在役承压设备基于风险的检验和工程适用性评估技术的发展
Development of Risk-Based Inspection and Engineering Fitness-for-Service Assessment Techniques for the In-Service Pressure Equipment
陈登丰CHEN Dengfeng

本文论述在役承压设备基于风险的检验和工程适用性技术的发展,现文暂刊登五个部分的第一部分----基于风险的检验。
This paper describes the development of risk-based inspection and engineering fitness-for-service techniques for in-service pressure equipment. This is Part 1 – Risk-Based Inspection (There are 5 Parts total)
基于风险的检验,工程适用性评估,在役承压设备,失效频度(概率),失效后果, 风险矩阵
Risk-base inspection, Engineering Fitness-For-Service Assessment, In-Service Pressure Equipment, Failure Likelihood (Probability), Failure Consequence,Risk Matrix

        二十一世纪承压设备标准化是处于继承、发展和改革创新的时期,其一大特点是ASME和欧盟两大标准体系竞争态势的形成。自从PEDEN 13445的出台、ASME决定重写第VIII卷第2册以来,正在罗致全球压力容器界的精英(包括欧洲的精英)从事这一巨大工程,一部崭新概念的压力容器设计规范即将问世。从总体上看,二十世纪是新造承压设备规范不断完善、形成体系,重点放在建造过程的质量控制和对制造商的合格评审,从设计、制造源头上保证承压设备的安全。但在ASME锅炉压力容器规范12卷中,除第XI卷为核容器在役检验、第XII卷运输罐(即移动式压力容器)融入NB的检验规范外,固定式非核压力容器的在役检验规范还是空白。二十世纪末API抢先于ASME颁布了适用于炼油和石油化工行业的API 581“基于风险的检验” 简称RBI注1API RP 580“基于风险的检验推荐规程”,API RP 579“地上储罐工程适用性评估”,简称FFS评估注2,以及API RP 571“炼油工业固定式设备破坏机理”等4个有关承压设备在役检验和风险管理注3的标准,引起全球对传统在役检验方法,即基于时间的定期检验的重新审视和提出质疑注4,欧盟和美国先后采取措施、加强对RBI+FFS的研发力度,加快编写为工程界普遍采用的RBI+FFS规范,使之不仅适用于炼油和石油化工,也适用于炼钢、电力、化学和其他领域。由于API抢先于ASME颁布了上述标准(上述标准的编写也有欧洲专家参与),为避免研发工作的重复和相互矛盾,1998年4月,ASME和API强强联合,达成共同开发更具普遍意义的RBI+FFS标准的协议,并确定联合开发的标准名称为 ASME/API 压力容器和管道检验规范(PVP INSPECTION CODE)(见文献1)。另一方面,欧盟为研发自己的RBI+FFS标准,由欧委会出资,组织欧洲权威机构也在开展这方面的研发工作,并成立了2个网站,一个叫RIMAP注5,一个叫FITNET注6。2个网站为RBI和FFS的公开论坛,及时公布研发成果技术报告,旨在开发具有欧洲特色的RBI+FFS标准。欧盟和美国再度在承压设备的在役检验方面展开竞争,都提出他们的标准要争取成为ISO标准。
        从技术和管理角度看,在役承压设备的风险管理比新造设备的质量管理更为复杂,主要原因是有很多不确定因素, 如失效模式在API RP 571中有60多种, 但大体上分为2类,一类是破坏趋势可预测的, 例如腐蚀减薄型失效, 或渐发型失效,另一种是破坏趋势不可预测的,例如:应力腐蚀裂纹,或突发型失效。对于后者,其失效频率或概率很难估计,剩余寿命很难计算。在风险管理中检验的一个重要作用就是可减少或消灭一些不确定因素,可提高可预测度。又如:失效历史记录的有无和详细程度,有没有失效数据库等,这些都制约了风险评估的难度。在役承压设备的风险评估要依靠经验丰富的专家,要利用很多现代技术,包括线弹性、弹塑性断裂力学、概率断裂力学、可靠性工程(包括故障树分析、事件树分析)、HAZOP (过程危害性分析)、有限元分析技术、材料技术、设计技术、焊接技术、无损检验技术、带缺陷设备修补技术等,可谓集承压设备各种现代技术的大成。
        风险管理总的目标是在更大程度上提高承压设备的安全性、降低设备的检验和维护成本、减少设备非计划停机时间、提高设备的利润率,从而使产品成本大大降低,市场竞争力大大提高,在运行安全和经济上都提高了一个台阶,这是建设节约型和环境友好型社会的必然要求。
        传统的定期检验方法虽然能保证设备的安全运行,但存在许多弊端。首先,它把有限的检验资源(人力、物力和财力)分散用于普查式的台台设备过关,不但不能抓住关键设备进行有重点的详细检验,而且进行了很多无效检验和不必要的检验,浪费很大。据统计,一个压力系统的失效,并非系统之内的所有设备在同一时间都失效,而是仅仅有20%左右的极少数设备首先失效引起的,如果找出这20%的高风险设备做重点检验测,解决其安全问题,那么,整个系统也就安全了。而无效检验和不必要的检验不但浪费了资金,往往事与愿违,不能得到理想效果,反而成事不足,败事有余,愈修愈坏。
        本文简要地介绍基于风险的检验(RBI)和工程适用性评估(FFS),将论述五个部分:
        一、基于风险的检验;二、工程适用性评估;三、ASME/API联合检验规范;四、RBIFFS的应用;五、RBIFFS的经济效益评估。

