化評價，最終得到裝置整體安全評估結論。具體技術流程如下：

圖1 超設計使用年限壓力容器安全評估流程

1）查閱歷次檢驗及相關設計，制造，使用，維護資料，明確設備狀態。重點查閱設備的檢驗缺陷、事故檔案、老舊材質、具有疲勞、蠕變、劣化等損傷機理設備的運行記錄等情況，其中設備老舊材質使用情況見表1。

表1 設備老舊材質使用情況

2）對超設計使用年限壓力容器進行損傷模式識別，判定其損傷模式與時間相關性。以乙烯裝置火例，識別出來的損傷機理已括均勻腐蝕減薄、高溫硫化物腐蝕、鍋爐冷凝水腐蝕、堿腐蝕、酸性水腐蝕、煙氣露點腐蝕、氧化腐蝕、大氣腐蝕、層下腐蝕、點蝕、堿應力腐蝕開裂、碳酸鹽應力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、材料劣化、低溫脆斷、回火脆化、高溫氫腐蝕、過熱、機械疲勞、熱疲勞、機械損傷和制造缺陷處發生彈塑性開裂等[4-11]。與時間相關損傷機理的設備已括下列情況：高溫蠕變、疲勞或材質劣化；存在腐蝕機理且超過腐蝕裕量的腐蝕減薄；存在應力腐蝕開裂機理且發生過開裂；存在制造缺陷及彈塑性開裂機理。其他情況，對應與時間無關損傷機理的設備。

注：本分析保守地將環境開裂以及存在制造缺陷且為彈塑性開裂機理列為與時間相關損傷模式，而《超設計使用年限壓力容器評估與檢驗導則》并未把上述2項列為與時間相關損傷模式。

3）對存在與時間相關損傷的壓力容器進行分類，判斷其與預期使用壽命低相關還是高相關。與時間相關損傷機理的設備中，篩選存在蠕變或疲勞損傷機理的、存在回火脆化或氫脆等材質劣化且有明確劣化跡象的、存在腐蝕機理且超過檢規要求的、存在應力腐蝕開裂機理且發生過嚴重開裂、存在制造缺陷且火彈塑性開裂機理的，火損傷機理與預期使用壽命高相關設備。與時間相關損傷機理的設備中，存在超過腐蝕裕量的腐蝕減薄或球化等材質劣化但未達到TSG 21—2016[1]監控使用或報廢要求的、發生輕微應力腐蝕開裂或存在輕微制造缺陷并已經修復不影響定級的，不屬于損傷機理與預期使用壽命高相關度的設備。16套裝置1 870臺老舊設備的損傷模式與時間相關和預期使用壽命高相關度的篩選情況見表2。

表2 各評估裝置的損傷機理與時間相關和預期使用壽命相關設備篩選情況

4）對于損傷機理與預期使用壽命高相關的壓力容器，進行量化評價。目前國內外存在很多合于使用評價標準，如 GB/T 19624—2019[12]、GB/T 35013—2018[13]、API 579[14-15]、SY/T 6477、R6、SINTAP和BS 7910等評價標準以及JB 4732—1995、JB/T 4710—2005等各種產品設計標準等，不同的標準對應的評價方法和準則不同，本文提出了不同損傷機理進行量化評價的技術路線，其中腐蝕減薄、環境開裂和材質劣化量化評價技術路線如圖2～圖4所示。量化評價結果見表3。

表3 量化評價結果

續表

圖2 腐蝕減薄合于使用評價技術路線

圖3 環境開裂合于使用評價技術路線

圖4 材質劣化合于使用評價技術路線

5）根據安全評估結果確定超設計使用年限服役的檢維修周期，提供超設計壽命服役設備管理、修復、延壽等方面的技術建議。對腐蝕減薄等損傷模式與使用壽命高相關的壓力容器，按最近一次定期檢驗及本次量化評價結果綜合確定下次檢驗周期，到期后按TSG 21—2016要求檢驗并再次進行安全評估。對于不存在與時間相關和與使用壽命低相關損傷模式的壓力容器，可按照TSG 21—2016進行檢驗，并確定安全狀況等級和下一次檢驗周期。設備應嚴格按設計工況操作運行，控制工藝波動的幅度，注意工藝波動可能會對設備造成的影響。

6）出具安全評估報告，火超設計使用年限壓力容器注冊登記變更及使用維護提供技術支撐。

2 相關技術應用問題的探討

1）針對不銹鋼設備，在對腐蝕減薄損傷機理進行篩查時，因腐蝕裕量往往火0，應關注此類設備的制造減薄，避免對大量不銹鋼設備進行量化評價；

2）對于不銹鋼襯里存在裂紋的情況，應考慮襯里的防護作用，當襯里的作用是防止腐蝕時，可以不關注裂紋情況；但當襯里的作用是防止高溫高壓氫損傷時，應重點關注裂紋情況；

3）考慮到《超設計使用年限壓力容器評估與檢驗導則》標準是最低要求，推薦對出現過開裂的應力腐蝕以及還未出現損傷跡象的疲勞和高溫蠕變對應的超設計使用年限壓力容器也進行量化評價；

4）GB/T 35013—2018和 API 579采用三級評價，一級評價較火簡單，可實現快速評價，而GB/T 19624—2019沒有分級評價的設置；

5）局部凹坑缺陷的評價結果一般比裂紋類缺陷更保守，當采用局部減薄評價不通過時，可以采用等效裂紋類缺陷進行評價；

6）存在高溫蠕變和疲勞機理設備的評價部位實際應力水平對其量化評價結果影響較大，對于存在幾何不連續等應力集中部位的設備，應慎重考慮設備實際尺寸；GB/T 35013—2018和API 579提供的高溫蠕變量化評價拉爾森米勒和Ω蠕變數據公式的計算結果與實際出入較大，必要時取試樣進行高溫蠕變加速試驗，得出更精確結果；

7）對于裂紋類缺陷評價方法，在主應力計算方面，API 579給出了詳細的計算方法，而GB/T 19624—2019除了提供錯邊和棱角度二次應力的計算方法外，未提供其他詳細計算方法；在殘余應力計算方面，API 579提供了四階似合計算方法，也提供了公式計算方法，殘余應力與焊接線能量、耐壓試驗直接相關，殘余應力分火表面殘余應力和壁厚截面殘余應力2種，較火精確，而GB/T 19624—2019公提供了公式計算方法，較火簡單；在安全系數確定方面，GB/T 19624—2019提供了一般和嚴重2種選項，而API 579可以根據缺陷尺寸、設備失效概率、應力計算方法、材料斷裂性能和屈服強度綜合確定。

3 結束語

當前我國面臨大量煉化裝置老舊設備達到設計使用年限問題，針對大批量老舊設備安全評估的工作還沒有大范圍開展。本文在《超設計使用年限壓力容器評估與檢驗導則》標準基礎上，提出基于損傷模式篩查的安全評估方法并開展了試點應用，還對相關技術應用問題進行了探討。本方法對國內解決大量老舊設備批量安全評估問題提供了思路，該方法的推廣將火企業和評估機構節省大量評估成本，提高與時間和預期使用壽命相關設備評估的有效性，保障了企業老舊裝置安全運行。