高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究

宋 明 邵珊珊 寿比南

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究

宋 明 邵珊珊 寿比南

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

承压设备包括锅炉、压力容器、压力管道等，是石油、化工、电力、能源等行业的基础装备，事故后果巨大，直接关系生产安全、公共安全和社会经济发展。承压设备一方面不断向大型化、高参数方向发展，新材料、新结构大量应用，使用环境更加苛刻复杂；另一方面随着超期服役设备数量不断增加，安全风险也急剧增加。承压设备的发展趋势对设计、制造、使用安全管理和政府安全监管都提出了更高要求，在典型材料高温损伤表征、设计制造早期风险防控、在役设备风险控制、超期服役设备寿命预测及延寿、宏观安全风险防控和应急处置等方面有待进一步的深入研究。本文主要介绍了该项目的背景、目标及总体研究方案、主要研究内容、预期主要研究成果、预期的经济社会效益等相关内容。

承压设备 锅炉 成套装置 损伤评价 检验检测 风险防控与治理

1 引言

承压设备材料高温损伤表征方面，近年来国际报道设备长期服役后蠕变性能突降而引起关注，结合无损检测技术的多尺度蠕变损伤综合评价方法已成为行业共识，但我国研究工作相对滞后。随着国际700℃/35MPa 以上新机组发展与国内煤化工工艺自主化趋势，损伤表征与定量分级的缺失是限制新材料应用与合理选材的重要致因。其中典型耐热钢及焊接接头的蠕变损伤、高Cr钢的抗蒸汽氧化性能、小分子有机酸腐蚀性能及异种钢焊接损伤机理和寿命快速评估方法较为突出，亟需建立行业早期诊断与评估方法和选材依据与导则。

设计制造方面，国外较早开展承压设备基于蠕变、疲劳、低温脆断、流体诱导振动等失效机理的设计准则和制造技术的研究，形成了ASME VⅢ、EN13445等标准规范。我国近年来在国际上率先将风险理念融入到设计制造阶段，提出并初步建立了以全寿命风险预测、控制为基准的设计制造技术体系。但针对煤化工、LNG、氢能利用、超（超）临界发电等能源工业领域苛刻服役条件，尚未建立基于失效模式的设计制造早期风险防控技术方法。

在役风险防控方面，对于大型成套装置，美国API、ASME和法国INERIS等机构均已开展了不同环节的风险评价研究，发布了API580、API581、ARAMIS等标准或研究报告。国内通过“十一五”和十二五”期间的研究工作，研制了承压设备损伤模式识别、风险评估等国家标准，建立了以预知检测和动态风险管理为核心的成套装置长周期安全保障技术方法体系。但是针对介质多样化、苛刻化和复杂化的工业过程，国内外尚未建立全环节的承压设备风险控制技术方法及体系。对于超（超）临界机组电站锅炉，国外在高温腐蚀与磨损、变形组合损伤和水冷壁减薄损伤检测等均有所研究，但是一直未能形成系统应用的组合损伤表征、监检测及评价技术；针对烟气再热器组合低温腐蚀机理则缺乏实质性工程应用；针对先进机组国内外均注重镍基合金材料研发，缺乏国产材料及我国煤质、负荷多变的运行环境的考虑。

超期服役方面，国内外经过多年的研究实践，一些标准规范已经对承压设备的寿命计算给出了相应方法，如美国API 579、我国电力行业标准DL/T654等。然而由于我国超期服役承压设备服役过程存在众多不确定因素，标准方法适用范围存在一定问题，不能满足高参数承压设备的评估及延寿需求。对于延寿技术，非晶涂覆、冷喷涂等表面处理方法已在航空领域被证明可有效控制损伤发展，但这些技术在超期服役承压设备损伤修复应用方面仍有待进一步研究。

宏观安全风险防控和应急处置方面，部分发达国家已研发了国家级应急管理信息系统，具有较为完善的应急处置技术和装备。我国承压类特种设备风险防控和应急处置研究起步较晚，在安全状态参数识别，宏观安全风险预警、控制和应急处置技术等方面均有待进一步深入研究和能力提升。