一. 基于风险的检验(RBI)
        长期以来检验计划是根据失效概率来制定的,不考虑失效后果,因此,高风险设备很容易被忽视。现代的定义是:风险 = 失效概率(频率)×失效后果注7
        目前对RBI有如下多种定义:
        1) RBI是帮助使用者对检验和维修费用做出决策的一种系统工具。
        2) RBI是采用风险为基础对检验工作进行优先化排序和管理的方法。RBI是多种技术的结合,它以基于风险的方法评估和编制检验计划。RBI通过计算失效后果和失效概率(频度)进行工作。以失效后果和失效概率(频度)的组合来识别哪些设备必须给予最大的关注。
        3) RBI用于确定每台设备的风险等级并对其进行风险排序的一种系统工具。
        RBI的目的是制定最适合的检验频度(检验周期)以防止检验不足(under-inspection)引起极大的潜在风险和防止检验过度(over-inspection)造成不必要的资源浪费。由于80%的出险(risk exposure)取决于20%的高风险设备,故必须把有限的检验资源用在刀刃上。
        数据和信息的收集十分重要,它包括设备的运行史;类似和相同设备在相同工况下的运行史以及设计裕度,失效模式和材料性能退化机制等。失效后果和失效概率(频度)的计算根据资料的详略和要求的精度可以是定性、半定量和定量的三种方法,定性的方法主要依靠专家判断,得出的结论最为保守;DNV对定性的RBI开发成功一种“对话模块式检验软件”,叫做DMI(dialogue modular inspection)。半定量的RBI,结论是次保守的,其应用例子,见文献19。精确的结论是采用定量方法,但需要收集大量资料和数据,计算非常复杂。
        失效后果定量计算要根据释放率和释放量(瞬时的和连续的)。估算释放率和释放量的依据是压差、开孔大小、泄漏检验方法和隔离泄漏的能力;预测释放造成的危害要根据释放量、被释放物质的成分、被释放物质造成的受害面积、对环境的影响以及由于释放造成经营中断的影响等来计算。文献(4)把定量失效后果表示为:失效后果 = 人员伤亡($)+环境影响+损坏设备修理费用($)+邻近设备修理费用($)+停机损失($)。
        RBI的流程如图1所示。

1 RBI的流程
       失效概率的定量计算有以下几种:
        1) 阿克苏-诺贝尔(AKZO NOBEL)法。这一方法是反向计算失效概率,所计算的是完整性因数(INTEGRITYFACTOR,S),完整性因数愈大,失效概率就愈低。好比身体愈健康,生病的概率就愈小。如从S求相应的失效概率,应为S的倒数,即1/S。计算公式如下:
        S = {Dlast-(CR x I)× U}/Dmin
        式中: Dlast = 前次测得的厚度(mm)CR = 厚度减薄率(mm/year)
        I = 检验周期(year)U = 不确定系数
        Dmin = 允许的最小厚度(mm)
        从上述公式可以看出,为减小失效概率(1)必须增加S,亦即必须减少I,即加强检验频度;(2)提高Dlast,即更换或更新设备;(3)降低CR,即更换为别的材料或改变操作条件;(4)减小U,例如采用更为可靠的无损检测技术;(5)采用FFS评估,以降低Dmin
        2) DNV法(即API 581的方法)。这一方法是从失效库里面取出同类型设备的平均失效概率,然后针对该设备的特点用2个系数加以修正,一是该设备的修正系数,一是管理系统评价系数。好比同年龄人群对某种疾病有一个平均的发病率,但具体到某一个人对这一疾病的发病率还要取决于此人的体质和对身体的保养水平。按照这个思路,可得到以下的公式:
        Freq adjusted = Freqgeneric x FE x FM
        式中:Freq adjusted = 修正后的失效概率Freqgeneric = 一般失效概率(取自失效概率库)
        FE = 设备修正系数(对每台的特点及其操作环境进行详细分析后确定)
        FM = 管理系统评价系数(对管理系统对设备完整性的影响作详细分析后确定)
        3) 英国焊接研究所(TWI)法。这一方法与DNV法类似,以每一种破坏机制的平均失效概率为基础,然后再以各种系数加以修正,但不分设备修正系数和管理系统评价系数。其公式如下:
        L(t) = DMF(t)x (LF 1+ LF2+ LF 3 + ……….)
        式中:L(t)= 每台设备对于每种破坏机制在时间t内的失效概率得分
        DMF = 破坏机制因数得分LF = 失效概率因数得分

 





5

 

 

 

高风险区

4

 

 

 

 

 

3

 

中等风险区

 

 

2

 

 

 

 

 

1

低风险区

 

 

 

 

A

B

C

D

E

 

