基于RBI的环氧丙烷/苯乙烯装置风险评估分析

石 凯 姜海一 李云振 赵文静 路笃辉 中国特种设备检测研究院

基于RBI的环氧丙烷/苯乙烯装置风险评估分析

石 凯 姜海一 李云振 赵文静 路笃辉 中国特种设备检测研究院

本文介绍定量RBI分析方法在某石化公司环氧丙烷/苯乙烯装置风险评估中的实施过程，对装置中的容器和管道进行风险分析，并基于其潜在的损伤机理和风险等级给出适宜的大修检验策略。在保证检验有效性的前提下，优化检验资源，降低运行风险，以满足装置长周期安全稳定运行的需要。

1 环氧丙烷/苯乙烯装置简介及评估范围

该石化公司位于我国东部沿海地区，环氧丙烷/苯乙烯装置于2010年2月建成投用，年产28.5万t环氧丙烷和62万t苯乙烯。环氧丙烷/苯乙烯装置包括氧化反应单元、浓缩单元、环氧化反应单元、精制单元、精馏单元、加氢单元以及乙苯单元。

本次评估采用由DNV（挪威船级社）开发的ORBIT ONSHORE软件，能将风险后果以财产损失(具体金额)或破坏面积的形式表示，即将风险结果完全量化并进行排序，企业可以根据自身的实际情况自行设定风险可接受准则。评估对象为环氧丙烷/苯乙烯装置中在用的所有418台压力容器和2915条压力管道。评估过程中，根据设备不同部位材料、尺寸及操作参数，将设备划分成不同的评价单元。例如换热器可划分为壳程、管程和换热管三个评价单元。本次评估容器划分1055个评价单元，管道2915个评价单元。

2 RBI技术的实施过程

2.1 物流回路、腐蚀回路的划分和损伤机理分析

物流回路的划分原则是当该回路中任一设备或者管道失效泄露时，仅该回路中物料才会泄露，而其它回路中的物料因有紧急切断装置而不发生泄露，即两个紧急切断装置间的设备和管道可划分为一个物流回路。腐蚀回路的划分就是将失效机理相同且彼此相连的容器和管道划定为一个腐蚀回路。本次风险评估共划分物流回路42条，腐蚀回路31条。

损伤机理是设备失效可能性计算的基础，通过对装置设计资料（设备和管道的材质、规格、操作条件)、工艺资料（介质成分、污水分析报告等）与腐蚀的情况进行调查，并在参考国内外类似装置失效分析案例的基础上，由评估人员和厂里技术人员共同确定环氧丙烷/苯乙烯装置中潜在的失效模式主要有：内部腐蚀减薄、应力腐蚀开裂和外部损伤三大类[1]。

● 2.1.1 内部腐蚀减薄

1）有机酸腐蚀。金属与低分子有机酸（如甲酸、乙酸、乙二酸等）接触时会发生全面腐蚀/局部腐蚀。当温度低于120℃时，在含3%酸或更低的单相含有机酸物流中，碳钢腐蚀速率小于0.127mm/a。但若物流有游离的水相存在时，会引起碳钢材料的快速腐蚀，如当温度大于等于38℃时，碳钢材料腐蚀速率很容易达到1.27mm/a。丙烷/苯乙烯装置中，有机酸主要在氧化反应和环氧化反应过程中形成，氧化反应单元、浓缩单元和环氧化反应单元塔顶物料以及精馏单元乙苯塔（T-10510)、精制单元苯乙烯轻组份塔（T-10640）等塔顶部位均出现有机酸腐蚀。

2）对甲基苯磺酸腐蚀。对甲基苯磺酸会在反应温度下缓慢降解并释放出二氧化硫。此外，对甲基苯磺酸中还含有可影响催化剂溶液（65%的对甲基苯磺酸水溶液）腐蚀性和堵塞趋势的硫酸和磺酸杂质，对金属材料进行腐蚀。丙烷/苯乙烯装置中，对甲基苯磺酸作为催化剂引入，精制单元（碱洗工艺之前）的设备需考虑对甲基苯磺酸腐蚀。

