完整性操作窗口管理方法及应用意义

戴金辉

（盛虹炼化（连云港）有限公司，江苏连云港 222002）

0 引言

美国石油协会（American Petroleum Institute，API）制定的API 584《完整性操作窗口》主要是针对工艺防腐问题的。它是一套被定义的操作参数界限，通过建立这些操作参数，以维持对系统腐蚀和结垢的控制。这些操作参数界限通常基于系统设计、结构的现有材料、完整性风险的评估，涉及到相对于窗口外在窗口内的工艺持续不变的操作，超过这个已建立完整性操作窗口的操作应当要求考虑操作管理变化事项。

国内外许多石油、化工、能源等行业或大型企业集团，已经依据完整性操作窗口理念，将其运用到生产装置设备的完整性管理中。例如，为了防止循环水冷却器结垢，要求工艺操作中保证循环水最小流量大于0.5 m/s 等。

1 完整性操作窗口定义

完整性操作窗口（Integrity Operating Window，IOW）是通过在DCS 上设定设备失效的操作界限（如高报警、高高报警），一旦超出这个界限，IOW 将反馈一个警报，提示操作已超限，从而预防设备提前失效或事故的发生，确保设备的安全运行[1]。

超出操作边界范围的操作运行，付出的当前代价是可能的突然失效破裂泄漏。从设计寿命角度来看，长远代价是装置的提前裂化，即寿命缩短。

2 完整性操作窗口的类型

完整性操作窗口通常有物理型和化学型两种类型。

（1）物理性。物理（机械或操作）限制本身并不具备化学的性质，但是却包含在设计变量范围内维持控制的关键工艺流程，如对于压力和温度的各种限制等。

（2）化学性。化学型界限与工艺中的化学反应和流体的含量有关，如pH、硫含量、盐含量、总酸值、酸强度、缓蚀剂浓度、氧含量等。

3 完整性操作窗口的限定值

依据操作参数超限运行的结果，操作参数限定值可划分为标准限定值和临界限定值两种。

（1）标准限定值是指如果操作参数超出此限定值并持续一定的时间，就可能导致设备失效。超限时间的长短由RBI（Risk Based Inspection，基于风险评估的设备检验技术）分析结果决定。

（2）临界限定值是指如果操作参数超过临界值，在相当短的时间内就会导致设备失效（图1）。

4 完整性操作窗口的风险评估

完整性操作窗口的建立工艺中，设备被分解为各种工艺变量的组合形式。针对每种类型每个指定的工艺变量，应该应用风险分析来确定风险等级评价。这种风险估计可以帮助操作员确定需要采取什么样的措施、在事情到不可控之前操作员有多少时间来采取措施。例如，风险越高，操作员越需要尽快做出反应，并且反应更强烈。风险越高，就需要更高等级处理措施，以便在达到临界风险等级之前获得最好的重新控制机会。图2 以简单的例子说明，可用于风险评估的矩阵和工艺是如何应用于建立完整性操作窗口的。推荐用以确定完整性操作窗口措施和责任的风险表如表1 所示。

图1 完整性操作窗口

图2 用以评价完整性操作窗口风险等级的一般风险矩阵

表1 推荐用以确定完整性操作窗口措施和责任的风险表

5 完整性操作窗口的建立步骤

完整性操作窗口的一般建立步骤如图3 所示。

建立完整性操作窗口要特别重视以下3 点。

（1）确定承压设备的操作界限。通过物理和化学控制，控制承压设备的使用寿命及可靠性。

（2）完整性操作窗口建立操作界限后，必须要有相应的监测手段。

（3）确定预警线，提示误操作或不合格操作。一旦操作值超过完整性操作窗口设置的界限，系统报警，提示操作人员调整工艺。

图3 建立完整性操作窗口的流程

6 完整性操作窗口的应用意义

完整性操作窗口主要的应用有两个方面：一是腐蚀防护；二是规范操作行为，从而确保所有在基层从业人员的工作环境是安全的。

完整性操作窗口作为设备完整性管理运行操作层面的重要组成部分，通过对工艺条件、操作条件的监测，识别设备的早期风险，以预防与干预设备提前劣化和事故的发生为目的，设定工艺条件和操作条件的边界值，确保设备的长周期安全运行。因此，可以认为完整性操作窗口主要用于工艺偏离设计的监测。

虽然目前完整性操作窗口的应用还不广泛，但是可以根据完整性操作窗口定义过程，通过DCS 以及其他监控手段，将其理念运用到生产装置的完整性管理中。

某乙二醇装置设计每年连续运行时间为8000 h，操作弹性为设计能力的50%～110%，在100%负荷下乙烯进料量28 t/h，按照生产要求，乙二醇装置需在超设计高负荷运行，将乙烯进料量提到33.6 t/h，即在120%负荷下运行。根据目前的运行参数，通过运用完整性操作窗口管理理念，可以对这装置部分设备的完整性做一个粗略的评估：

在目前运行状态下，乙二醇装置循环气压缩机入口压力为1.5 MPa（G），而设计压力为1.45 MPa（G），高报警压力为1.46 MPa（G）。按照完整性操作窗口理念，可以建立如下模型：压缩机设计压力为完整性操作窗口的目标值，在不考虑其他参数变化的情况，处于此条件下，设备能长周期运行。高报警值为目标值上限，目前的入口压力已超出目标值上限，可能处于标准限定值上限，那么，如果持续在此压力下操作，在将来的某个时间点设备就会出现失效。

另外，乙二醇装置由于在高负荷下运行，多块流量表流量出现高报警以及超量程现象，管线振动加大，调节阀振动加大。按照完整性操作窗口理念，流量已超过目标值上限，长时间运行将大大增加管线、管件失效的风险。

类似的实际值偏离设计值的情况在运承压设备还有很多，长期运行下去将会产生难以估计的不良后果。最终通过完整性窗口模型的建立分析，将装置负荷调整到正常设计范围内。

7 结束语

完整性操作窗口的内容丰富，简单明了，根据其理念可以建立工艺操作与运行设备完整性之间的关联，寻找工艺改变对设备完整性的影响，提前预测设备失效的发生，为生产装置的安全、可靠及长周期运行提供保障。