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(续)(节选)
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,文章分五个部分:一. 基于风险的检验;二. 工程适用性评估;三. ASME/API压力容器和管道联合检验规范;四.RBI和FFS的应用;五.RBI和FFS的经济效益评估。
This Paper describes the development of Risk-based Inspection and Engineering Fitness-For-Service Techniques for in-service pressure equipment. It is divided into 5 Parts: Part 1 – Risk-Based Inspection; Part 2 – Engineering Fitness-For-Service Assessment; Part 3 – ASME/API Joint PVP Inspection Code; Part 4 – Applications of RBI+FFS and Part 5 – Cost Benefit of RBI+FFS
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

(续2006第4期)
二. 工程适用性评估
       工程适用性(FFS)的定义是:在规定时间段(specified period of time)内运行和维护,符合规则要求,并具有一定的安全系数(裕度),即是“适用”。所谓“规定的时间段”可指从当前到设计退役的时间,也可指从当前到最佳更换备件的时间。
       工程适用性评估用于含有真实缺陷或假想缺陷的金属构件,其目的是为以下工程决策提供依据:(1)对于已知大小和部位的缺陷确定允许载荷;(2)对于已知载荷确定缺陷的临界大小和部位;(3)进行先漏后破的分析;(4)对于已知大小和载荷的缺陷确定所要求的材料最低性能:(5)计算构件的剩余寿命,以及(6)确定构件的检验周期。
       适用性评估可分为评估前、评估和评估后三个阶段。评估前(Pre-FFS Assessment)必须针对被评构件的失效模式进行分析,确定是否能进行适用性分析。以腐蚀破坏为例,有三种情况:一是腐蚀破坏可被制止;二是腐蚀破坏过程稳定,发展趋势可以预测;三是腐蚀破坏不能制止,其发展趋势也不能预测。对于最后这一种情况就不能进行适用性评估。对于第一种腐蚀被制止的情况,如果是表面腐蚀,则可以照旧使用;如果不是表面腐蚀,但能通过FFS作出结论,则可进行FFS;如不能通过FFS作出明确结论,则必须采取补救措施。对于第二种腐蚀过程稳定可以预测的情况,如果为表面腐蚀,则应进行修理,如果为非表面腐蚀则应按照第一种情况同样的方法进行处理。
       适用性评估的具体做法在API RP 579中把它分为3级,1级比较简单,也比较保守;如1级评估不通过,可转入2级次保守的评估,2级不通过,再转入最精确的3级评估。评估前要收集各种数据(Data Input,数据投入),包括材料性能数据,运行失效记录数据,类似设备的失效数据、评估标准等。评估要根据不同失效模式采用不同的评估程序和可接受的准则。从表2可以看到在API RP 579中把炼油和石油化工设备中的失效主要分为脆性断裂、均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀、鼓泡和分层、类裂纹缺陷、蠕变等7种类型,另考虑焊缝错口、壳体变形和火灾外力破坏等失效形式。而在欧洲的文献中则主要考虑断裂、塑性垮塌、蠕变和腐蚀减薄(Thinning due to corrosion)四种,后者又称金属损失失效(Metal loss failure)。腐蚀减薄失效中的一个特殊情况是内压容器的局部减薄区(Local thinning area,LTA),一般采取ASME VIII-1和规范案例2243注11的规则,故也称之为“基于ASME规则的适用性评估”(ASME RULE BASED FFS)注12,在文献22中则用二根曲线来表示(见图3)。
       图3 内压容器局部减薄区工程适用性评估曲线(略)
       工程适用性评估只关注带缺陷构件的适用性问题,不研究缺陷的形成机理,但必须依赖于检测缺陷的方法,如不能把缺陷检测出来,则也无法进行评估。一切失效模式,最后归结于泄漏和破裂,漏和破是失效的两种结果,而漏和破的原因绝大部分可归结为裂纹。疲劳和蠕变的结果都是裂纹。最近对裂纹的研究有新的认识,即从裂纹尺寸上来分,可分为“小裂纹”(short cracks or small cracks)和“长裂纹”(long cracks)两类。前者是指长度1mm或以下,后者指长度在1mm以上,两类裂纹的扩展行为大不相同,在相同的裂尖张开驱动力(crack tip driving force)下,小裂纹的扩展速率(能量释放率)比长裂纹大得多。因此,如能在小裂纹扩展成不稳定尺寸的长裂纹之前查出来,便可防止事故的发生。ALOHA航空公司的一次飞机失事,就是因为隐藏在机身蒙皮平头紧固件下面的无数小疲劳裂纹(称之为“多源性”疲劳裂纹multiple origin fatigue cracks)而造成的。采用TOFD之类的高级无损检验技术,也不能查出如此细小的裂纹。最近美国报道采用一种新型的涡流扫描法(Staveley eddy scan 30)可查出1mm数量级的小裂纹(参见文献7)。小裂纹理论和机理的研究,使疲劳评估方法大有变化,欧洲认为ASME的疲劳评估方法欠保守,不够安全(见文献9)。最近在文献25中提出疲劳评估的5条路线,很值得仔细研究。
       适用性评估的后处理(Post FFS assessment ),或评估的结果,有三种情况:一是照旧使用(Run),二是修理(Repair),三是更换(Replace)。照旧使用包括在监控下的照旧使用(Run under monitoring),修理包括临时性的救急修理和满足设备退役之前使用的长远性修理;更换包括重新设计。由于三个结论的英文词头都有一个字母“R”,故可以简称为“3R”准则。修理是节约资源重要的措施,我国有句老话,叫做“新三年,旧三年,修修补补又三年。”设备要老化,性能要退化,但不等于马上报废,经过修理,可延长其服役年龄,可提供最佳的退役时机。这对于节约资源、降低成本和提高产品竞争力是至关重要的。修理技术最近也有一些新的进展,例如南京工业大学为四川石化总厂5000立方米液氨球罐表面应力腐蚀裂纹问题,过去采用打磨法消除,但以后仍然不断再生,后采取打磨、喷砂和喷涂牺牲阳极的办法,终于彻底消灭。又如文献22记载局部腐蚀减薄区的修理,过去采用NBIC(见文献13)允许的平补丁法,成本很高,程序极为麻烦,必须停机,切割掉局部减薄区,新的补丁必须与切割掉的形状和曲率精确一样,并开对接坡口,再采用双面焊接法,进入容器进行焊接,焊接后还必须对焊缝进行打磨使之与母材表面一致。新的方法无须切割局部减薄区,只是在容器外部对应于局部减薄区的地方增加一块椭圆形的、曲率相当、形状比局部减薄区稍大、以对接方法与筒体连接的盖板就可以了。这种方法无须停机,修理成本大为节省。已被NB允许采用。
       API RP 579的内容见表2。适用性评估目前市场上的软件见表3。

