核承压设备设计阶段风险评估技术的应用

张振华

（上海核工程研究设计院)

0 引言

21世纪初以来，基于风险的检测[1]（RBI）技术已经在各个行业，特别是石化行业得到了应用。2006年，国家质检总局下发了在中国石化部分企业对压力容器与管道等承压设备进行基于风险的检测 (RBI)试点的通知[2],以承压设备为对象的RBI技术开始得到了较为广泛的工程应用[3-4]。2007年,就我国多数压力容器在设计时对使用中的失效风险考虑不足，尤其是对因介质环境影响考虑不足而导致设备过早失效的问题，有关专家和学者提出了开展基于风险与寿命的设计研究，希望在设计早期就能识别与控制设备在使用环节的风险,这一想法也得到国家科技部、全国锅炉压力容器标准化技术委员会及中国石化等企业的支持[5]。

因此，TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》对部分压力容器提出了设计阶段的风险评估要求，在其设计部分的3.6节规定：“对于第Ⅲ类压力容器，设计时应当出具包括主要失效模式和风险控制等内容的风险评估报告”[6]。在设计阶段进行风险评估，是国际上压力容器界提出的基于失效模式设计理念的产物，是压力容器设计发展的趋势，也越来越获得各行业设计人员的认可。

作为核级承压设备的设计人员，在从事相关核承压设备设计的工作中，同样也意识到风险评估对核承压设备设计的重要性。考虑到核级承压设备的设计寿命或者使用寿命一般要远高于民用压力容器，因此通过对民用压力容器设计技术发展的趋势来判断，相信风险评估技术也将在核承压设备设计中得到越来越广泛的应用，并起到十分重要的作用。本文阐述了风险评估技术的一些基本特点和笔者的一些思考，供有关同行参考。

1 风险评估技术的产生和目的

通过对大量的在役生产装置的风险分析和评价发现，很多设备发生事故或失效都是由于设计不合理或者设计的环境要求与寿命全过程中的实际使用环境相偏离而导致的。尽管在役设备的风险评价与风险控制能够提高设备的安全性，但这种方法依然只是被动的预防。如果能在设备的设计阶段就预测设备全寿命过程中的失效模式和失效机理，进行基于失效模式的设计，事先就做好设备在使用过程中的风险控制，这对保障设备的长周期安全运行将产生重大意义。正因为如此，设计阶段的风险评估技术被提出来了，并越来越受到重视。

目前，民用压力容器的设计是以GB 150、ASME等国内外相关标准为基础而开展的，这些标准都规定承压设备在工艺规定的设计压力、设计温度和介质条件下，必须满足强度、刚度和稳定性要求。然而现行设计标准与设计软件缺乏压力容器使用过程中失效机理与失效模式等数据库的支撑，没有完全考虑压力容器全寿命过程中动态服役环境下的各种风险因素。在介质危害性问题上往往考虑的是均匀腐蚀引起的减薄问题，而对于其他因服役环境引起的失效 （包括失效机理与失效模式）考虑甚少[7]。这就使得承压设备要么由于设计不足造成在使用过程中发生突然失效或过早失效，要么由于选材或者制造工艺的要求过高，造成不必要的浪费，缺乏经济性。

近十年来，国内外在承压设备的风险识别、评价与控制技术方面迅速发展，这就使得在承压设备设计制造的早期预测全寿命过程中的风险、开展基于风险与寿命的设计 （RBD）成为可能。

在设计阶段增加风险评估，肯定会增大设计难度，会对设计人员有更高的要求，同时也会增加设计成本，但是从设备应用的安全角度来看，这是完全合理的。

设计时要求的风险评估报告内容主要包括容器可能的失效模式、风险控制等。设计阶段进行风险评估的目的包括以下内容：①分析压力容器在使用过程中可能出现的失效，提出规避失效的方法和措施；②依据风险工程的理论，评价风险的水平，采取措施来控制风险水平；③告诉容器的用户，容器可能出现的破坏形式，以及当发生破坏时应该采取的措施，便于用户制定合适的应急预案；④向压力容器用户提供足够的信息，其最终目的是保证容器的安全使用。

