基于風險的檢驗在合成氨裝置壓力容器上的應用

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(1.中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽 合肥 231600； 2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

近年來，基于風險的檢驗(Risk-based Inspection，簡稱RBI )技術在國內石油、化工等行業得到了推廣及應用，不但降低了企業的生產成本和檢修費用，而且能夠有效發現安全隱患，預防安全事故，確保企業生產安全，實現裝置長周期運行。目前，國內的很多合成氨裝置都采用了RBI技術并取得了較好效果[1-4]。因此，某公司于2017年5月委托中國特檢院對合成氨裝置進行了RBI風險評估。

RBI是以設備破壞而導致的介質泄漏為分析對象，以設備檢驗為主要手段的風險評估和管理過程。它是在科學分析評估設備的潛在損傷機理、失效模式、失效概率及失效后果等基礎上，對設備風險進行排序，找出主要問題和薄弱環節，為制定有針對性的檢驗方案提供參考[5]。

傳統檢驗主要從保障容器的安全角度出發來確定相應的檢驗方法和檢驗周期，檢驗的重點不突出。而采用RBI技術，可以依據風險評估結果、考慮設備固有的或潛在的失效風險，制定針對性的檢驗策略，合理分配檢驗資源。

1 合成氨裝置概況

某公司合成氨裝置于2013年3月投入使用，生產能力為280 kt/a，日產約1 000 t，基本的生產方法是以煤為原料生產合成氨。原料煤經多元料漿氣化工藝制備粗合成氣，粗合成氣經耐硫寬溫變換、低溫甲醇洗及液氮洗后，進入合成塔合成氨。合成氨裝置主要包括氣化系統、凈化系統和合成系統，其中氣化系統由料漿制備工段、氣化工段及渣水工段組成；凈化系統由變換工段、脫硫/脫碳工段、液氮洗工段和硫磺回收工段組成;合成系統主要由合成氣壓縮工段、冰機工段和氨合成工段組成。

2 裝置損傷機理

合成氨裝置潛在的損傷機理主要為腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化和機械損傷。其中,腐蝕減薄主要包括高溫硫化物腐蝕、二氧化碳腐蝕、外部腐蝕及高溫氫腐蝕；環境開裂主要包括氯化物應力腐蝕開裂、氨應力腐蝕開裂；材質劣化主要包括回火脆化、再熱裂紋；其他損傷主要包括沖刷、襯里失效等。

2.1 腐蝕減薄

2.1.1 高溫硫化物腐蝕

高溫硫化物腐蝕通常在鐵基合金溫度超過260 ℃時發生，溫度越高，腐蝕越快。一般分為無氫氣環境中的高溫硫化物腐蝕和氫氣環境中的高溫硫化氫腐蝕。裝置中處理含硫物料的高溫設備易發生高溫硫化物腐蝕。

2.1.2 二氧化碳腐蝕

二氧化碳和水共存條件下，易對鋼鐵材料發生腐蝕，即二氧化碳溶于水形成碳酸(H2CO3)時會發生二氧化碳腐蝕。酸會降低pH值，足夠的量會促進碳鋼的均勻腐蝕和點蝕。裝置中的鍋爐給水和蒸汽冷凝系統、二氧化碳吸收工段易發生二氧化碳腐蝕。

2.1.3 外部腐蝕

裸露設備管道的大氣腐蝕和有保溫材料覆蓋的設備管道的保溫層下腐蝕(CUI) 統稱為外部腐蝕。裝置中操作溫度為-12～121 ℃，無保溫層的碳鋼或低合金鋼容器，均可發生外部腐蝕，特別是漆層脫落部位、操作溫度在常溫附近波動的部位及停工或長期停用的壓力容器，易發生外部腐蝕。

2.1.4 高溫氫腐蝕

碳鋼或低合金鋼設備長期暴露在高溫臨氫環境下工作，當溫度高于204 ℃、氫分壓大于0.51 MPa時，活性的氫原子會向金屬基體內擴散，與金屬表面或內部的碳化物反應生成微量的甲烷，表現為鋼材表面或內部脫碳;微量的甲烷氣體聚集形成很大的內應力，最終造成鋼材表面鼓包或開裂，削弱金屬材質整體強度從而使設備發生失效。合成塔及其附近的進料/出料換熱器易發生高溫氫腐蝕(HTHA)。

