基于關(guān)鍵性的換熱器分級評價及應(yīng)用

郝新煥, 江 臣, 伍世昌, 錢恕濤

(1.中國石油獨山子石化分公司研究院,新疆 克拉瑪依 833699;2.中國石油獨山子石化分公司機動設(shè)備處,新疆 克拉瑪依 833699)

換熱器作為煉化企業(yè)應(yīng)用最廣泛的設(shè)備,也是腐蝕問題較多的設(shè)備。對于煉化裝置,換熱器占靜設(shè)備總量的40%左右,占裝置投資總量的 1/5 左右,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工況多樣,它的平穩(wěn)運行對裝置安全長周期運行意義重大[1-2]。

由于換熱器數(shù)量龐大,管理難度增大,造成現(xiàn)有的維護(hù)方式,既消耗有限的資源又不能突出關(guān)鍵設(shè)備必要的特護(hù),從而導(dǎo)致部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)存在失修或維護(hù)不到位;管理處于事后維修狀態(tài),通常發(fā)生泄漏后才會引起重視,存在管理滯后、預(yù)知性檢修不足的情況,因此有必要開展科學(xué)有效的管理策略研究,進(jìn)行全生命周期管理。

1 評價方法的選擇

隨著企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求,進(jìn)入21世紀(jì),完整性管理理念已成為石化行業(yè)設(shè)備管理的主要理論體系之一。

設(shè)備完整性管理思路:設(shè)備風(fēng)險識別和評價→設(shè)備分級→制定風(fēng)險管理策略并實施→設(shè)備低風(fēng)險運行→再評估→設(shè)備風(fēng)險識別和評價,循環(huán)往復(fù)。

在完整性管理體系中,要達(dá)到目標(biāo),風(fēng)險管理是其有效的途徑和基礎(chǔ)[3-5]。首先就是要對風(fēng)險進(jìn)行評價分級,目前設(shè)備管理中,風(fēng)險評估普遍采用RBI技術(shù),是用失效的可能性和失效后果來評價,由于其評價的復(fù)雜性,需要大量的檢測數(shù)據(jù)及失效信息做支持,工作量較大,其軟件使用難度較大,不能被廣大技術(shù)人員掌握,需要專門的機構(gòu)進(jìn)行評價,嚴(yán)重影響其使用效果;且其分析結(jié)果應(yīng)用停留在制定檢驗計劃階段,在日常管理中沒有發(fā)揮作用,不涉及風(fēng)險減緩具體措施,對于靜設(shè)備完整性管理還不完善[6]。而換熱器由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運行工況的多樣性,其失效原因往往是多種形式或多種因素的綜合結(jié)果,且其失效主要在換熱管,檢驗覆蓋率較低,采用RBI評價準(zhǔn)確度不高。因此可采用資產(chǎn)關(guān)鍵性分析(ACA)和設(shè)備失效模式及影響分析(FMEA)相結(jié)合的方式對換熱器的可靠性進(jìn)行評價、分級。

1.1 資產(chǎn)關(guān)鍵性分析

ACA是一種通過評估資產(chǎn)對企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)的潛在影響程度以確定資產(chǎn)關(guān)鍵程度的方法,利用關(guān)鍵性分析評定裝置、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的風(fēng)險,根據(jù)資產(chǎn)的關(guān)鍵性級別進(jìn)行相關(guān)資源的合理分配,從而把主要精力用在關(guān)鍵的少數(shù),以達(dá)到事半功倍的效果。

1.2 設(shè)備失效模式和后果分析

FMEA是通過分析每種失效模式對設(shè)備的影響,評價出每種失效模式影響的風(fēng)險優(yōu)先順序數(shù)(RPN),根據(jù)評價結(jié)果,制定相應(yīng)管理措施和維修保養(yǎng)方式,從而盡可能地減少和消除故障的產(chǎn)生,減少設(shè)備的非正常停運,提高設(shè)備的可靠性和維修性。這是一種事前行為,體現(xiàn)預(yù)防為主的思想。

1.3 總體評價流程

基于設(shè)備完整性管理,采用ACA對換熱器進(jìn)行嚴(yán)酷度分析,采用FMEA進(jìn)行失效模式分析,然后對兩要素進(jìn)行綜合評估,評價換熱器的關(guān)鍵性,進(jìn)行分級;再對失效模式進(jìn)一步分析,形成健康性評價、分級;綜合關(guān)鍵性和健康性得出重點管控對象;制定分級管控和全生命周期管控策略,管控或降低風(fēng)險[7]。風(fēng)險評估及管控總體流程見圖1。