2 项目目标及总体研究方案

2.1 项目目标

本项目面向工业公共安全领域，针对高参数承压设备全寿命风险防控和治理过程中存在的共性问题和关键技术难题，通过对基础科学问题和关键技术的研究、标准化、系统集成和工程示范，建立高参数承压设备全寿命周期风险防控技术方法体系，构建基于大数据的承压设备宏观安全风险监管和事故应急平台，提升高参数承压设备风险防控和治理的技术能力和装备，为政府和企业的风险防控和治理提供技术支撑。

2.2 总体研究方案

本项目面向石油、化工、能源等行业公共安全领域，以构建高参数承压设备风险防控及治理安全保障技术体系为目标，针对高参数锅炉、压力容器和压力管道等承压设备在材料、设计、制造、服役、监管等环节的共性问题和关键技术难题开展研究。围绕这一目标，本项目设置了针对承压设备全寿命周期风险防治的全链条研究内容：首先，通过分析高参数下典型材料损伤机理和演化规律等，为设计、制造、服役、监管等环节的风险防控技术研究奠定基础；在建造阶段研究材料性能控制、结构优化设计、制造工艺筛选等设计制造关键技术，保证设备在后续服役过程中的本质安全；在服役阶段研究以风险可控为目标的检测监测、安全评价、寿命预测、损伤修复等关键技术及仪器装备研发，形成承压类特种设备全寿命过程的风险防控技术体系。最后通过对上述关键技术的标准化、系统集成和工程示范，构建基于大数据的承压设备风险防控和应急平台，为政府和企业的风险治理提供技术支撑。项目研究将分解为如下6个课题：

课题1：典型材料和焊接接头的高温损伤机理及早期诊断关键技术研究；

课题2：高参数承压设备设计制造风险防控关键技术研究；

课题3：成套装置承压设备服役过程风险控制关键技术研究；

课题4：电站锅炉安全服役风险防控关键技术研究；

课题5：超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术研究；

课题6：承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究。

图1为项目总体研究及课题分解方案。各课题之间的逻辑关系为：课题一为典型材料和焊接接头的高温损伤机理及早期诊断关键技术研究，主要针对高参数下承压设备典型材料损伤机理、演化规律及损伤表征等基础共性问题开展研究，为后续风险防控技术研究奠定基础。课题二至五主要针对承压设备建造及在役阶段关键技术问题开展研究。课题二为高参数承压设备设计制造风险防控关键技术研究，解决承压设备设计制造阶段关键技术难题，为保证设备在寿命周期中的本质安全提供技术支撑，是后续在役阶段风险防控得以实现的前提保障。课题三至五研究服役阶段的风险防控技术，其中课题三为成套装置承压设备服役过程风险控制关键技术研究，以成套装置承压设备为对象，研究在役阶段风险控制关键技术，不仅从控制失效可能性角度出发，在课题一及课题二基础上进一步发展在役阶段损伤风险控制技术，更从控制失效后果方面考虑，研究安全屏障等后果风险防控技术，为实现成套装置中承压设备风险可控提供技术支撑。课题四为电站锅炉在役阶段风险控制关键技术研究，以电站锅炉为研究对象，与课题三共同完善在役阶段承压设备系统风险防控体系，同时深入拓展了锅炉服役环境下损伤防控技术方法，为保证锅炉在役风险可控提供支撑。课题五为超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术研究，针对超期服役承压设备的风险防控、寿命预测及修复延寿等关键技术难题开展研究。拓展了风险防控技术体系的寿命周期涵盖范围，为超期服役设备风险防控及延寿提供技术支撑。课题六是对课题一至五中形成的关键技术方法进行系统集成及标准化，并研究承压设备宏观安全风险防控技术体系及应急处置技术，构建应急平台并示范应用，为承压设备监管环节风险防控提供支撑，实现承压设备全寿命周期风险防控及治理。