失效后果

图2 5 x 5 风险等级
        无论失效后果或失效概率(频度)都是以数字表示,把两组数字按照严重程度的次序分别划分为5个区间,例如:失效概率 (频度) 划分为极高(very high)、高级(high)、中级(medium)、低级(low)和极低(very low)概率(频度),简称特、高、中、低、微5级;失效后果也是5级。5个等级也可用A、B、C、D、E或1、2、3、4、5来表示。这样,就可在一个5 x 5的风险矩阵图上来确定每台设备的位置(风险等级)了(图2)。这就是利用风险矩阵图来进行风险等级的排序和制定检验计划,凡被划定在高风险区的设备必须集中力量立刻进行检验,划定在中等或低风险区的设备可适当延长检验周期。定性和半定量的RBI都可采用风险矩阵图进行风险排序,除5 x 5矩阵外,也可采用4 x 4 或3 x 3更为简化的矩阵,但所得结论更不精确。
        对于检验出来的问题,必须根据FFS评估采取适当降低风险等级的措施,并按照图1所示流程进行再评估。
        以上是RBI的大致情况,在具体执行RBI时还有很多具体问题。表1列出目前市场出现的RBI软件,其中DNV软件国内使用者有20家左右,包括:中石油的大庆设计院、华西研究院;中石化的燕山炼油厂、上海石化厂、扬子石化厂、茂名石化厂、天津石化厂、华南理工大学等。
表1 RBI软件

软件名称

说明

API

RBI软件,用于炼油工业,根据API 581编制

ORBIT Offshore(DNV)

RBI软件,用于近海采油。根据DNV RP G101注8编制。失效后果模式根据PHAST技术注9

ORBIT Onshore(DNV)

RBI软件,用于石化和化学工业。性能退化机制依据API 581,失效后果模式依据PHAST技术注9

ORBIT RCM(DNV)

RCM软件,用于近海采油和石化工业,依据DNV基于风险的维护模式注10

PRM-package(Shell Global Solutions)注10

RBI-、RCM- 和IPF软件,用于炼油和油、气工业。风险和可靠性管理是组合了Shell-RBI, Shell-RCM 和IPF(根据IEC 61508)

RISK VIEW (TNO)

用于过程工业的RBI软件。包括发展趋势可预测和不可预测的各种性能退化机制

ALIAS (MPA)

用于电力工业,包括基于风险的各种寿命管理模式,主要用于评估高温元件

BECHT RBI ANALYSIS

根据API RP 580, API RP 571和API 581编制

LIFEWISE (TWI)

使维护和检验资金投入达到最大价值

RISKWISE (TWI)

RBI和基于风险的维护(RBM)软件,适用于过程设备、锅炉、储罐、管道和燃气轮机。提供剩余寿命指数(RLI),根据每台设备的风险和RLI,确定安全的检验和维护周期

RISKCalc (TWI)

根据API 580计算风险和绘制风险矩阵

RB-eye (BV)

维护和管理软件,免费下载,采用API 581

T-OCA (Tischuk)

RBI和RCM软件,用于石化和油、气工业。含定性、半定量和定量三种RBI,又称集成的RBI(Integrated RBI)。定性RBI含12种破坏机制


1:risk-based inspection目前多数翻译为基于风险的检验,但此处inspection实际上是指以NDT为主的检测,包括水压试验。检测的含义大于检验。如译为基于风险的检测,则更加贴合。本文暂按照从众原则,仍译为检验。
2:“fitness-for-service”与“fitness-for-purpose”含义相同。可译为“适合于使用”,但此处的“service”是指工程上的使用,英文上也称Engineering Fitness-For-Service, 现译为“工程适用性”。
3:风险管理英文为“risk management”,但文献中也有“完整性管理”即“integrity management”一词。
4:定期检验(periodic inspection)的检验周期(inspection interval)是根据时间而定的,称之为基于时间的检验(time-based inspection)。
5:RIMAP = risk-based inspection and maintenance procedure,即基于风险的检验和维护程序。
6:FITNET = fitness-for-service network,即“工程适用性”网络
7:失效后果英文为failure consequence;失效概率英文有两个:failure likelihood和failure probability;前者用于定性的失效概率;后者用于定量的失效概率。前者国内有译为失效可能性的,现译为失效频度,后者译为失效概率。
注8:DNV RP G101为海上平台顶部静止机械设备RBI的推荐做法 (Recommended practice for RBI of topsides static mechanical equipment)
注9
:PHAST= hazard analysis software tool 危害性分析软件工具,DNV开发,全球有60 多个国家的政府机构和工业部门在采用。主要应用领域:油气、石化、化工、政府和监管部门、咨询和设计部门、保险公司、大学。在工业风险和公众安全事务方面作为决策的支持软件。PHAST可在设计早期阶段消灭各种危害性,以大力减少修改最终设计的成本;可用于在设计阶段模拟各种灾害情景:泄漏、管线断裂、罐顶坍塌…. 等。可用作工厂选址、评价工厂安全、卫生和环保与强制性法规要求符合性的根据。
注10
RCM = Reliability Centered Maintenance, 可靠性为中心的维护
(未完,见2006第1期)
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