圖1 換熱器風(fēng)險評估及管控總體流程

2 評價方法的建立

設(shè)備關(guān)鍵性分析常用的方法包括風(fēng)險矩陣和量化評分的分析方法,具體過程見圖2。

根據(jù)ACA分析方法和流程,通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段,建立設(shè)備分級規(guī)則、評定標(biāo)準(zhǔn)和評價方法。

(1)設(shè)備信息的收集:對評價涉及的換熱器的規(guī)格、管束數(shù)量、溫度、壓力、材質(zhì)、介質(zhì)、投用時間、堵管數(shù)量和影響生產(chǎn)的程度等情況進(jìn)行全面的收集,形成換熱器基礎(chǔ)信息臺賬,對換熱器的運行情況進(jìn)行摸底。通過對換熱器信息進(jìn)行統(tǒng)計分析,可以看出換熱器目前存在的問題,從而摸清針對性的失效評價因素及標(biāo)準(zhǔn)。

(2)建立失效嚴(yán)酷度評價標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)換熱器故障最終可能導(dǎo)致的影響,可結(jié)合本企業(yè)的管理方針,將其劃分為HSE影響、生產(chǎn)損失和財產(chǎn)損失三方面。根據(jù)其危害程度,分別賦予不同的分值和等級。當(dāng)評估涉及的裝置單元較多和不同裝置不同單元對生產(chǎn)及財產(chǎn)的影響不同時,為了使設(shè)備風(fēng)險評價更加準(zhǔn)確,可根據(jù)單元在裝置中承擔(dān)的不同功能設(shè)立裝置系數(shù)和單元系數(shù)(K1),其中單元關(guān)鍵性系數(shù)≤裝置關(guān)鍵性系數(shù),用于對設(shè)備風(fēng)險初評結(jié)果進(jìn)行修正,使評估結(jié)果更加客觀和合理。

(3)嚴(yán)酷度評價:依次按上述嚴(yán)酷度評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分,采用經(jīng)驗及實際調(diào)查的方法確定各因素所占的比重,根據(jù)ACA中,量化評分值 =∑(加權(quán)系數(shù)×要素評分),對單元系數(shù)、HSE影響、生產(chǎn)損失和財產(chǎn)損失等要素綜合,形成評估總體要素風(fēng)險嚴(yán)酷度(S嚴(yán)酷)的計算公式,例如:S嚴(yán)酷=SHSE×20%+K1×20%+S生產(chǎn)×50%+S財產(chǎn)×20%。

(4)建立失效模式標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)煉化裝置換熱器的失效特點,對換熱器歷年失效類型進(jìn)行統(tǒng)計分析,確定失效模式。例如對管束使用年限、腐蝕性(含介質(zhì)腐蝕和沖刷腐蝕)、堵管率和是否存在附加載荷等4方面對換熱器失效模式進(jìn)行評價。將其劃分成不同等級,分別賦予不同的分值,如管束使用年限評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 管束使用年限失效模式評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)風(fēng)險計算方法,評估總體要素風(fēng)險失效模式(S失效)的計算公式如下:

S失效=∑(S腐蝕+S附加載荷+S堵管率+S年限)

(5)關(guān)鍵性評價:根據(jù)風(fēng)險理論的數(shù)學(xué)關(guān)系,風(fēng)險值=失效危害程度×發(fā)生概率;換熱器關(guān)鍵性不僅與失效后果有關(guān),而且與失效可能性有關(guān),其中設(shè)備的失效模式、原因、影響具有比較緊密的聯(lián)系,按照風(fēng)險優(yōu)先的原則,風(fēng)險優(yōu)先順序數(shù)RPN=發(fā)生的頻率×嚴(yán)重程度×檢測等級,對換熱器失效嚴(yán)酷度、失效模式要素評估結(jié)果進(jìn)行綜合,計算RPN的公式如下:RPN=S嚴(yán)酷×S失效。

