基于关键性的换热器分级评价及应用

郝新焕, 江 臣, 伍世昌, 钱恕涛

(1.中国石油独山子石化分公司研究院,新疆 克拉玛依 833699;2.中国石油独山子石化分公司机动设备处,新疆 克拉玛依 833699)

换热器作为炼化企业应用最广泛的设备,也是腐蚀问题较多的设备。对于炼化装置,换热器占静设备总量的40%左右,占装置投资总量的 1/5 左右,其结构复杂,工况多样,它的平稳运行对装置安全长周期运行意义重大[1-2]。

由于换热器数量庞大,管理难度增大,造成现有的维护方式,既消耗有限的资源又不能突出关键设备必要的特护,从而导致部分关键环节存在失修或维护不到位;管理处于事后维修状态,通常发生泄漏后才会引起重视,存在管理滞后、预知性检修不足的情况,因此有必要开展科学有效的管理策略研究,进行全生命周期管理。

1 评价方法的选择

随着企业可持续发展的需求,进入21世纪,完整性管理理念已成为石化行业设备管理的主要理论体系之一。

设备完整性管理思路:设备风险识别和评价→设备分级→制定风险管理策略并实施→设备低风险运行→再评估→设备风险识别和评价,循环往复。

在完整性管理体系中,要达到目标,风险管理是其有效的途径和基础[3-5]。首先就是要对风险进行评价分级,目前设备管理中,风险评估普遍采用RBI技术,是用失效的可能性和失效后果来评价,由于其评价的复杂性,需要大量的检测数据及失效信息做支持,工作量较大,其软件使用难度较大,不能被广大技术人员掌握,需要专门的机构进行评价,严重影响其使用效果;且其分析结果应用停留在制定检验计划阶段,在日常管理中没有发挥作用,不涉及风险减缓具体措施,对于静设备完整性管理还不完善[6]。而换热器由于其结构复杂,运行工况的多样性,其失效原因往往是多种形式或多种因素的综合结果,且其失效主要在换热管,检验覆盖率较低,采用RBI评价准确度不高。因此可采用资产关键性分析(ACA)和设备失效模式及影响分析(FMEA)相结合的方式对换热器的可靠性进行评价、分级。

1.1 资产关键性分析

ACA是一种通过评估资产对企业实现生产经营目标的潜在影响程度以确定资产关键程度的方法,利用关键性分析评定装置、系统、子系统和设备的风险,根据资产的关键性级别进行相关资源的合理分配,从而把主要精力用在关键的少数,以达到事半功倍的效果。

1.2 设备失效模式和后果分析

FMEA是通过分析每种失效模式对设备的影响,评价出每种失效模式影响的风险优先顺序数(RPN),根据评价结果,制定相应管理措施和维修保养方式,从而尽可能地减少和消除故障的产生,减少设备的非正常停运,提高设备的可靠性和维修性。这是一种事前行为,体现预防为主的思想。

1.3 总体评价流程

基于设备完整性管理,采用ACA对换热器进行严酷度分析,采用FMEA进行失效模式分析,然后对两要素进行综合评估,评价换热器的关键性,进行分级;再对失效模式进一步分析,形成健康性评价、分级;综合关键性和健康性得出重点管控对象;制定分级管控和全生命周期管控策略,管控或降低风险[7]。风险评估及管控总体流程见图1。

图1 换热器风险评估及管控总体流程

2 评价方法的建立

设备关键性分析常用的方法包括风险矩阵和量化评分的分析方法,具体过程见图2。

根据ACA分析方法和流程,通过现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段,建立设备分级规则、评定标准和评价方法。

(1)设备信息的收集:对评价涉及的换热器的规格、管束数量、温度、压力、材质、介质、投用时间、堵管数量和影响生产的程度等情况进行全面的收集,形成换热器基础信息台账,对换热器的运行情况进行摸底。通过对换热器信息进行统计分析,可以看出换热器目前存在的问题,从而摸清针对性的失效评价因素及标准。

