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檢驗在合成氨裝置壓力容器的應(yīng)用論文
摘要：:采用基于風(fēng)險的檢驗(ＲBI)技術(shù)對某公司合成氨裝置的61臺壓力容器進行了風(fēng)險評估。分析了裝置存在的損傷機理，給出了61臺容器的評估結(jié)果及設(shè)備高風(fēng)險的原因。依據(jù)評估結(jié)果及相關(guān)標準規(guī)定，制定了容器的檢驗范圍、檢驗方法和開罐檢驗建議，為后期的定期檢驗提供參考。
關(guān)鍵詞：:基于風(fēng)險的檢驗;合成氨;損傷機理;檢驗方法
近年來，基于風(fēng)險的檢驗(Ｒisk-basedInspection，簡稱ＲBI)技術(shù)在國內(nèi)石油、化工等行業(yè)得到了推廣及應(yīng)用，不但降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本和檢修費用，而且能夠有效發(fā)現(xiàn)安全隱患，預(yù)防安全事故，確保企業(yè)生產(chǎn)安全，實現(xiàn)裝置長周期運行。目前，國內(nèi)的很多合成氨裝置都采用了ＲBI技術(shù)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(fēng)險評估。ＲBI是以設(shè)備破壞而導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏為分析對象，以設(shè)備檢驗為主要手段的風(fēng)險評估和管理過程。它是在科學(xué)分析評估設(shè)備的潛在損傷機理、失效模式、失效概率及失效后果等基礎(chǔ)上，對設(shè)備風(fēng)險進行排序，找出主要問題和薄弱環(huán)節(jié)，為制定有針對性的檢驗方案提供參考［5］。傳統(tǒng)檢驗主要從保障容器的安全角度出發(fā)來確定相應(yīng)的檢驗方法和檢驗周期，檢驗的重點不突出。而采用ＲBI技術(shù)，可以依據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果、考慮設(shè)備固有的或潛在的失效風(fēng)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(chǎn)能力為280kt/a，日產(chǎn)約1000t，基本的生產(chǎn)方法是以煤為原料生產(chǎn)合成氨。原料煤經(jīng)多元料漿氣化工藝制備粗合成氣，粗合成氣經(jīng)耐硫?qū)挏刈儞Q、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(tǒng)、凈化系統(tǒng)和合成系統(tǒng)，其中氣化系統(tǒng)由料漿制備工段、氣化工段及渣水工段組成;凈化系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境開裂、材質(zhì)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(huán)境開裂主要包括氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、氨應(yīng)力腐蝕開裂;材質(zhì)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(fā)生，溫度越高，腐蝕越快。一般分為無氫氣環(huán)境中的高溫硫化物腐蝕和氫氣環(huán)境中的高溫硫化氫腐蝕。裝置中處理含硫物料的高溫設(shè)備易發(fā)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(fā)生腐蝕，即二氧化碳溶于水形成碳酸(H2CO3)時會發(fā)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(tǒng)、二氧化碳吸收工段易發(fā)生二氧化碳腐蝕。
2．1．3外部腐蝕裸露設(shè)備管道的大氣腐蝕和有保溫材料覆蓋的設(shè)備管道的保溫層下腐蝕(CUI)統(tǒng)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(fā)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(fā)生外部腐蝕。
2．1．4高溫氫腐蝕碳鋼或低合金鋼設(shè)備長期暴露在高溫臨氫環(huán)境下工作，當(dāng)溫度高于204℃、氫分壓大于0．51MPa時，活性的氫原子會向金屬基體內(nèi)擴散，與金屬表面或內(nèi)部的碳化物反應(yīng)生成微量的甲烷，表現(xiàn)為鋼材表面或內(nèi)部脫碳;微量的甲烷氣體聚集形成很大的內(nèi)應(yīng)力，最終造成鋼材表面鼓包或開裂，削弱金屬材質(zhì)整體強度從而使設(shè)備發(fā)生失效。合成塔及其附近的進料/出料換熱器易發(fā)生高溫氫腐蝕(HTHA)。
2．2環(huán)境開裂
2．2．1氯化物應(yīng)力腐蝕開裂氯化物應(yīng)力腐蝕開裂是在拉應(yīng)力與氯離子聯(lián)合作用下形成的一種材料開裂，是應(yīng)力腐蝕開裂的一種形式。一般來說，氯離子濃度越高，越易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。合成氨裝置中的奧氏體不銹鋼設(shè)備易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。
2．2．2氨應(yīng)力腐蝕開裂一般情況下，碳鋼、低合金鋼在無水液氨中只發(fā)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(yīng)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(yīng)力較高，從而使鋼材表面的鈍化膜產(chǎn)生破裂，造成應(yīng)力腐蝕。裝置中接觸液氨的碳鋼、低合金鋼容器易發(fā)生氨應(yīng)力腐蝕開裂。
2．3材質(zhì)劣化
2．3．1回火脆化裝置中的低合金鋼(如鉻-鉬鋼)設(shè)備長時間暴露在343～593℃時，會使材料金相組織改變而導(dǎo)致材質(zhì)韌性下降，引起韌性—脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，產(chǎn)生回火脆化。在操作溫度下這種脆化并不明顯，但在環(huán)境溫度下就會顯現(xiàn)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(yīng)力區(qū)發(fā)生應(yīng)力消除或應(yīng)力松弛，粗晶區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域的晶界滑移量超過該部位塑性變形能力而發(fā)生開裂。裝置中高強度低合金鋼制造的設(shè)備及厚壁容器的接管焊接接頭等高拘束區(qū)容易產(chǎn)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(chǎn)生切應(yīng)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(zhì)環(huán)境下的設(shè)備都會產(chǎn)生沖刷腐蝕，嚴重沖刷腐蝕主要發(fā)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(shù)差別較大(差值可達30%甚至更大)，由于焊接后變形不協(xié)調(diào)，可產(chǎn)生局部高應(yīng)力，甚至引發(fā)襯里開裂。因此，裝置中使用襯里的設(shè)備存在襯里失效的可能。
