基于风险的腐蚀调查在煤气化装置RBI分析中的应用研究

李玉阁 ，陈晓林 ，宋文明 ，李金瑞 ，林海萍 ，高智德

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518；3.岳阳建华工程有限公司，湖南 岳阳 414000；4.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

基于风险的检验（RBI）近年来已较成功的应用于国内外石化行业，并推出了多款成熟的商业化评估分析软件，如挪威船级社（DNV GL）的Synergi Plant RBI软件、法国船级社（BV）的RBI.eye 软件和英国焊接协会（TWI）的 Risk Wise 软件等[1]，均可作为煤气化装置进行RBI 研究的借鉴。但是煤气化装置苛刻的运行条件、物料性质、材料力学性能以及损伤机理等都异于炼油化工装置[2-3]，煤气化装置的RBI 研究工作不可以仅仅依据炼油化工企业的评估方式进行，尤其是煤气化设备RBI 数据库一定要符合煤气化设备自身的特点，但国内外缺少系统完整的煤气化设备失效机理数据库、损伤或劣化程度数据库等基础数据库，一些重要的失效数据库依赖于国外石化装置的数据库，这样不能保证评估结果客观准确，也严重影响了现场应用效果[4-5]。

RBI 风险评估结果可靠性依赖于设备损伤程度和损伤机理的判定精确度，依靠国内外同类装置的腐蚀状况的经验积累，可以对装置风险分析提供基础性的数据支持。但针对煤气化装置复杂的设备环境和工艺操作，依赖石化企业同类设备腐蚀失效概率统计的数据会有一定的局限性，这势必影响装置风险评估的结果。因此，全面掌握煤气化装置的运行状况及腐蚀状况，对确保煤气化装置风险分析的可靠性至关重要[6-8]，而腐蚀调查正是在装置停车吹扫置换合格后，第一时间进入设备内部开展检验工作，广泛了解装置设备、管线腐蚀状况，全面采集和积累相关装置腐蚀失效信息，是建立完善煤气化装置腐蚀数据的有效手段。通过基于风险的腐蚀调查，采集分析设备腐蚀信息，建立煤气化设备腐蚀数据库，解决煤气化装置设备风险评估中缺乏系统的设备失效损伤数据库的问题，可为煤气化设备风险管理工作提供准确的数据支持。

1 RBI 评估技术特点

对某煤气化装置的110 台压力容器和929 条压力管道共计1 101 项设备（部分容器分段分析）进行风险评估，通过风险计算，得到设备的风险分布情况见图1，其中：高风险设备2 项，中高风险设备50 项，中风险设备253 项，低风险设备796 项。

图1 某煤气化装置设备风险矩阵

RBI 风险计算采用式（1）计算设备风险，进而得到每项设备风险排序。对于特定装置，如果生产工艺和环境不发生较大程度的改变，失效后果因子一般是相对稳定的，因此对于相对稳定运行的装置来说，改变设备风险值的主要变量为失效可能性，其计算公式见式（2）。

个别设备修正因子代表的是个别设备设计条件数据和检验计划，可通过查阅设计、制造、装配、检维修等数据资料获取。管理因素修正因子代表的是基于安全性管理系统的修正系数，可根据现场管理水平、计算管理系统评估系数获得。平均失效可能性代表的是国内外同类设备失效可能性，对于煤气化装置来说，现阶段主要依靠国内外石化装备腐蚀数据制定的标准来得到同类失效频率，其数据的有效性很难保证。在RBI 分析过程中，需要明确当前设备状态下存在的一种或几种退化机理以及每种机理所对应的失效概率，这就对煤气化装置RBI 评估提出了更高的要求。不同评估机构或评估人员所判定的失效机理或失效概率可能存在很大的差异，进而导致风险排序结果千差万别，很难精确掌控装置的真实腐蚀状况，不利于企业进一步的风险管控工作。

2 煤气化装置RBI 评估过程存在的难点

RBI 风险分析并不能兼顾到装置风险状况的所有内容，有其自身的局限性，不能覆盖设备所有的损伤可能，如人为错误、自然灾害、外部事件（碰撞或落物等）、临近单元的副影响、检测能力限制、设计错误、制造缺陷等，需要借助其他手段来辅助完成风险识别工作[6-7]。煤气化装置在物料、损伤模式、关键设备等方面的特殊性给RBI 评估工作带来了诸多的难题。

2.1 煤气化设备内评估物料的特殊性

当前RBI 风险评估分析软件的风险计算多基于API 581[9]来进行设定，该标准对设备物料有特殊的规定，必须在软件数据库里找到有效的替代介质，才能进行计算。软件中的物料以纯净物居多，而煤气化装置中的物料多数为混合物，所选物料介质的代表性存在很大的争议。RBI 分析对介质的相态也有具体的判定规则，RBI 后果计算相态判定原则见表1。由表1 可知，各种工况的气相、液相相态在后果计算中均有对应的后果计算相态，但缺少固态介质的判定准则。现阶段风险分析的软件尚未开发出固态介质参与的风险分析模块，而煤气化装置设备内粉煤、渣、飞灰、泥浆等介质均为固态，存在气固、液固两相以及气液固三相介质，且涉及大范围的设备，这就对煤气化装置RBI 的分析工作提出了巨大的挑战。