(2)建立失效严酷度评价标准:根据换热器故障最终可能导致的影响,可结合本企业的管理方针,将其划分为HSE影响、生产损失和财产损失三方面。根据其危害程度,分别赋予不同的分值和等级。当评估涉及的装置单元较多和不同装置不同单元对生产及财产的影响不同时,为了使设备风险评价更加准确,可根据单元在装置中承担的不同功能设立装置系数和单元系数(K1),其中单元关键性系数≤装置关键性系数,用于对设备风险初评结果进行修正,使评估结果更加客观和合理。

(3)严酷度评价:依次按上述严酷度评价标准进行打分,采用经验及实际调查的方法确定各因素所占的比重,根据ACA中,量化评分值 =∑(加权系数×要素评分),对单元系数、HSE影响、生产损失和财产损失等要素综合,形成评估总体要素风险严酷度(S严酷)的计算公式,例如:S严酷=SHSE×20%+K1×20%+S生产×50%+S财产×20%。

(4)建立失效模式标准:根据炼化装置换热器的失效特点,对换热器历年失效类型进行统计分析,确定失效模式。例如对管束使用年限、腐蚀性(含介质腐蚀和冲刷腐蚀)、堵管率和是否存在附加载荷等4方面对换热器失效模式进行评价。将其划分成不同等级,分别赋予不同的分值,如管束使用年限评价标准见表1。

表1 管束使用年限失效模式评价标准

根据风险计算方法,评估总体要素风险失效模式(S失效)的计算公式如下:

S失效=∑(S腐蚀+S附加载荷+S堵管率+S年限)

(5)关键性评价:根据风险理论的数学关系,风险值=失效危害程度×发生概率;换热器关键性不仅与失效后果有关,而且与失效可能性有关,其中设备的失效模式、原因、影响具有比较紧密的联系,按照风险优先的原则,风险优先顺序数RPN=发生的频率×严重程度×检测等级,对换热器失效严酷度、失效模式要素评估结果进行综合,计算RPN的公式如下:RPN=S严酷×S失效。

根据RPN值的大小,RPN值越大潜在问题越严重,其失效可能性越高,从高到低,确定风险等级将换热器分成A,B,C和D。

其界定标准符合著名经济学家巴莱多的二八法则,即根据美国石油学会对炼化装置的统计和分析,80%～90%的风险来自20%左右的设备,因此在关键性综合评估中将高风险A和中高风险B的换热器数量控制在20%左右,其比例可结合企业KPI指标、维护运行成本等进行动态调整。

同时,基于“优先原则(即RPN值)的具体界限值亦可由FMEA小组具体讨论而定”原则[8-9],专家采用经验判断法,结合各装置换热器历史失效情况、换热器的管理、检维修成本等进行评估验证,确定公司风险可接受水平,如RPN<30,即RPN<30可以不加控制,得出分级界定值,见表2。

表2 关键性分析分级界定标准

(6)健康性评价:在评价换热管的严酷度和失效模式中,使用年限、介质腐蚀性、附加载荷、堵管情况等要素体现了换热器存在的潜在失效以及该失效的后果,直接或间接地反映了换热器的安全性,因此可将这四种要素组合用健康度的概念来评价换热器的安全可靠性。

考虑各失效模式对换热器的健康性影响是不同的,可取不同的占比,例如健康度的计算公式如下:健康度=S腐蚀×20%+S附加载荷×10%+S堵管率×60%+S年限×10%。

分别赋予不同的健康等级界定标准,将健康性分成4个等级,见表3。

表3 换热器健康性等级划分

按照上述换热器关键性和健康性评价方法对装置和单元换热器进行评价,可以看出换热器所处的风险、严重程度、关键性及健康程度。

3 应 用

3.1 分级管控策略

对高风险和中高风险的换热器的失效风险和失效原因信息进行分析,可以得出装置换热器存在的主要腐蚀问题及风险,以及需要采取的针对性的消减措施。

结合装置已有检维修策略,对A至D不同关键等级的换热器从设计、采购、安装、使用维护、检验检测、维修、改造、变更等方面制定分级管控策略——设备可靠性管理导则,以确保换热器全生命周期重点管控,如主要体现在:

