石化装置超年限压力容器检验管理技术研究

朱爱娟 方 珍

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

特种设备是国民经济的重要基础设施，与社会、经济活动密切相关。特种设备的安全工作直接关系到广大人民群众的生命、财产安全，以及经济发展和社会稳定的大局。压力容器在一定温度和压力下工作，装载介质复杂，且在十分苛刻的环境下运行，在石油化工装置等领域被广泛使用。压力容器的主要危险是其密封介质的能力易失效，表现形式主要包括爆炸和泄漏两种，常见的压力容器事故有爆炸、泄漏、爆燃、火灾、中毒以及设备损坏等类型。很多石油化工企业建立历史已达30年以上，其各种生产装置内存在较多的超年限服役的压力容器，数量众多，对于生产至关重要，如何保证其安全使用是一个值得深入研究的重要课题。

1 超年限服役压力容器概述和研究现状

超年限服役压力容器是指超过设计使用年限的压力容器。根据《中华人民共和国特种设备安全法》和《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG 21—2016)之规定，超年限服役压力容器是指使用超过20年或超过设计使用年限的压力容器。根据国家质检总局特设局历年来全国特种设备事故发生环节的数据统计，约80%的事故发生在使用环节。可以预见，在未来相当长一段时期内，增强使用环节的管理和检验检测将成为提高特种设备安全保障和降低事故发生率的重要对策之一。

目前，国内许多石化企业、发电厂、钢厂等单位已运行了相当长一段时间，这些企业的压力容器普遍存在超年限服役的现象。以某石化企业为例，据不完全统计，截止到2014年底，1 800多台压力容器的使用年限超过20年，其中超过25年的压力容器有900多台，超过30年的压力容器有440多台。在未来5年内，将增加1 000多台使用年限超20年的压力容器，总数可达近3 000台，具体如图1所示。

图1 截至2014年底某石化厂超20年在役压力容器统计

超年限服役压力容器存在一定隐患，概括起来主要有以下几点：(1)材料在长期的运行过程中产生的微观结构变化导致在材料性能上的变化，如韧脆转变温度的提高、石墨化、珠光体球化等；(2)交变载荷的作用，早期的压力容器规范未涉及疲劳设计，经常在高温、压力波动作用下运行，且经受频繁开停车，经过长时间的运行，在不出现显著的塑形变形时，很容易导致断裂的出现；(3)材料在长期的高温下运行，产生蠕变损伤或高温断裂，从而导致容器失效；(4)早期的设计制造规范、材料标准、冶金水平等存在许多局限性，如焊缝位置和焊接方式不合理等；(5)压力容器长期服役情况下，由疲劳、蠕变、腐蚀等损伤交互作用累计的损伤导致容器失效；(6)于生产工艺改变或原料介质成分不同，导致出现设计时未能考虑的损伤机理，对原设计寿命周期产生影响。但是目前针对超年限服役压力容器如何检验和管理的研究较少，还没有建立一个行之有效的准则和方法体系。因此，对这些超年限压力容器如何进行检验检测和使用管理成了一个亟待解决的问题。虽然相关的法律和法规条文中对超年限服役压力容器进行了一些规定和限制，但对于如何具体执行检验检测并没有详细的条文说明，如过严可能造成过度检验和过严管理，但过松则可能造成检验不足和管理缺失。因此采用科学的方法研究超年限服役压力容器的检验和管理是非常必要的。

目前，国内的石化行业已进入发展鼎盛期，其中许多石化企业建厂历史均较长，许多压力容器处于超年限服役状态，这些压力容器之所以还在继续服役，与我国现阶段的发展需求相关。

(1)对于超年限服役的压力容器，国内的法律法规中如《中华人民共和国特种设备安全法》第四十八条、《固定式压力容器安全技术监察规程》第7.1.7款、《特种设备使用管理规则》(TSG 08—2017)第2.14款中对此进行了相应的规定，在满足一定条件下，可以继续进行服役。

(2)压力容器的设计寿命通常不等于实际使用寿命，它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计，一般情况下采用的数值比较保守，许多压力容器达到设计寿命后仍有富足的剩余寿命。如实际的腐蚀速率小于设计时的腐蚀速率，设计时采用的疲劳、高温蠕变的试验数据过于保守等。超年限压力容器是否继续服役不能搞“一刀切”，应当依据该容器实际使用情况、损伤机理及失效模式、检验检测结果等各方面因素综合考虑后来确定。

(3)由于石化企业的投资巨大，因此设备的使用寿命直接影响资源、能源和资金的利用。一个“短命工程”和一个“长寿工程”对资源和资金消耗的差别很大。因此，简单地淘汰超年限压力容器的做法不科学，与现行经济发展要求相违背，科学的做法是采用高新技术方法挖掘这些设备的潜力，使之能继续运行一段时间[1]。由此可见，尽可能延长石化装置的使用寿命，是当前实施可持续发展战略的重要需求。