● 2.1.2 应力腐蚀开裂

1）CO+CO2+H2O应力腐蚀开裂。在CO+CO2+H2O混合气的环境中，会产生应力腐蚀裂纹。英国城市煤气装置(含CH4：35%、H2：45%、CO2：15%、CO：5%及微量残余O2)和美国油井管道都证实了这种裂纹。环氧丙烷/苯乙烯装置中，环氧化反应单元，环氧化反应之后，碱洗工艺之前的碳钢设备非流动部位需考虑CO+CO2+H2O应力腐蚀开裂。

2）氯化物应力腐蚀开裂。奥氏体不锈钢及镍基合金在拉应力和氯化物溶液的共同作用下会发生表面开裂。氯离子通过吸附取代钝化膜表面的氧原子后与钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，导致致密钝化膜破坏，显露出的新鲜金属会遭腐蚀形成一个小坑。坑内氯离子通过聚集，浓度升高，并水解使得pH值下降，加快腐蚀向蚀坑的深度方向发展，形成深蚀孔，直至形成穿孔泄漏。环氧丙烷/苯乙烯装置中，环氧化反应单元的氧化反应器、浓缩单元和精制单元的碱洗之前系统的设备均需考虑氯化物应力腐蚀开裂。

● 2.1.3 外部腐蚀

外部腐蚀包括大气腐蚀和层下腐蚀(CUI)两大类。该石化厂位处我国东部沿海地区，气候潮湿，大气中的酸度及盐分均较高，设备容易发生CUI。CUI是由于保温层与金属表面间的空隙内容易集聚水而产生的，一般只形成局部腐蚀，导致小范围面积内的壁厚减薄，多发生在-12℃～120℃温度范围内，尤以50℃～93℃区间最严重。

2.2 风险计算和结果分析

● 2.2.1 风险分布

以2014年12月为风险评估时间点，将采集数据输入到ORBIT ONSHORE软件，对环氧丙烷/苯乙烯装置进行定量风险分析计算，容器与管道的风险矩阵图分别见图1和图2。由图1和图2可以看出，截止2014年12月，环氧丙烷/苯乙烯装置中没有高风险的评估单元；中高风险的容器单元为91个，管道单元为196个；中风险的容器单元为656个，管道单元为1368个；低风险的容器单元为308个，管道单元为1351个。

图1 容器风险矩阵图

图2 管道风险矩阵图

图3为装置的Pareto关系图(总风险百分率-设备百分率曲线)。从图3中可以看出，装置中大部分的风险由较少的设备单元承担，6%的容器与管道占据了装置98%的总风险。因此，如果注重于该6%的容器和管道，就能有效地控制成套装置98%的风险，可以极大地优化资源并保障装置的安全稳定运行。表1和表2所列分别为环氧丙烷/苯乙烯装置中风险居前的5设备单元和管道单元，这些设备在日常维护和监控过程中应给予重点关注。

图3 装置Pareto关系图

表1 风险居前的5个容器单元及主要原因

表2 风险居前的5个管道单元及主要原因

● 2.2.2 风险的影响要素

在资产完整性管理中，将风险定义为潜在事件对人员/环境和经济财产所造成的损害，即失效可能性和失效后果的乘积。因此，风险的影响要素可分为两大类，一类是以失效可能性为主导，环氧丙烷/苯乙烯装置中失效可能性在4以上(包括4)的设备单元数量多达479个，主要集中在氧化反应、浓缩和环氧化反应3个单元，主要的损伤机理有减薄、应力腐蚀开裂和外部损伤，其中减薄所占的百分比最高。对于以失效可能性较高的设备，可以通过分析其损伤机理，实施有针对性的防腐、检验或监测手段，即可防患于未然，如利用挂片失重对腐蚀速率大的设备进行腐蚀监测，采用先进无损检测手段对应力腐蚀开裂可能性较高的设备进行在线降险，必要时进行材质升级等。