制造:A/B级管束应实施驻厂监造,换热管应逐根进行涡流检测或超声波检测;管子与管板接头应采用强度胀+强度焊接方式。C/D级宜采用强度胀+密封焊接方式。

采购:新采购的A/B类水冷器循环水侧应进行热固熔处理。达不到两个大修运行周期的C/D级水冷器循环水侧应进行热固熔处理。

验收:A/B级换热管与管板角焊缝射线检测抽查比例为5%以上,且不少于20个。C/D级管束射线检测抽查比例不少于3%,且不少于10个。

涡流检测:A级每次大修应进行电涡流检测。抽查比例为 5%～10%,新换热器的首次检测不大于4 a。B级一个大修周期应进行一次电涡流检测,抽查比例为 3%～5%。C/D 级无腐蚀介质的运行2个大修周期,一次电涡流检测;有腐蚀介质的,根据腐蚀情况,每个大修周期应进行一次电涡流检测,抽查比例不超过3%。

管束更新报废:A级水冷器使用两个大修周期后应进行更换。腐蚀系统中的A级管束应定期进行电涡流检测,并根据结果制定定期更换计划,原则上运行时长不得超过两个大修周期,修复次数不超过2次。健康性等级应保持在2级,达到3/4级的,应制定更新计划;健康性等级达到2级的,可检修投入使用。B级换热器一般使用三个大修周期,原则上修复次数不超过2次。健康性等级达到3/4级的,应制定更新计划;健康性等级达到2级的,可检修投入使用。C/D原则上修复次数不超过3次,健康性等级达到4级的,应制定备用计划;健康性等级达到3级和2级的,可检修投入使用。

堵管换热器的管束处理:A级在同一管程内,堵管数量在5%以上或超过25根,应更换新换热器或管束。B级在同一管程内,堵管数量在10%以上或超过50根,应更换新换热器或管束。C/D级在工艺指标允许范围内,同一管程内,堵管数量可大于10%,最高不超过20%,超过20%时应进行整体更换或换管。

3.2 “一机一策”管控方案

为重点加强对风险大、健康性差的换热器的管控,实施精准和差异化的管控,可对健康等级为3/4级的A/B级换热器从运行控制参数、失效风险、工艺和材质防护措施、日常管控、查漏方法、管束更换备用情况等方面进行了梳理,逐一建立“一机一策”风险管控方案。明确高风险换热器的风险、日常管控要点和风险消减措施,指导装置换热器防泄漏精细化管理、差异化管理。

3.3 检维修及监检测等计划的制定

根据评价结果,将关键性评级高的换热器纳入大修腐蚀检查计划,进行重点检查,并结合分级情况进行涡流检测,指导装置预防性检维修作业计划的制定;同时可通过风险识别,优化和完善腐蚀监检测计划;也可在换热器发生泄漏等失效情况时,可通过风险评价信息表进行快速分析,找出失效原因和防范措施。

3.4 应用效果

通过风险识别,进行分级管控,结合“一机一策”管控方案,可明确换热器的风险,指导日常操作管控及预防性检维修作业。对裂解装置稀释蒸汽再沸器进行关键性及健康性评价,结果见表4。

表4 裂解装置稀释蒸汽再沸器关键性及健康性评价

由表4可知,裂解装置稀释蒸汽再沸器10-E-3012有13台,其中6台均为关键性B、健康性4级;10-E-3011有2台,评价分别为“关键性B、健康性4级”和 “关键性B、健康性3级”,说明稀释蒸汽单元腐蚀严重,需要重点关注和加强管控。