根據(jù)RPN值的大小,RPN值越大潛在問題越嚴(yán)重,其失效可能性越高,從高到低,確定風(fēng)險等級將換熱器分成A,B,C和D。

其界定標(biāo)準(zhǔn)符合著名經(jīng)濟學(xué)家巴萊多的二八法則,即根據(jù)美國石油學(xué)會對煉化裝置的統(tǒng)計和分析,80%～90%的風(fēng)險來自20%左右的設(shè)備,因此在關(guān)鍵性綜合評估中將高風(fēng)險A和中高風(fēng)險B的換熱器數(shù)量控制在20%左右,其比例可結(jié)合企業(yè)KPI指標(biāo)、維護(hù)運行成本等進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

同時,基于“優(yōu)先原則(即RPN值)的具體界限值亦可由FMEA小組具體討論而定”原則[8-9],專家采用經(jīng)驗判斷法,結(jié)合各裝置換熱器歷史失效情況、換熱器的管理、檢維修成本等進(jìn)行評估驗證,確定公司風(fēng)險可接受水平,如RPN<30,即RPN<30可以不加控制,得出分級界定值,見表2。

表2 關(guān)鍵性分析分級界定標(biāo)準(zhǔn)

(6)健康性評價:在評價換熱管的嚴(yán)酷度和失效模式中,使用年限、介質(zhì)腐蝕性、附加載荷、堵管情況等要素體現(xiàn)了換熱器存在的潛在失效以及該失效的后果,直接或間接地反映了換熱器的安全性,因此可將這四種要素組合用健康度的概念來評價換熱器的安全可靠性。

考慮各失效模式對換熱器的健康性影響是不同的,可取不同的占比,例如健康度的計算公式如下:健康度=S腐蝕×20%+S附加載荷×10%+S堵管率×60%+S年限×10%。

分別賦予不同的健康等級界定標(biāo)準(zhǔn),將健康性分成4個等級,見表3。

表3 換熱器健康性等級劃分

按照上述換熱器關(guān)鍵性和健康性評價方法對裝置和單元換熱器進(jìn)行評價,可以看出換熱器所處的風(fēng)險、嚴(yán)重程度、關(guān)鍵性及健康程度。

3 應(yīng) 用

3.1 分級管控策略

對高風(fēng)險和中高風(fēng)險的換熱器的失效風(fēng)險和失效原因信息進(jìn)行分析,可以得出裝置換熱器存在的主要腐蝕問題及風(fēng)險,以及需要采取的針對性的消減措施。

結(jié)合裝置已有檢維修策略,對A至D不同關(guān)鍵等級的換熱器從設(shè)計、采購、安裝、使用維護(hù)、檢驗檢測、維修、改造、變更等方面制定分級管控策略——設(shè)備可靠性管理導(dǎo)則,以確保換熱器全生命周期重點管控,如主要體現(xiàn)在:

制造:A/B級管束應(yīng)實施駐廠監(jiān)造,換熱管應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測或超聲波檢測;管子與管板接頭應(yīng)采用強度脹+強度焊接方式。C/D級宜采用強度脹+密封焊接方式。

采購:新采購的A/B類水冷器循環(huán)水側(cè)應(yīng)進(jìn)行熱固熔處理。達(dá)不到兩個大修運行周期的C/D級水冷器循環(huán)水側(cè)應(yīng)進(jìn)行熱固熔處理。

驗收:A/B級換熱管與管板角焊縫射線檢測抽查比例為5%以上,且不少于20個。C/D級管束射線檢測抽查比例不少于3%,且不少于10個。

渦流檢測:A級每次大修應(yīng)進(jìn)行電渦流檢測。抽查比例為 5%～10%,新?lián)Q熱器的首次檢測不大于4 a。B級一個大修周期應(yīng)進(jìn)行一次電渦流檢測,抽查比例為 3%～5%。C/D 級無腐蝕介質(zhì)的運行2個大修周期,一次電渦流檢測;有腐蝕介質(zhì)的,根據(jù)腐蝕情況,每個大修周期應(yīng)進(jìn)行一次電渦流檢測,抽查比例不超過3%。