对于超年限服役压力容器的检验检测，国内外的规范和标准都进行了一些规定，如欧盟标准EN 13445-3—2009中，对超过设计期限的疲劳和蠕变条件下的压力容器有一个推荐性规定：即重点在容器高应力区域进行无损检测。我国的《固定式压力容器安全技术监察规程》第7.1.7款中虽然提到“参照定期检验的有关规定对其进行检验”，但按照此有关规定是否能够满足超期服役的压力容器的检验要求仍需进一步研究。另外，一些机构和学者也进行了有益的探讨，如以剩余寿命的失效概率评价方法[2-3]，应用声发射检测、应力测定和超声波探伤相结合的方法[4]，采用工程物探调查和软件评估方法[5]，采用宏观性能、微观结构和失效机理相结合的方法[6-7]等。

对于超年限服役压力容器监管方面，虽然我国在承压类特种设备分类上已经取得了较大的进步，但是仍存在定量性差、较少考虑现实风险因素、较少涉及人员管理环境因素等缺点，不能把系统中多维度的风险影响因素纳入其中，整体系统地进行分析评判[8-9]。因此，针对超年限服役压力容器进行风险评价并分类分级，体现科学管理中“突出重点、分类管理、精准管理”的思想，是提升石化企业安全管理效能的重要手段。风险分级的方法按照表现形式有风险矩阵法、风险指数法等几种。

2 超年限压力容器损伤机理分析

根据可靠性理论，设备的失效都遵循浴盆曲线规律，由于曲线的形状呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，可划分为3个阶段：早期失效期、正常使用期、耗损老化失效期。超年限服役的压力容器是一种特殊的情况，如图2所示，处于Ⅱ、Ⅲ阶段之间，应对其进行专项研究。

超年限服役压力容器由于受到环境、时间、工况、介质等因素的影响，会产生一定的损伤，这些损伤对超年限压力容器的继续安全服役会产生一定的安全隐患。因此，超年限压力容器的检验及安全评价应针对这些损伤来进行，参照国内外标准和经验，超年限压力容器与时间相关的损伤机理及检验方法如表1所示。

图2 浴盆曲线示意

表1 超年限压力容器损伤机理与检测手段对照

3 超年限服役压力容器剩余寿命评估方法

通过对超年限服役压力容器进行损伤机理和失效模式分析，找出最容易出问题的部位，在强度校核基础上(必要时须进行有限元分析)，结合合于使用评价，建立基于“成本-效益”的3级超年限服役压力容器剩余寿命评估方法。

3.1 基于设计参数的1级剩余寿命评估

在1级剩余寿命评估中，将采用设计标准中所提供的简化应力分析(如环向的应力计算)和设计参数。该等级应系统地辨识那些需要进行剩余寿命分析的关键部件，并进行较为保守的筛选。

1级寿命评估主要包括设计计算的审查，以及部件关于服役寿命、温度和循环载荷、所采用设计标准的再评价，以及其他类似或相关设备的经验。该等级寿命评估是在获得最少的检验和部件信息的情况下，最为基本和保守的筛选准则。该等级的剩余寿命评估也可初步确定设备需要维护或更换的时间点以及失效速率。

3.2 基于运行数据和操作历程的2级剩余寿命评估

2级剩余寿命评估可通过采用实际运行数据，比如从现场仪表或现有的测试传感器中获得数据，以作出一个较为详细的寿命预测，从而得到比1级评估更为精确的结果。在2级评估中，同样需要1级评估的信息，但还需增补通过常规检验获得的数据，以及通过应力计算分析获得的数据。

2级剩余寿命评估中通常需要获得以下的数据和信息：

(1)宏观检查或无损检测，但对于初期的蠕变损伤以及那些未预料的微观损伤，常规的无损检测技术通常无法探测到；

(2)测量或审查当前实际运行的温度、应力或应变，以及已知的缺陷；

(3)审查或估计压力和温度历程，评价设计与服役之间温度差和外力的影响；

(4)测量压力容器本体重要的几何尺寸，包括壁厚和不圆度；

(5)审查检验、维护、修理或更换记录；

(6)通过现场金相或覆膜金相的方法进行容器表面微观检测；

(7)审查质量证明书等制造资料来确定实际建造材料的性能和化学成分。

3.3 基于试验和现场检验的3级剩余寿命评估

在3级剩余寿命评估中，通常需要最为详细的检验和部件信息，以及大量的和更加复杂的检测数据，如金相和力学测试数据，并在1、2级数据的基础上，仍需增补由监控(如热电偶、应变计或振动监测)获得的数据。该等级也可能需要复杂的应力分析(如有限元方法)以及蠕变加速试验或断裂韧性测试数据。该等级给出了一个最为详细的剩余寿命评估，从而得出比2级评估更为精确的结果。