通过风险识别,其主要是存在腐蚀性介质(酸、碱),存在汽蚀,有结焦的情况,引起酸性或碱性水腐蚀及垢下腐蚀,造成管束减薄及穿孔泄漏,最多的已堵管4%左右。根据识别结果,对其工艺和设备措施进行全面梳理,建立“一机一策”管控方案,协助装置进行全面管控。制定通过急冷水系统投用甲苯萃取,减少结垢的措施,将控制方式和指标“循环甲苯流量占工艺水流量的1/12～1/8”及“甲苯萃取率不低于60%”写进方案中,指导装置的日常管控。

方案主要包括以下几个方面。

风险描述:酸腐蚀(硫化氢和有机酸等)、碱腐蚀(NaOH)、垢下腐蚀;造成管束内壁均匀腐蚀和局部腐蚀,严重时会造成管束穿孔和泄漏。

工艺防腐措施:(1)工艺水汽提塔10-C-3001塔顶进料线连续加注中和剂,加注量为7～22 mg/L;(2)10-C-3001塔釜连续加注20%NaOH,加注量为1～5 mg/L;(3)急冷水系统投用甲苯萃取,循环甲苯流量占工艺水流量的1/12～1/8。

控制指标:(1)10-E-3012入口pH值为7～9,总铁质量浓度不大于3 mg/L;(2)10-P-3071的pH值为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%。

日常操作维护:(1)10-E-3012操作温度(管层/壳层)160～170/180～195 ℃;操作压力(管层/壳层)0.6～0.8/0.7～1.1 MPa。(2)稀释蒸汽发生罐V3031液位50%～60%,控制连续排污量不低于工艺水总量的7%。(3)按照正常操作条件,锁定阀门开度,不允许随意调整。(4)分析工艺水AP30003油含量、COD、pH值、铁离子,1次/周。(5)分析稀释蒸汽AP30004油含量(1次/周)、AP30010中的pH值为7～10、钠离子低于50 μg/kg(1次/月)。

工艺冷凝水监测:10-E-3012入口、10-P-3071中的pH值、总铁,1次/周。

在线腐蚀监测方案:(1)10-C-3001(工艺水汽提塔)塔顶(温度111 ℃/压力0.05 MPa),塔釜(温度113 ℃/压力0.06 MPa),实时监测20号钢腐蚀速率不大于0.2 mm/a;(2)10-V-3031(稀释蒸汽发生罐)釜(170/0.7),实时监测20号钢腐蚀速率不大于0.2 mm/a。

运行情况下的查漏方案:(1)分析工艺水AP30003油含量、COD、苯乙烯含量。(2)分析稀释蒸汽AP30004和AP30010中的油含量。(3)运行设备工艺水侧倒淋进行排放查漏,检查是否有结焦或油介质。

涡流检测:停工检修涡流检测比例10%～20%,发现严重减薄的加倍扩检。

2022年5月腐蚀检查,对管控效果进行了评价,自2020年采取措施后稀释蒸汽发生器10-E-3011的运行周期已经超过了1年,达到了“单台稀释蒸汽发生器设备运行周期达到1年以上”的管理要求,10-E-3012换热器的检修周期也平均延长了半年,由原来的1年半左右到现在的2年～2年半,换热器运行风险降低。

4 结 论

(1)采用ACA和FMEA相结合的方法,从失效严酷度和失效模式两方面对换热器的关键性和健康性进行评价,采用RPN综合评估的方法,对换热器进行分级,可为设备分级管控、实施相应的检维修策略、制定管控措施和减少装置非计划停工提供理论依据。

(2)依据设备完整性管理理念,对设备进行分级管理和全生命周期管理,制定换热器管控策略,对高风险换热器实施重点管控,实现换热器的精准和差异化管理,为装置换热器日常管控和管理决策提供依据。可将设备运行风险降低至最小,以避免或减少突发性事件的发生,给企业带来经济效益的同时,确保生产装置安全运行。

(3)根据换热器风险分析,可以更加完善换热器的综合管控,建立一个全面的设备完整性管理系统,对运行装置进行科学管理,加强换热器管理的系统化、精细化、预知性,使设备达到长周期安全运行的目的,以提升设备管理的体系化。