管束更新報廢:A級水冷器使用兩個大修周期后應(yīng)進(jìn)行更換。腐蝕系統(tǒng)中的A級管束應(yīng)定期進(jìn)行電渦流檢測,并根據(jù)結(jié)果制定定期更換計劃,原則上運行時長不得超過兩個大修周期,修復(fù)次數(shù)不超過2次。健康性等級應(yīng)保持在2級,達(dá)到3/4級的,應(yīng)制定更新計劃;健康性等級達(dá)到2級的,可檢修投入使用。B級換熱器一般使用三個大修周期,原則上修復(fù)次數(shù)不超過2次。健康性等級達(dá)到3/4級的,應(yīng)制定更新計劃;健康性等級達(dá)到2級的,可檢修投入使用。C/D原則上修復(fù)次數(shù)不超過3次,健康性等級達(dá)到4級的,應(yīng)制定備用計劃;健康性等級達(dá)到3級和2級的,可檢修投入使用。

堵管換熱器的管束處理:A級在同一管程內(nèi),堵管數(shù)量在5%以上或超過25根,應(yīng)更換新?lián)Q熱器或管束。B級在同一管程內(nèi),堵管數(shù)量在10%以上或超過50根,應(yīng)更換新?lián)Q熱器或管束。C/D級在工藝指標(biāo)允許范圍內(nèi),同一管程內(nèi),堵管數(shù)量可大于10%,最高不超過20%,超過20%時應(yīng)進(jìn)行整體更換或換管。

3.2 “一機一策”管控方案

為重點加強對風(fēng)險大、健康性差的換熱器的管控,實施精準(zhǔn)和差異化的管控,可對健康等級為3/4級的A/B級換熱器從運行控制參數(shù)、失效風(fēng)險、工藝和材質(zhì)防護(hù)措施、日常管控、查漏方法、管束更換備用情況等方面進(jìn)行了梳理,逐一建立“一機一策”風(fēng)險管控方案。明確高風(fēng)險換熱器的風(fēng)險、日常管控要點和風(fēng)險消減措施,指導(dǎo)裝置換熱器防泄漏精細(xì)化管理、差異化管理。

3.3 檢維修及監(jiān)檢測等計劃的制定

根據(jù)評價結(jié)果,將關(guān)鍵性評級高的換熱器納入大修腐蝕檢查計劃,進(jìn)行重點檢查,并結(jié)合分級情況進(jìn)行渦流檢測,指導(dǎo)裝置預(yù)防性檢維修作業(yè)計劃的制定;同時可通過風(fēng)險識別,優(yōu)化和完善腐蝕監(jiān)檢測計劃;也可在換熱器發(fā)生泄漏等失效情況時,可通過風(fēng)險評價信息表進(jìn)行快速分析,找出失效原因和防范措施。

3.4 應(yīng)用效果

通過風(fēng)險識別,進(jìn)行分級管控,結(jié)合“一機一策”管控方案,可明確換熱器的風(fēng)險,指導(dǎo)日常操作管控及預(yù)防性檢維修作業(yè)。對裂解裝置稀釋蒸汽再沸器進(jìn)行關(guān)鍵性及健康性評價,結(jié)果見表4。

表4 裂解裝置稀釋蒸汽再沸器關(guān)鍵性及健康性評價

由表4可知,裂解裝置稀釋蒸汽再沸器10-E-3012有13臺,其中6臺均為關(guān)鍵性B、健康性4級;10-E-3011有2臺,評價分別為“關(guān)鍵性B、健康性4級”和 “關(guān)鍵性B、健康性3級”,說明稀釋蒸汽單元腐蝕嚴(yán)重,需要重點關(guān)注和加強管控。

通過風(fēng)險識別,其主要是存在腐蝕性介質(zhì)(酸、堿),存在汽蝕,有結(jié)焦的情況,引起酸性或堿性水腐蝕及垢下腐蝕,造成管束減薄及穿孔泄漏,最多的已堵管4%左右。根據(jù)識別結(jié)果,對其工藝和設(shè)備措施進(jìn)行全面梳理,建立“一機一策”管控方案,協(xié)助裝置進(jìn)行全面管控。制定通過急冷水系統(tǒng)投用甲苯萃取,減少結(jié)垢的措施,將控制方式和指標(biāo)“循環(huán)甲苯流量占工藝水流量的1/12～1/8”及“甲苯萃取率不低于60%”寫進(jìn)方案中,指導(dǎo)裝置的日常管控。