图1 总体研究及课题分解方案

3 项目各课题主要研究内容

3.1 课题1:典型材料和焊接接头的高温损伤机理及早期诊断技术研究

研究典型耐热钢及焊接接头的蠕变损伤机制和高温组织演变，开发大型试件蠕变损伤程度的可控模拟技术及损伤分级大型试块，搭建声学、磁学无损检测多信号采集平台，建立基于金相图谱、硬度、无损检测等多尺度表征手段的耐热钢高温蠕变损伤综合定量评价和早期诊断方法；研究典型奥氏体和铁素体耐热钢焊接接头的应力松弛开裂的损伤机理及预测方法，探索焊接工艺和应力松弛开裂的关联规律，形成预防应力松弛开裂的调控技术；针对蒸汽氧化问题，选取超临界环境用奥氏体耐热钢，研究超临界水蒸汽氧化动力学，建立抗蒸汽氧化性能评价方法和基于高温蒸汽氧化的选材准则；针对煤化工高温设备的腐蚀问题，搭建实验室模拟高温小分子有机酸腐蚀试验装置，研究腐蚀机理和失效模式，确定小分子有机酸腐蚀环境典型材料的使用范围，为承压设备提供选材导向性准则。

3.2 课题2：高参数承压设备设计制造风险防控关键技术研究

研究高温焊接结构(含异种钢焊接结构)蠕变及蠕变疲劳失效机制，建立高温蠕变、蠕变疲劳强度设计准则；开发深冷温度断裂韧性测试装置，综合考虑设计载荷、壁厚、应力水平等因素影响，建立基于断裂力学的低温深冷压力容器防脆断设计方法，合理确定压力容器最低设计金属温度；开发低温换热器超临界相变传热试验装置，解决超临界相变传热工艺设计、两相流体诱导管束振动预防控制技术难题，实现150t/h汽化能力的大型LNG接收站中间流体型高效汽化器国产化；建立大直径复合材料高压容器的可变强度和刚度设计方法，考虑温度影响的爆破强度和疲劳寿命预测方法，研制大直径铝合金内衬复合材料高压储氢容器和钢内衬复合材料CNG气瓶；最终建立一套高温、高压、低温、深冷等苛刻服役条件下重要承压设备全寿命周期损伤规律识别预测、基于失效模式的风险防控设计制造技术方法。

3.3 课题3：成套装置承压设备服役过程风险控制关键技术研究

研究甲酸/硫酸混合环境、典型烟气露点腐蚀和含Cl-多介质应力腐蚀等复杂介质环境下腐蚀机理及工艺操作安全边界，建立复杂介质环境下承压设备基于损伤的工艺操作安全边界确定方法；针对腐蚀减薄、材质劣化等承压设备典型损伤，开展高温、在线监检测评价技术研究，开发相关在线监检测装备；研究新型煤化工装置等典型装置基于流程的腐蚀防控技术，建立基于流程的腐蚀分布、规范腐蚀监检测及工艺防腐方法，形成新型煤化工装置典型流程的损伤分布图及腐蚀防控操作指南；针对国内典型石化装置特点，构建安全屏障评估模型，建立典型石化装置安全屏障评估方法；研究在役承压设备系统风险控制技术方法及体系，包括工艺操作安全边界控制与安全屏障评估对风险控制的影响，构建在役承压设备风险控制技术体系，并示范应用。

3.4 课题4：电站锅炉安全服役风险防控关键技术研究

研究电站锅炉水冷壁管材高温腐蚀、磨损和变形等组合损伤机理、表征及预测模型；获得燃烧和蒸汽氧化条件下镍基合金热腐蚀氧化反应动力学规律和腐蚀速率，建立腐蚀氧化性元素输运模型；针对过热器和再热器用典型耐热钢和异种钢焊接接头，研究其蠕变损伤及其老化规律，建立快速寿命预测方法；研究复杂多边界电磁检测解析模型，揭示大提离、并排小管径腐蚀电磁检测的机理；建立水冷壁壁温和异种钢壁温微尺度传热计算模型并预测壁温分布规律，揭示低温腐蚀及组合低温腐蚀多因素反应动力学规律；研究制粉系统环境下典型高挥发分煤种的水分和挥发分释放特性、煤粉沉积规律、煤粉气固两相流爆燃特性，提出高挥发分煤种制粉系统爆燃预警的定量评判方法，提出电站锅炉前后墙对冲燃烧器风险定量评价技术及其安全风险等级分类方法。