2.2 環境開裂

2.2.1 氯化物應力腐蝕開裂

氯化物應力腐蝕開裂是在拉應力與氯離子聯合作用下形成的一種材料開裂，是應力腐蝕開裂的一種形式。一般來說，氯離子濃度越高，越易產生應力腐蝕開裂。合成氨裝置中的奧氏體不銹鋼設備易發生氯化物應力腐蝕開裂。

2.2.2 氨應力腐蝕開裂

一般情況下，碳鋼、低合金鋼在無水液氨中只發生輕微的均勻腐蝕，但在充裝、排料及檢修過程中，氧、二氧化碳和氨反應生成的氨基甲酸銨對碳鋼、低合金鋼有強烈腐蝕作用，加上焊縫處殘余應力較高，從而使鋼材表面的鈍化膜產生破裂，造成應力腐蝕。裝置中接觸液氨的碳鋼、低合金鋼容器易發生氨應力腐蝕開裂。

2.3 材質劣化

2.3.1 回火脆化

裝置中的低合金鋼(如鉻-鉬鋼)設備長時間暴露在343～593 ℃時，會使材料金相組織改變而導致材質韌性下降，引起韌性—脆性轉變溫度升高，產生回火脆化。在操作溫度下這種脆化并不明顯，但在環境溫度下就會顯現出來，并能夠造成材料脆性斷裂。

2.3.2 再熱裂紋

金屬在焊后熱處理或高溫服役期間，高應力區發生應力消除或應力松弛，粗晶區應力集中區域的晶界滑移量超過該部位塑性變形能力而發生開裂。裝置中高強度低合金鋼制造的設備及厚壁容器的接管焊接接頭等高拘束區容易產生再熱裂紋。

2.4 其他損傷

2.4.1 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是指固體、液體、氣體及其混合物的運動或相對運動在流體與金屬之間產生切應力造成的損傷。沖刷腐蝕能剝離金屬表面層，造成表面材料的損耗。裝置中所有暴露在流動介質環境下的設備都會產生沖刷腐蝕，嚴重沖刷腐蝕主要發生在合成氨裝置的進料部位、高流速部位等。

2.4.2 襯里失效

襯里和基材熱膨脹系數差別較大(差值可達30%甚至更大)，由于焊接后變形不協調，可產生局部高應力，甚至引發襯里開裂。因此，裝置中使用襯里的設備存在襯里失效的可能。

3 RBI風險評估結果

該次評估范圍為合成氨裝置的61臺壓力容器，其他容器、管道、安全閥不在該次評估范圍之內。評估范圍內設備類型見表1。評估采用中國特檢院自主開發的石化設備風險評估軟件，首先對61臺容器的原始資料(設計資料、工藝資料和檢驗資料等)進行收集、整理及錄入，建立數據庫；然后將61臺容器共劃分了101個評估單元，根據裝置的工藝流程劃分了33條物流回路。由于只是對部分容器進行評估，沒有劃分腐蝕回路。對61臺容器涉及的15種原材料牌號，選取軟件提供的相應材料牌號進行替代；最后參考中國特檢院提供的腐蝕速率專家數據庫選取腐蝕速率，所有涂層、保溫層狀況均設定為一般，采用溫和性氣候的腐蝕環境來計算外部腐蝕速率。

表1 評估范圍內的設備類型

3.1 風險評估結果

根據某公司的檢修計劃，選擇2017年5月30日作為風險評估時間點，評估結果見圖1。

圖1 壓力容器安全風險評估結果

由圖1可見，評估單元中有5個高風險評估單元，占整個評價單元的比例為4.95%；中高風險評估單元有18個，占整個評價單元的比例為17.82%；中風險評估單元55個，占整個評價單元的比例為54.46%；低風險評估單元23個，占整個評價單元的比例為22.77%。失效可能性等于5的評估單元有1個，失效可能性等于4的評估單元有7個，其余評估單元的失效可能性都小于3。