3ＲBI風(fēng)險評估結(jié)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(nèi)。評估范圍內(nèi)設(shè)備類型見表1。評估采用中國特檢院自主開發(fā)的石化設(shè)備風(fēng)險評估軟件，首先對61臺容器的原始資料(設(shè)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(shù)據(jù)庫;然后將61臺容器共劃分了101個評估單元，根據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)庫選取腐蝕速率，所有涂層、保溫層狀況均設(shè)定為一般，采用溫和性氣候的腐蝕環(huán)境來計算外部腐蝕速率。
3．1風(fēng)險評估結(jié)果
根據(jù)某公司的檢修計劃，選擇2017年5月30日作為風(fēng)險評估時間點，評估結(jié)果見圖1。由圖1可見，評估單元中有5個高風(fēng)險評估單元，占整個評價單元的比例為4．95%;中高風(fēng)險評估單元有18個，占整個評價單元的比例為17．82%;中風(fēng)險評估單元55個，占整個評價單元的比例為54．46%;低風(fēng)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(fēng)險設(shè)備分布及原因
表2列出了風(fēng)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(shè)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(shè)備的腐蝕速率高、應(yīng)力腐蝕敏感性高。失效后果嚴重的原因是因為介質(zhì)易燃、易爆、有毒且處于高溫高壓狀態(tài)，設(shè)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(shè)備在年度檢查、日常維護和監(jiān)控過程中給予重點關(guān)注。
4檢驗策略的制訂
�。褺I評估是為了指導(dǎo)和優(yōu)化檢驗，檢驗計劃和檢驗方案的制訂主要依據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果、GB/T26610．2—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則第2部分:基于風(fēng)險的檢驗策略》及GB/T30579—2014《承壓設(shè)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(yōu)先抽檢失效可能性大于等于3、材質(zhì)劣化和環(huán)境開裂敏感性較高的、有襯里的及超過設(shè)計壽命的設(shè)備。
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(jié)構(gòu)及幾何尺寸等檢查;壁厚測定應(yīng)當(dāng)按照TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求選有代表性的位置。(2)失效模式為應(yīng)力腐蝕開裂的，在宏觀檢查和超聲測厚的基礎(chǔ)上，進行超聲波探傷、聲發(fā)射檢測。(3)失效可能性大于3的壓力容器，檢驗比例按GB/T26610．4—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)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(jù)風(fēng)險評估的結(jié)果以及現(xiàn)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(nèi)部檢驗的情況下，高風(fēng)險設(shè)備一定要開罐進行內(nèi)部檢驗;低風(fēng)險設(shè)備一般無需開罐檢驗。中高風(fēng)險、中風(fēng)險設(shè)備失效可能性等級為1和2的，如果無內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕開裂或局部腐蝕環(huán)境，一般可不開罐檢驗;失效可能性為3的，視設(shè)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(yīng)安排開罐檢驗。(2)根據(jù)工藝需要，如更換催化劑、工藝變更、設(shè)備改造或操作時有異常情況的容器，通常應(yīng)開罐檢驗;內(nèi)部有特殊介質(zhì)，開罐后反而會造成腐蝕的設(shè)備可不開罐，但應(yīng)增加對內(nèi)壁腐蝕環(huán)境有效的檢驗手段。(3)根據(jù)裝置管理人員的經(jīng)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(yīng)開罐檢驗。對于首檢設(shè)備，從工藝角度考慮需要開罐的，均應(yīng)進行開罐檢驗。
5結(jié)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(yīng)力腐蝕開裂、氨應(yīng)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(jié)果中有5個高風(fēng)險評估單元，18個中高風(fēng)險評估單元，55個中風(fēng)險評估單元，23個低風(fēng)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(shè)備高風(fēng)險的原因，依據(jù)風(fēng)險評估結(jié)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(shù)據(jù)與該次風(fēng)險評估的結(jié)果進行對比總結(jié)，實施再評估，進一步掌握設(shè)備的風(fēng)險情況。另外，公司應(yīng)做好日常巡檢，并制訂好突發(fā)事故的應(yīng)急預(yù)案與搶險措施，降低設(shè)備的運行風(fēng)險。
參考文獻
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