3.5 课题5：超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术研究

针对腐蚀、疲劳和蠕变等典型时间相关失效模式，研究承压设备典型材料长期腐蚀速率预测方法，典型材料疲劳设计曲线在温度及循环次数方面的适用范围拓展方法，蠕变疲劳及腐蚀疲劳条件下裂纹萌生及扩展损伤演化规律；研究基于可靠性的设备剩余寿命预测方法，包括失效准则参量分布特征及参数敏感性、组合失效模式联合失效概率、全尺寸疲劳寿命试验验证等；针对高危害性表面损伤，研究高拘束条件下高能微弧冷焊修补、非晶涂覆、表面冷喷涂等承压设备损伤修复延寿技术及工艺优化；基于超期服役承压设备损伤演化规律、剩余寿命及损伤修复延寿技术，研究安全状态参数权重、安全性综合评估模型构建、基于安全状态参数或基于时间相关运行可靠性的承压设备安全分级方法，开展超期服役承压设备寿命预测、延寿及安全分级工程示范。

3.6 课题6：承压设备基于大数据的宏观安全风险防控和应急技术研究

研究宏观安全风险理论，建立安全状态参数识别技术，构建宏观安全风险防控大数据预警模型；研究典型承压类特种设备事故过程仿真再现和数值反演技术，建立毒性介质泄漏扩散模型和火灾环境下多物理场耦合响应演化模型，提出相应应急处置技术；研究新常态下承压类特种设备安全监管技术体系，开展市场准入模式、现场监察、监督检验机制优化研究；研究宏观安全风险数据报告制度和可追溯机制，建立安全状态参数、应急等专业数据库，构建国家承压设备宏观安全风险防控与应急平台；针对长管拖车、深冷罐车、小型氨制冷装置等典型承压设备，结合物联网技术，开展全寿命周期信息可追溯监管及宏观安全风险定位、预警与应急响应示范应用。

4 项目预期主要研究成果

通过本项目的研究，将建立我国承压设备系统全寿命周期风险防控技术方法体系和应急平台，大幅提升承压设备风险防控与治理的技术能力和装备水平，为防止重特大安全事故、促进企业安全生产和政府安全监管提供有力的技术支撑。本项目预期成果为提出新方法49项，制修订国家/行业标准12项，安全技术规范5项，研制检验、检测、监测等装置、设备或样机15台/套，申请发明专利38项，应用示范40项，发表科技论文150篇以上，培养人才93人。

5 项目预期的经济社会效益

5.1 本项目科学预期指标及科学价值

在科学预期指标方面，揭示高参数承压设备典型材料组合损伤机理、演化规律和表征方法，建立基于损伤和失效模式、安全状态参数的承压设备风险控制理论，为实现承压类特种设备全寿命周期风险防控奠定理论基础。

在科学价值方面，本项目揭示了高参数承压设备典型材料组合损伤机理、演化规律和定量表征方法，拓展了承压设备典型材料在高温、深冷、多介质腐蚀等严苛服役环境下的损伤机理及演化规律基础理论，丰富创新了多尺度损伤表征及评价方法，对于推动领域科学进步具有巨大的价值；另一方面，本项目建立的基于损伤和失效模式、安全状态参数的承压设备风险防控理论，完善了设备风险理论体系，融合多领域学科，发展了承压设备设计制造理论、损伤监检测理论、风险及寿命评价理论等，促进了相关领域科学技术发展进步。