3.2 高風險設備分布及原因

表2列出了風險居前的5臺容器，分別為V-2101，E-2101，R-2101，E-2102和E-2103。這幾臺設備失效可能性高的原因是涉及的破壞模式較多，如E-2101，R-2101和E-2103都有幾種破壞模式疊加，說明這些設備的腐蝕速率高、應力腐蝕敏感性高。失效后果嚴重的原因是因為介質易燃、易爆、有毒且處于高溫高壓狀態，設備一旦破壞后，泄漏速率大，造成影響的面積大。另外，建議這些設備在年度檢查、日常維護和監控過程中給予重點關注。

表2 風險居前的壓力容器單元

4 檢驗策略的制訂

RBI評估是為了指導和優化檢驗，檢驗計劃和檢驗方案的制訂主要依據風險評估結果、GB/T 26610.2—2014《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略》及GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》。

4.1 檢驗范圍的確定

容器的檢驗范圍確定原則見表3。建議首次檢驗時按照較高保守程度確定檢驗范圍，優先抽檢失效可能性大于等于3、材質劣化和環境開裂敏感性較高的、有襯里的及超過設計壽命的設備。

表3 容器的檢驗范圍

4.2 檢驗方法的確定

(1)失效模式為均勻腐蝕、局部腐蝕減薄或外部腐蝕的，檢驗方法以宏觀檢查與超聲測厚為主。宏觀檢查主要包括外觀、結構及幾何尺寸等檢查；壁厚測定應當按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的要求選有代表性的位置。

(2)失效模式為應力腐蝕開裂的，在宏觀檢查和超聲測厚的基礎上，進行超聲波探傷、聲發射檢測。

(3)失效可能性大于3的壓力容器，檢驗比例按GB/T 26610.4—2014《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第4部分：失效可能性定量分析方法》中列出的“高度有效”或“中高度有效”選擇;失效可能性小于或等于3的按“中高度有效”或“中度有效”選擇。

4.3 開罐檢驗建議

根據風險評估的結果以及現場實際情況，對合成氨裝置壓力容器是否需要開罐檢驗提出如下建議：

(1)在能進入內部檢驗的情況下，高風險設備一定要開罐進行內部檢驗；低風險設備一般無需開罐檢驗。中高風險、中風險設備失效可能性等級為1和2的，如果無內壁應力腐蝕開裂或局部腐蝕環境，一般可不開罐檢驗；失效可能性為3的，視設備具體情況決定是否需要開罐檢驗；失效可能性為4或5的，通常應安排開罐檢驗。

(2)根據工藝需要，如更換催化劑、工藝變更、設備改造或操作時有異常情況的容器，通常應開罐檢驗；內部有特殊介質，開罐后反而會造成腐蝕的設備可不開罐，但應增加對內壁腐蝕環境有效的檢驗手段。

(3)根據裝置管理人員的經驗，以及裝置多年的運行情況與歷次檢驗情況，認為有必要的均應開罐檢驗。對于首檢設備，從工藝角度考慮需要開罐的，均應進行開罐檢驗。

5 結論與建議

(1)該次評估對象為合成氨裝置的61臺壓力容器。所涉及的主要損傷機理有高溫硫化物腐蝕、二氧化碳腐蝕、外部腐蝕、高溫氫腐蝕、氯化物應力腐蝕開裂、氨應力腐蝕開裂、回火脆化、再熱裂紋、沖刷腐蝕及襯里失效。

(2)該次評估結果中有5個高風險評估單元，18個中高風險評估單元，55個中風險評估單元，23個低風險評估單元。失效可能性為5的評估單元有1個，失效可能性為4的評估單元有7個，其余評估單元的失效可能性都小于3。

(3)分析了設備高風險的原因，依據風險評估結果，給出了容器的檢驗范圍、檢驗方法和開罐檢驗建議，為后期的定期檢驗提供參考。

(4)建議定期檢驗實施后，將檢驗數據與該次風險評估的結果進行對比總結，實施再評估，進一步掌握設備的風險情況。另外，公司應做好日常巡檢，并制訂好突發事故的應急預案與搶險措施，降低設備的運行風險。