方案主要包括以下幾個方面。

風(fēng)險描述:酸腐蝕(硫化氫和有機酸等)、堿腐蝕(NaOH)、垢下腐蝕;造成管束內(nèi)壁均勻腐蝕和局部腐蝕,嚴(yán)重時會造成管束穿孔和泄漏。

工藝防腐措施:(1)工藝水汽提塔10-C-3001塔頂進(jìn)料線連續(xù)加注中和劑,加注量為7～22 mg/L;(2)10-C-3001塔釜連續(xù)加注20%NaOH,加注量為1～5 mg/L;(3)急冷水系統(tǒng)投用甲苯萃取,循環(huán)甲苯流量占工藝水流量的1/12～1/8。

控制指標(biāo):(1)10-E-3012入口pH值為7～9,總鐵質(zhì)量濃度不大于3 mg/L;(2)10-P-3071的pH值為7.5～9.5;(3)DS凝液中Na+控制在50 μg/kg以下;(4)甲苯萃取率不低于60%。

日常操作維護(hù):(1)10-E-3012操作溫度(管層/殼層)160～170/180～195 ℃;操作壓力(管層/殼層)0.6～0.8/0.7～1.1 MPa。(2)稀釋蒸汽發(fā)生罐V3031液位50%～60%,控制連續(xù)排污量不低于工藝水總量的7%。(3)按照正常操作條件,鎖定閥門開度,不允許隨意調(diào)整。(4)分析工藝水AP30003油含量、COD、pH值、鐵離子,1次/周。(5)分析稀釋蒸汽AP30004油含量(1次/周)、AP30010中的pH值為7～10、鈉離子低于50 μg/kg(1次/月)。

工藝?yán)淠O(jiān)測:10-E-3012入口、10-P-3071中的pH值、總鐵,1次/周。

在線腐蝕監(jiān)測方案:(1)10-C-3001(工藝水汽提塔)塔頂(溫度111 ℃/壓力0.05 MPa),塔釜(溫度113 ℃/壓力0.06 MPa),實時監(jiān)測20號鋼腐蝕速率不大于0.2 mm/a;(2)10-V-3031(稀釋蒸汽發(fā)生罐)釜(170/0.7),實時監(jiān)測20號鋼腐蝕速率不大于0.2 mm/a。

運行情況下的查漏方案:(1)分析工藝水AP30003油含量、COD、苯乙烯含量。(2)分析稀釋蒸汽AP30004和AP30010中的油含量。(3)運行設(shè)備工藝水側(cè)倒淋進(jìn)行排放查漏,檢查是否有結(jié)焦或油介質(zhì)。

渦流檢測:停工檢修渦流檢測比例10%～20%,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重減薄的加倍擴檢。

2022年5月腐蝕檢查,對管控效果進(jìn)行了評價,自2020年采取措施后稀釋蒸汽發(fā)生器10-E-3011的運行周期已經(jīng)超過了1年,達(dá)到了“單臺稀釋蒸汽發(fā)生器設(shè)備運行周期達(dá)到1年以上”的管理要求,10-E-3012換熱器的檢修周期也平均延長了半年,由原來的1年半左右到現(xiàn)在的2年～2年半,換熱器運行風(fēng)險降低。

4 結(jié) 論

(1)采用ACA和FMEA相結(jié)合的方法,從失效嚴(yán)酷度和失效模式兩方面對換熱器的關(guān)鍵性和健康性進(jìn)行評價,采用RPN綜合評估的方法,對換熱器進(jìn)行分級,可為設(shè)備分級管控、實施相應(yīng)的檢維修策略、制定管控措施和減少裝置非計劃停工提供理論依據(jù)。

(2)依據(jù)設(shè)備完整性管理理念,對設(shè)備進(jìn)行分級管理和全生命周期管理,制定換熱器管控策略,對高風(fēng)險換熱器實施重點管控,實現(xiàn)換熱器的精準(zhǔn)和差異化管理,為裝置換熱器日常管控和管理決策提供依據(jù)。可將設(shè)備運行風(fēng)險降低至最小,以避免或減少突發(fā)性事件的發(fā)生,給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時,確保生產(chǎn)裝置安全運行。

(3)根據(jù)換熱器風(fēng)險分析,可以更加完善換熱器的綜合管控,建立一個全面的設(shè)備完整性管理系統(tǒng),對運行裝置進(jìn)行科學(xué)管理,加強換熱器管理的系統(tǒng)化、精細(xì)化、預(yù)知性,使設(shè)備達(dá)到長周期安全運行的目的,以提升設(shè)備管理的體系化。