因此，压力容器的设计文件其内容较传统的范围有了扩大，即除了常规的强度计算书或应力分析报告、设计图样、制造技术条件等外，还增加了“风险评估报告”，这是设计阶段进行风险评估的重要手段和方法。

2 风险评估技术在我国的应用

目前国际上一些技术标准把设计阶段的风险评估技术分为三个部分，即危害识别、风险评估和风险控制，其系统标准和行业规定的风险可接受准则都已经相当完备，可以支撑设计阶段风险评估工作的实施。

风险控制不仅仅涉及设备使用中的失效模式，同时也涉及设备建造过程中的起吊、运输、安装、操作、检验和维修等各个方面，包括压力容器使用、维修和改造时须注意的事项。

我国的标准目前尚没有完成风险评估体系的建设，基于失效模式的设计理念刚刚被引入到压力容器的设计中，还没有条件全面开展完整的风险评估工作。目前，我国的设计阶段风险评估主要是进行危害识别和风险控制，主要的目的是提高设计的可靠性。

基于风险与寿命的设计 （RBD）理念就是承压设备设计寿命 （预定的使用寿命）内，考虑全寿命过程中动态服役条件下可能出现的各种失效模式及其失效机理，考虑风险对设备安全性与寿命的影响，通过合理选材、改进结构设计和优化制造工艺等措施，在设计、制造的早期控制和降低承压设备在全寿命过程中的风险，并且结合工艺流程采取其他的有效措施，使其安全服役到预定的设计寿命。

在我国对所有的承压设备都采用RBD方法来进行设计，既不现实，也无可能，但对影响国家能源经济的重要行业 （如石化、电力等企业）的大型、高参数、高危险性重要承压设备开展RBD方法研究却是非常必要的。在这些设备上应用RBD方法，在设计、制造阶段就按预定的寿命进行事先评估并控制设备在使用中的风险，将全过程风险和寿命要求与设备选材和设备制造工艺相结合，考虑设备系统对设备的保障措施，考虑操作、开停车过程和维修的具体要求，用系统工程学来保证设备在设计寿命内的长周期安全运行。

3 核承压设备设计中应用风险评估技术的思考

核电是关系到国家能源经济的重要行业。核电因其存在着潜在的放射性危害，使得对核承压设备的安全性、可靠性和有效性提出了比一般民用压力容器更高的要求。也就是说，核电更需要考虑其寿命周期内可能出现的各种失效模式及其失效机理，从而有针对性地通过改进设计来降低各种风险，以确保其长周期安全运行。

3.1 核承压设备存在的风险特征

核承压设备的工作条件 (如工作压力、工作温度、中子辐射、介质毒性和爆炸危害程度等)决定了其固有的危险特性，其危险程度取决于设备蕴含的能量 (用设计压力P和容积V或PV值表示)和介质危害性的释放 (介质特性)。也就是说，核承压设备作为危险源具有其固有的危险因素和潜在的危险性。化学介质的毒性、化学介质对金属和非金属材料的腐蚀性、火灾危险性、物理性爆炸和化学性爆炸、噪声等都是危险因素[8]。此外，核承压设备所特有的中子辐射危害更是需要十分重视和预防的危险因素。这些危险因素都可能引发人员伤亡、财物损毁、环境污染、能源浪费等风险事件。

总体来说，核承压设备的危险源的种类主要有毒物释放 （放射性物质归类为毒物）、火灾、爆炸、泄漏窒息等四类。

核承压设备存在着风险。核承压设备的失效形式就是其风险的直接表现。核承压设备的失效是由于压力或其他载荷超过许用极限而丧失正常工作能力导致的。失效必将产生危害，尽管其失效形态多种多样。核承压设备的失效主要表现为强度、刚度、稳定性和腐蚀失效四种失效形态，这些失效形态不仅从承压设备的功能和盛装介质的固有危险性分析有可能出现，人为的或环境的因素也能增加危险事件出现的概率。只有危险成因得到控制，风险才能降低到预期程度。