表1 RBI 后果计算相态判定原则

2.2 煤气化装置损伤概率的判定特殊性

API 581 仅基于腐蚀和环境开裂等对损伤概率模块给出了定量的判定依据，而对煤气化装置中因为粉煤介质以及苛刻的运行条件普遍存在的冲刷腐蚀等却没有给出具体的判定原则[8]，因此损伤速率的准确判定又是一大难题。煤气化装置气固、液固两相流腐蚀工况有别于大多数石化装置，有关工艺运行对装置的危害、损害和安全还没有进行较为系统的分析，且冲刷腐蚀随着设备原料差异、工艺波动、联锁装置开停频率等均会发生改变，这些都给精确的损伤速率的判定制造了较大的困难。因此深入设备内部进行腐蚀调查，更进一步了解、评定设备腐蚀状况，进而判定设备的损伤速率，是煤气化装置损伤判定的必要途径。

2.3 煤气化装置关键设备评估的特殊性

气化炉是煤气化装置的关键设备，是由承压外壳、内件及附属设备组成的结构复杂的设备，集动静设备于一体。仅与合成气直接接触的承压壳体就有气化段壳体、合成气冷却器壳体、输气段壳体、气化段中压蒸发器、急冷段中压蒸发器、输气段中压蒸发器、合成气冷却段中压蒸发器、合成气冷却段中压过热器、烧嘴、热裙、渣池等诸多组件[10-11]，各部件的材质和操作工况均存在较大差异。气化炉可能存在高温硫腐蚀、高温氧腐蚀、冷凝水腐蚀、蒸汽覆盖层腐蚀、球化、耐火材料退化、热疲劳、应力腐蚀、冲刷等多种损伤机理[12-13]，且各部位损伤模式不相同，损伤程度也各异。单一设备在RBI 风险分析过程中，根据所含部件物料特性和损伤机理不同，一般可分为2～3 个子项分别分析计算。然而气化炉评估需要对10 余个部件分段分析，对各个部件的损伤机理分别进行评估，相当于1个小型装置的评估，因此如何准确判定气化炉各部件的损伤模式及损伤程度，成为RBI 评估过程中的一大难题，需要对气化炉各个部件的腐蚀状况进行全面调查，确定各部件的损伤情况，为气化炉的RBI 定量分析获取必要的腐蚀数据资料。

3 腐蚀调查在煤气化装置RBI 分析中的应用

某煤气化装置在腐蚀调查中发现文丘里洗涤器内壁严重腐蚀，对接管和壳体焊缝做渗透检测，发现焊缝开裂，其中B4、B5 焊缝最为严重，接管和壳体原始壁厚为23 mm，运行11 a 后，实测最小壁厚 22 mm。文丘里洗涤器材质为15CrMoR+N08825，操作压力为3.8 MPa，操作温度335 ℃，该设备是高温合成气与低温碱液、循环洗涤水混合物料的注入点，介质中包含合成气、碱液、循环洗涤水、飞灰等。对该设备的风险分析中，腐蚀减薄模块的腐蚀速率可参照当前腐蚀损伤量进行修正，同时依据当前焊缝存在的严重开裂状况，结合设备材质、运行工况和介质环境，应考虑分析计算热疲劳和碱性应力腐蚀开裂损伤机理，并适当调整损伤敏感性等级。

在腐蚀调查中还发现粉煤闸门容器的三次卸压管线存在严重减薄，原始壁厚为17 mm，运行11 a 后，实测最小壁厚11.7 mm。该管线材质为碳钢，操作压力0.02 MPa～4.7 MPa，操作温度 80 ℃，介质为高压氮气/ 二氧化碳、粉煤，利用切换操作程序，实现粉煤闸门容器的隔离、卸压和再加料。该管道的操作压力在0.02 MPa～4.7 MPa 循环切换，因此 RBI 分析计算应考虑循环应力持续时间较长，可能会发生机械疲劳。在腐蚀调查中未发现表面裂纹，可为机械疲劳的敏感性计算提供依据。壁厚减薄较大，考虑到介质中含有少量粉煤，应依据腐蚀调查壁厚分布情况，调整内部减薄模块中冲刷腐蚀的损伤影响因子。

4 煤气化装置腐蚀数据库的建立

根据煤气化设备的具体腐蚀状况，可创建涵盖煤气化装置主要的设备、管线与主要腐蚀数据信息的腐蚀数据库，具体包括设备基础数据、设备组织关系与包含关系、按工艺单元进行分割以及所包含的设备项、工艺流程图、设备、管线结构图等，建立基于设备腐蚀调查、风险评估的腐蚀数据库，通过将装置基础数据、腐蚀调查、现场监测数据等编入腐蚀数据库，便于腐蚀数据的管理、跟踪和集中分析，明确设备腐蚀状况。腐蚀数据库建立技术路线图见图2。

图2 腐蚀数据库建立技术路线

5 结 语

煤气化工艺复杂，易燃易爆介质繁多，给装置内设备的腐蚀风险评估和安全管理工作带来了诸多挑战，需要能够提前预测设备腐蚀状况，做好计划性维修、检验等。

基于风险的腐蚀调查腐蚀数据库的建立，可以更为客观地反映煤气化装置的腐蚀状况和失效状况，改善仅依赖国内外石化装置数据库的腐蚀资料欠缺局面；完善的腐蚀数据库将为风险评估提供更为准确的失效机理，并可以直观地获取设备较为准确的失效速率；基于腐蚀调查的腐蚀数据库的建立，将为RBI 评估软件的国产化提供必要的基础数据支持。