3级剩余寿命评估通常需要增补下面的数据和信息：

(1)从在役设备上取样进行力学试验和金相检测，包括加速蠕变试验和断裂韧性试验；

(2)其他的专门试验，如腐蚀或磨蚀加速试验；

(3)采用更加详细的应力信息进行评估，如应变仪和有限元分析。

4 超年限服役压力容器检验方法及步骤

对于超年限服役压力容器检验检测方法的选择，主要依据以下几个方面进行：根据损伤机理来确定应检查的缺陷类型；根据损伤发生的部位来选择检验部位；根据需检测的缺陷类型选择采用何种检测方法；根据风险等级和剩余使用寿命确定检验有效性。

检验评估过程共分两个阶段：第一阶段是基础数据采集、软件录入、风险评价；第二阶段为制定检验策略、现场检验、评估服役适应性、制定监控措施、制定检验周期。

风险评价阶段主要针对：容器部件损伤机理以及腐蚀速率或敏感性分析，确定容器部件失效的可能性、失效后果、风险等级。制定检验策略主要针对设备的失效模式进行制定，将较多的检验资源投入到高风险部件。

评估服役适应性主要根据其腐蚀速率来确定其剩余寿命和未来服役状态。未来服役状态包括符合要求、基本符合要求和不符合要求3个方面。

(1)符合要求：风险评估结果为中、低风险，或通过检验未发现或发现只有轻度不影响安全的缺陷，可以按照预测的剩余使用寿命继续使用。

(2)基本符合要求：风险评估结果为中高风险以上(包括中高风险)及失效可能性不小于4，且通过检验后无法进行降级的；或通过检验仅发现一般缺陷；或虽然发现严重缺陷，但经过合于使用评价并修复后认为可以延期使用的情况，可以按预测的剩余使用寿命监控使用或降级使用。

(3)不符合要求：检验中发现严重缺陷，经过合于使用评价后，认为不能保证安全运行的情况；或已到达预测的剩余使用寿命末期的情况，应当修复、报废或更换。

制定监控措施主要对具有以下情况的压力容器实施监控：一种情况为风险评价结果为中高风险及以上且失效可能性等级大于等于4；另一种情况为检验员出具的检验报告中已判定为基本符合要求。

检验周期的确定主要考虑以下几个方面因素：国内相关法律规范的要求；设备的风险等级与检验历史；含缺陷设备完整性评估与寿命预测结果等。具体执行过程如图3所示。

图3 超年限服役压力容器检验评估过程示意

5 超年限服役压力容器风险管理方法

运用风险评价的基本理论，研究超年限压力容器事故发生的可能性以及后果的严重程度，全面系统地考虑多维度的风险因素，建立超年限服役压力容器风险分类分级模型。以超年限服役压力容器为分析“点”，服役时间为分析“线”，“人、机、环、管、法”为分析“面”，构建多维度风险因素辨识分析体系。将超年限服役压力容器分为不同的风险等级，采取合理有效的检验及管理手段，最终可以降低事故发生率，保障设备的安全运行。

根据事故预防的3E(技术、教育、管理)要素理论以及安全系统4M(人、机、环、管)要素理论，确定超年限服役压力容器发生事故的可能性及后果严重程度影响因素。超年限服役压力容器发生事故的可能性主要从设备本体技术情况、管理、使用运行3个方面进行考虑，从不同的角度以预防的思路寻找影响事故发生可能性大小的因素；发生事故后果严重程度主要考虑人员、经济、环境和社会四个方面，全面综合考量可能造成的后果严重程度。并建立超年限服役压力容器分类分级数学模型，最终将可能性和后果严重性以风险矩阵的方式输出。

超年限服役压力容器管理方法将采用风险分级方法，利用上述风险模型进行风险排序，主要分为低、中、高三级风险，并利用ABC管理方法，对不同的风险采用不同类别的管理策略(A、B、C类)。

A类：低风险，实行常规管理为主、安全监控为辅的模式；

B类：中度风险，即重点监控设备，实施常规管理和安全监控并重的管理方式，在常规管理的基础上，适当投入一定资源加强对其进行安全管理；

C类：高风险，包括设备存在重大安全隐患、不符合法律法规要求等，实行全面重点管理，要投入大量的资源有效监控，加强管理的动态性、时效性，防止事故发生。

6 结语

通过分析超年限服役压力容器相关的潜在损伤机理，建立了针对超年限服役压力容器的检验方法，引进风险检验和合于使用对超年限服役的压力容器进行评价；同时，针对超年限服役压力容器提出一种分类分级管理方法，以保障超年限压力容器安全可靠的运行。