风险的影响要素另一类是以失效后果为主导，例如本次风险评估中的白土处理器（R-10805A/B)，其工作介质是苯，腐蚀性弱，设备因腐蚀发生的失效可能性低（1级)，但由于苯易燃且有毒，同时也是一种致癌物质，一旦发生泄漏爆炸，其负面后果很大（E级)，因此设备的风险等级综合评定为“中高”。对于这种类型的风险，企业可通过建立完善应急、报警和消防体系，并定期进行应急消防演练等，将事故万一发生时产生的伤害降低到最小的程度[9]。

3 检验策略的制定

风险评估的最终目的是在满足国家技术法规要求的前提下，综合考虑装置运行状况以及设备的风险水平，指导和优化检验，避免出现传统检验 “过度检验”和“检验不足或无效”的现象。针对此次风险评估的具体情况，检验策略的制定可遵循以下几方面的原则：

1）检验方式的选取：检验方式的选取是为了保证检验方案具有可行性和针对性。对于压力容器，如果是失效机理发生在内壁且需要实施检验，优先选择内部检验；如果存在较高外部破坏风险的，应同时对外部进行检验。

2）检验范围的选取：根据评估结果，将检验的重点放在风险比较高的设备上，对于低风险的设备，适当降低检验比例。在检验过程中发现有缺陷的设备，需进行扩检，以查清缺陷的分布和性质。

3）检验方法的选取：根据具体的损伤机理，在满足风险降低要求的原则下，选择适当的检验方法。参考API检验有效性（1）针对有腐蚀减薄有效的检测手段为宏观检查结合壁厚测定，检验的重点放在腐蚀减薄易发生的部位，如容器的变径、进出料附近等部位，管道的弯头、大小头和三通等部位；(2）针对应力腐蚀开裂有效的检测手段为宏观检查和表面磁粉检测或渗透检测，检验的重点为焊缝接头等应力集中部位； (3）针对外部损伤，对于碳钢和低合金钢，拆除部分保温进行宏观检查和壁厚测量，对于奥氏体不锈钢，拆除部分保温进行宏观检查和渗透检测。

4 结论与建议

1）采用定量RBI分析方法对环氧丙烷/苯乙烯装置中418台压力容器和2915条压力管道进行评估分析，装置中约6%的设备单元占据了整套装置98%的风险。

2）环氧丙烷/苯乙烯装置中潜在的失效模式主要有腐蚀减薄、应力腐蚀开裂和外部损伤，损伤机理主要有腐蚀有机酸腐蚀、对甲基苯磺酸腐蚀、CO+CO2+H2O应力腐蚀开裂、氯化物应力腐蚀开裂和层下腐蚀(CUI)。

3）通过风险评估，为大修检验策略的制定提供科学合理的参考依据。将检验的重点放在风险等级较高的设备和管道上，根据不同失效机理，在满足风险降低要求原则下，选择相应的有效检验方法，降低检验成本，实现科学性和经济性的统一。

4）建议在对评估范围内容器和管道进行首次停车检验后，将检验数据与风险分析结果进行对比，对其风险值进行评估、修正，进一步完善本次风险分析给出的基础数据库，便于风险的动态管理。

1 T.L.WilIke,U.S.Risk Management can Reduce Regulation, Enhance Safety.Oil＆Gas Journal,1997,95(24)：37－46

2 J.T.Reynolds.The Application of Risk-based Inspection methodology in the petroleum and Petrochemical Industry, ASME PVP,1996,Vol(336)：1 25－134

3 American Petroletma Institute,Risk-based inspection Base Resource Document API 581,First Edition,2000,5

4 American Petrolemn Institute,Risk-based inspection API 580,First Edition 2002,5

5 杜志明,范军政.安全欲度研究与应用进展.中国安全科学学报,2004,14(6)：7～10

6 姜海一,贾国栋.基于风险的检验(RBI)在国内合成氨装置中的应用,中国安全科学学报,2007,17(11)：119～123

7 杨振林,RBI技术在特种设备检验中的应用,中国质量技术监督,2007(12)：48

8 American Petrolemn Institute,Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry API 571,Second Edition 2011,4

9 张超,陈晓,陈建国,等.考虑应急救援的危化品泄露事故后果风险评估.清华大学学报(自然科学版),2009,49(5)：1－5

2013－07－30）