5.2 本项目技术预期指标及社会与经济效益

本项目预期在承压类特种设备典型材料损伤表征、评价及诊断技术、基于失效模式的风险防控设计方法和制造技术、承压设备系统风险控制技术、以及基于大数据的宏观安全风险防控和事故应急处置技术等方面提出新技术、新方法49项，形成安全技术规范5项、国家及行业标准12项，开发大型高温蠕变损伤试验表征平台、低功耗成套装置腐蚀在线监测及评价系统等重要监检测设备及试验平台15台/套，在役承压设备风险控制管理系统、典型承压设备宏观安全风险预警软件等软件系统8套，方法及设备成果转化为发明专利38项。研究成果填补风险防控与治理领域存在的技术空白，整体达到国际先进水平，部分达到国际领先水平。通过本项目研究解决高参数承压设备生产安全保障与重大事故防控关键技术瓶颈问题，显著提升我国高参数承压设备风险防控及治理水平。通过本项目研究成果，实现汽化能力150t/h大型LNG接收站中间流体型高效汽化器、纤维缠绕复合材料储氢容器及天然气储存容器等重要承压设备的国产化，推动我国承压设备等重大装备制造业产业进步；通过风险防控新方法、新设备应用，为十三五末承压类特种设备万台事故率降低20%提供技术支撑，实现示范装置的承压类特种设备平均检验周期比相关国家标准规范延长20%，从而大幅提升我国石化、电力等产业经济效益及核心竞争力。

6 总结

本项目从材料性能、损伤演变和检测评价的基础技术出发，研究内容覆盖承压设备设计、建造、运维检验、超期服役评价、延寿技术中风险控制的全链条。从微观风险控制到宏观安全防控与应急技术。项目研究成果将推进我国锅炉压力容器行业高温材料准入规范的进一步完善和健全，促进我国材料准入体系与国际接轨，显著提升国产材料的国际竞争力；在保障国家重大工程建设顺利进行、提高企业产品竞争力方面发挥重要作用，推动我国装备制造业的技术进步；提升我国承压设备风险防控及治理水平，显著降低承压设备事故发生概率，通过有效优化检修、管理资源配置，节约设备检修费用、延长平均检验周期、延长设备使用年限、避免盲目设备报废等方式形成直接经济效益；通过降低燃煤机组的污染物超低排放，创造良好生态效益；提高政府监管的针对性和有效性，降低行政成本和企业负担，避免或减少事故和衍生事故造成生产损失；提高监管部门公信力，促进行业自律，提高公众安全感，为政府和企业的风险防控和治理提供技术支撑。

[基金支持：本项目由国家重点研发计划“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究（2016YFC0801900）”项目资助]

Research on the Key Technologies of Risk Control and Management of High Parameters Pressure Special Equipment

Song Ming Shao shanshan Shou binan
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Pressure equipment including boiler, pressure vessel, pressure pipeline, is the basic equipment in petrochemical, power, energy and other industries. The production safety is the key point in the public safety and social economic development. In recent years, due to the larger-scale, higher parameter, complex applications in harsh environment of the pressure equipment, and the increasing number of extended service equipment, safety risk has increased dramatically. The development trend of pressure equipment for the design, manufacture and use of safety management and safety supervision of the government have put forward higher requirements in typical materials of high temperature damage characterization, risk prevention, early design and manufacture of equipment in service risk control, extended service life prediction and life extension, equipment macro security risk prevention and emergency disposal and other aspects need to be further deep research. This paper introduces the background, the objective and scheme design, the main research tasks, expected results, desired economic and social benefits.

Pressure equipment Boiler Petrochemical equipment Damage evaluation Inspection Risk control and management

X924

A

1673-257X(2016)11-0005-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.002

宋明(1983～)，男，博士，高级工程师，从事材料性能评价方法研究及失效分析工作。

简介：寿比南(1957～)，男，研究员，总工程师，从事特种设备标准化及承压设备标准化技术工作。

2016-11-08）