火電廠主蒸汽系統金屬部件隱患風險評價

于程煒，劉文清，王淦剛，張 桐，王 震

(1.天津國能盤山發電有限責任公司，天津 301900；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

目前，電廠金屬監督管理人員通常按照DL/T 438—2021《火力發電廠金屬技術監督規程》標準要求進行金屬監督活動管理，以保證金屬部件受監狀態。另外，傳統的破壞性取樣評估方法存在成本高，受限于檢修工期，且評價結果僅反映取樣區的性能狀態，無法客觀反映發電機組蒸汽管道系統整體健康水平的差異性等問題，因此研究一種能夠科學、合理評價火電廠主蒸汽系統管道金屬部件隱患的評價方法非常有必要。

1 概況

某發電廠采用前蘇聯成套引進的500 MW超臨界燃煤發電機組，主蒸汽管道材質為15x1МФ（俄方鋼號），相當于我國的15Cr1MoV型鋼，設計壓力25.5 MPa，設計溫度545 ℃。至今機組已運營26年，已近壽命末期，部件材料性能出現了不同程度的老化。根據相關研究表明[1-5]，造成老化或加速老化的失效因素包括：碳化物沿晶界析出聚集粗化、長大以及碳化物類型轉變、珠光體球化、合金元素擴散與再分配、微觀組織變化及制造質量缺陷等，這些給機組安全運行造成了潛在的安全隱患。因此，下面采用一種數學分析方法對金屬隱患部件識別和在線評價，以掌握設備部件的安全狀態。

2 研究方法

2.1 隱患部件識別

該主蒸汽系統管道共分布12個焊口，焊縫一般為部件薄弱區域，因此將12個焊口視同于金屬部件作為研究對象。將部件安全性能的影響因素(硬度、組織、壁厚、應力狀態、缺陷、啟停次數、運行參數及使用壽命)作為輸入變量(X1，X2，X3，…，Xn)，對輸入變量根據評分標準進行4類賦值，分別為0、1、3、9分值，代表不同的相關程度。將X與X的重要度(Y)建立因果矩陣進行計算分析。為保證Y值的權威性，組織行業專家參考DL/T 438和DL/T 868等標準對重要度賦予權重(Y1，Y2，Y3，…，Yn)進行評分，Y值在1～10之間，10代表重要度最高，賦值結果如表1所示。將每一單元的相關程度得分值乘以該列的輸出變量的權重數，然后將每一行的乘積加起來，即∑Xi×Yi代表該輸入變量的權重[6]，根據權重數值的高低進行隱患部件評價，分值越高其隱患風險越高。

表1 輸入變量評分標準及重要度賦值

2.2 風險評估

在隱患分析結果基礎上采用模糊FMEA進一步開展風險評估分析，模糊FMEA分析提供了一種利用模糊矩陣運算的科學方法[7]。對于主蒸汽系統管道，評價涉及的安全因素很多，各種因素所占的權重也不盡相同，對不同因素也很難進行量化評價，只能用“很好”“較好”等進行模糊評價。因此，利用模糊矩陣正好滿足了這類無法直接進行定量評價的復雜系統的評價需求[8]，風險評估之前，假設有n個風險模式Fi(i=1，2，…，n)，m個專家Ej(j=1，2，…，m)；令Oij=(LOij，MOij，UOij)，Sij=(LSij，MSij，USij)，Dij=(LDij，MDij，UDij)分別是第i個風險模式在專家j的評估下，關于發生度(O)、嚴重度(S)和可探測度(D)的模糊等級，L、M、U分別代表相應的模糊數。wj(j=1，2，…，m)表示m個專家的權重，且wj∈［0，1］。則嚴重度(S)、發生度(O)、可探測度(D)對應每個風險模式的表達式為公式(1)～(3)。

分析步驟如下：

1) 失效風險模式分析。隱患部件可能會產生的失效風險模式共有5種，如表2所示。

2)S、O及D評估賦值。S、O及D值位于1～10之間，如表3所示。S數值越高到，其影響程度就越高；O數值越高，發生頻率越高，危害越大；D數值越大，探測難度越大。

表3 S、O及D賦值標準

3) 風險優先級(RPN)計算。計算各種失效模式的RPN，其值PRPN=SOD，根據計算結果進行分險評價。

3 分析結果

3.1 隱患識別

主蒸汽系統金屬部件隱患識別結果如表4所示，從表中可看出系統部件整體計算分值較高(大于100)，金屬部件的安全性能普遍呈下降趨勢。其中：部件12的權重值高達303，其風險隱患處于高水平；部件7和部件9的權重值略高于200，其風險隱患位于較高水平；其他部件的權重值位于100～200之間，其風險隱患位于一般水平。

表4 矩陣分析結果

3.2 風險分析

組織行業內2名焊接、1名應力結構及1名失效分析領域技術人員組成專家組，對高風險和較高風險隱患部件按照表3的模糊等級和模糊數定義，對每種風險模式進行評估分析，結果見表5所示。將表5進行模糊化處理，并根據公式(1)～(3)進行模糊數計算，計算結果見表6。將表6采用對比平均法解模糊化后進行風險優先值計算，計算結果見表7。風險優先級RPN綜合評價某隱患對事故產生的影響，RPN數值越高，越應該當作預防控制風險的重點，從結果可看出，在各失效故障下風險程度為：R2＞R3＞R1＞R4＞R5，表明性能老化和缺陷擴展引發的管道失效泄漏風險較高，其次是設計不當引發的管道失效泄漏風險，再次是應力(焊接應力、結構應力及附加應力等)和人因失誤引發的管道失效泄漏風險。

表5 失效風險模式專家評估結果

表6 各失效風險模式的模糊數

表7 模糊FMEA評估結果

4 結論

隨著機組運行時間的增加，主蒸汽系統管道的安全狀態日益降低，管道發生爆破等惡性事故的概率將大大增加。傳統的金屬監督檢驗并不能完全反映管道健康狀態，以上通過一種非破壞性在線評價方法對管道進行隱患識別與風險評價，評價結果表明了主蒸汽系統管道整體安全狀態呈下降趨勢，其安全狀態呈高風險區、較高風險區及一般風險區的分布特征。針對整個系統管道，建議電廠金屬監督檢驗應全面覆蓋，并建立設備分級管理策略，使得維修活動引入的風險維持在最小范圍內，實現風險管理活動資源投入最優化。

具體分級管理方法為：

1) 對于高風險的隱患部件應高度關注，應全面進行金屬監督檢驗，優先安排更換處理。

2) 對于較高風險的隱患部件應重點關注，按實際情況制定金屬監督計劃。重點關注失效泄漏易造成人員傷亡的部件，盡早更換處理。

3) 對于一般風險的隱患部件應一般關注，按電廠實際情況制定金屬監督計劃，必要時進行更換處理。