       表2API RP 579 – 2000《工程适用性评估推荐规程》内容(略)
       表3 工程适用性评估软件(略)

三. ASME/API联合检验规范的内容
       1998年4月ASMEAPI进行RBIFFS标准化合作开发的谈判,谈判中规定:如APIRBIFFS标准先于ASME发表,则ASME同意在炼油和石化行业中使用这些标准,但合作的最终目标是联合出版RBIFFS标准,这些标准由APIASME的联合委员会编写出版和维护。一旦ASME/API联合标准出版,API RP 579和API 580两个标准即应撤消。2005年2月ASME/API发表《白皮书》(详见文献2),提出ASME/API承压设备在役检验规范联合标准的内容草案如下:
(略)

四. RBI和FFS的应用
例1: 1995年道化学公司在荷兰的一家已经运行了32年的工厂,急需进行大量维修,以保证安全,定期维修的费用高达投资的2%。为此,决定寻求能满足增加产量、消灭低价值检验和提高可靠性等3个目标的全新的维修方法。在阿姆斯特丹的会议上DNV提出RBI能满足以上3个目标的方案被采纳。从而使检验费用削减了40%,每年可节省1亿多美圆。

例2:我国特种设备检验研究中心对某燃气公司的2条高压燃气管道进行风险评估,评估结
果得到以下结论并采取相应措施。

 

管道A

管道B

管道规格、材料和设计压力

529 x 6/8 mm,16Mn,1.0MPa

426 x 7 mm,Q235A,1.0MPa

管道已经服役的年数

30

12

风险评估划分管道的区段数

103

82

管道绝对风险等级区段数注

低级93,中等10

较低82

管道相对风险等级区段数注

低级10,较低18,中等60,较高-,高级15

低级12,较低24,中等25,较高17,高级4

:绝对风险等级:按统一标准划分,使不同管道之间的风险具有可比性相对风险等级:随被评管道而异,使同一管道的不同区段之间有可比性
(略)
11CODE CASE一词目前翻译为规范案例。但其真实含义是经过批准的对规范规则的一种补充或修订,是规范的一部分,经过一段时间的使用后将被纳入规范的正文。如翻译为“规范提案”,可能比较准确。
注12
规范案例2243是对于按照ASME规范设计的容器,在局部减薄区厚度小于UG-27设计厚度时,在什么情况下可以照旧使用的规则。

附录;欧洲各国现行定期检验方法的调查
表1 电站锅炉检验周期(略)

表2 石油化工和炼油设备的检验周期(略)
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