3.2 核承压设备设计阶段应关注的失效模式

核承压设备的潜在风险会造成一定程度上的危害，降低风险是设计阶段应关注的焦点之一。首先应基于核承压设备的运行特点分析产生危害的要素和发生危害的可能性，然后分析产生危害的原因，再者确定消除危害的措施并评价措施的有效性、可靠性和经济性。核承压设备在完工后和运行期间，由于人员、设备、材料、方法和环境等各种因素的影响，也会产生危害性后果。因此，在设计阶段应充分预测并向用户提供充分的安全保障信息。

核承压设备所承受的载荷不同，其失效模式是不同的，主要的失效模式有壁厚减薄、焊缝表面开裂、尺寸变化、机械损伤等多种。如果说对一台在特定工况条件下的承压设备的主要失效模式还可以进行理论上的分析判断的话，那么对其失效可能性的预测则更加困难。对风险控制的措施有许多种，如设计上的周密考虑、生产中严格的设备工艺操作规程和日常巡检维护措施、定期检验措施等。对危险性较高的核承压设备而言，进行风险评估无疑是十分重要的和完全必要的。这也是贯彻国家关于安全、环保等方面政策的具体举措。但对设备设计人员而言，在具体的实施过程中可能还有许多困难，比如风险分析报告的格式、内容、深度等都需在具体的实施过程中不断完善。当然，这些都可以借鉴民用压力容器领域的经验，并针对核电领域的特殊要求和工况进行调整。

我国目前正在制定 《承压设备损伤模式识别》标准，拟提出一套比较完整的、合适我国承压设备现状的损伤模式和识别方法，其内容主要包括承压设备主要损伤模式、失效机理、影响因素、敏感材料、可能发生失效的设备或构件、检测方法等。此套标准的完善，必将有效地促进我国核承压设备设计阶段风险评估技术的发展。

4 结束语

核承压设备设计阶段的风险评估受到了越来越多设计者的重视，也渐渐地在各种场合被提及，各核电设计院包括国家核安全局都在关注此问题。核承压设备设计阶段的风险评估技术对提高核电安全，保证设备和系统的可靠性，都具有十分现实的意义。相信在各方不断地努力下，在对风险评估技术认知的不断加深下，核承压设备设计阶段的风险评估将逐步地引入和实施，从而提高核承压设备长周期安全运行的能力。

[1] 陈学东，王冰，杨铁成，等.基于风险的检测 （RBI）在 中国石化企业的实践及若干问题讨论 [J].压力容器，2004，21 （8）： 39-45.

[2] 国家质检总局国质检特 [2006]198号.关于开展基于风险的检验 （RBI）技术试点应用工作的通知 [S].

[3] 艾志斌，杨铁成，陈学东，等.应用RBI技术提高我国石化装置承压设备安全性保护的水平 [A].见：第一次全国工程风险分析技术学术会议论文集 [C].南京，2006：21-31.

[4] 陈学东，杨铁成，艾志斌，等.基于风险的检测 （RBI）在实践中若干问题讨论 [J].压力容器，2005，22（7）： 36-44.

[5] 陈学东，艾志斌，李景辰，等.压力容器风险评估技术在国家安全技术规范中的采用 [J].压力容器，2008，25 （12）：1-4.

[6] TSG R0004-2009.固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2010.

[7] 陈学东，艾志斌，杨铁成，等.基于风险的检测 （RBI）中以剩余寿命为基准的失效概论评价方法 [J].压力容器，2006，23 （5）： 1-5.

[8] 马德金.压力容器设计阶段风险评估的初步研究 [J].广州化工，2010，38 （8）：247-249.