低温甲醇洗装置损伤机理分析和RBI技术的应用*

栗 帅，肖 晖，宋耀民

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南郑州450016；2.中国特种设备检测研究院，北京100029）

近年来，基于风险的检验（RBI）技术已经广泛应用到大型装置特种设备的检验中。RBI技术具有独特的优势，突破了传统检验对检验周期、检验方法和检验比例的约束，在确保设备安全性和经济性的基础上，充分优化了检验策略，为大型装置的检验提供了一种新的途径［1］。RBI技术是一种以风险评估为基础的设备检验技术，通过分析相关设备的损伤失效模式，计算失效可能性及失效后果，确定设备的风险等级，再依据设备的风险评估结果制定科学的检验策略。对承担高风险的少数设备进行有针对性的检验，合理地分配检验资源，提高检验的有效性和科学性，可以避免过度检验和检验不足，从而降低装置检验和维修的成本［2-3］。采用RBI技术方法对某煤化公司的低温甲醇洗装置进行了风险评估，并对装置的风险分布情况和部分设备存在较高风险的原因进行了分析。

1 低温甲醇洗装置概况

某煤化公司一套低温甲醇洗装置于2012年7月投用，装置中共包含压力容器44台、压力管道236条，计划于2019年11月进行停工检修。由于装置中的工艺介质难以导出，大部分设备包覆有绝热材料，按照常规检验方法，绝热材料拆除工作量大，部分设备开罐困难，检验维修成本较高。经过综合考虑，于2019年11月选择了RBI技术对该装置进行检验。

2 低温甲醇洗装置损伤机理分析

损伤机理分析是RBI的一项重要工作。低温甲醇洗装置中的主要腐蚀介质有CO2，H2S，COS，HCN，NH3和氯化物等，装置的最低操作温度为-40℃，最高操作温度为170℃，设备的主要材质是碳钢和不锈钢。根据实际操作工况和材质的腐蚀敏感性，综合分析该装置存在的腐蚀机理［4］。

2.1 酸性水腐蚀

含有H2S的酸性气体是低温甲醇洗装置的主要介质之一，在闪蒸遇冷或存在液态水的环境中易形成酸性水，当酸性水pH值为4.5～7.0时可引起容器或管道内壁金属发生酸性水腐蚀，如果介质与奥氏体不锈钢接触则易发生点蚀及缝隙腐蚀。

2.2 二氧化碳腐蚀

在CO2和H2O共存条件下，CO2溶于水形成碳酸（H2CO3），使水中的pH值降低，导致碳钢发生CO2腐蚀，主要表现为均匀腐蚀或点蚀。在低温甲醇洗装置中，CO2是原料气的一个重要组成，在CO2浓度较高的吸收工段容易导致相关容器和管道发生CO2腐蚀。

2.3 大气腐蚀和保温层下腐蚀

大气腐蚀通常发生在设备表面漆层损坏或脱落的部位、未敷设绝热层的容器及管道支撑部位，会造成相关部位均匀减薄或局部减薄。

敷设绝热层的碳钢和低合金钢容器或管道易发生保温层下腐蚀。在低温甲醇洗装置中，保温层下腐蚀常发生在绝热层、油漆或涂层明显损伤的部位、设备底部积液部位、接管部位、带有保温的支撑圈和塔器的平台等部位。

2.4 氨应力腐蚀开裂

在低温甲醇洗装置中的分离器、液氨过冷器、闪蒸甲醇冷却器、液氨贮槽以及部分换热器和管道等设备，材质多为碳钢和低合金钢，在无水的液氨环境中易发生氨应力腐蚀开裂。氨应力腐蚀开裂在换热器管束表面产生单一或有分支的裂纹；未经热处理的碳钢材料焊缝区域和热影响区，若暴露于液氨中也可能发生氨应力腐蚀开裂。

2.5 湿硫化氢腐蚀

湿硫化氢腐蚀主要有四种形式，分别为氢鼓包、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂。碳钢和低合金钢容易产生湿硫化氢腐蚀，关键影响因素为环境条件（pH值、硫化氢含量、杂质和温度）、材料性能（硬度、组织和强度）和拉应力水平。

2.6 氯化物应力腐蚀开裂

在低温甲醇洗装置中，部分压力容器和压力管道材质为奥氏体不锈钢，当介质中存在氯化物时，介质中的氯离子可破坏不锈钢表面的钝化膜，当存在拉伸应力时，钝化膜被破坏的区域就会产生裂纹，在腐蚀电池中形成阳极区，产生电化学腐蚀，最终可导致金属开裂。

2.7 连多硫酸应力腐蚀开裂

硫化铁和氧、水发生反应可产生连多硫酸，连多硫酸可使已敏化的奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂。在低温甲醇洗装置的开停工阶段，材质为不锈钢或不锈钢衬里且介质中含硫的容器和管道易发生连多硫酸应力腐蚀开裂。

2.8 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀性流体介质之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果。在低温甲醇洗装置中，泵的过流部件、管道的弯头和三通以及换热管等都可能受到冲刷腐蚀的影响。

2.9 振动疲劳

在低温甲醇洗装置中，与压缩机及泵连接的管道在循环往复的振动以及管道内介质动态载荷作用下容易发生振动疲劳开裂。影响管道振动疲劳的关键因素有管道部件的应力水平、几何结构、循环次数、振幅、频率以及材质的耐疲劳性。振动疲劳破坏一般容易在材料应力集中区域或表面缺陷的位置产生。

3 RBI分析的过程

3.1 资料的收集和整理

RBI评估所需要的资料通常有：设备设计图纸、产品质量证明书、安装竣工资料、工艺运行数据、检验报告、介质成分分析、设备腐蚀损伤情况、设备更换与维修记录等［5］。资料收集整理后需建立RBI数据库。

3.2 腐蚀回路划分

依据低温甲醇洗装置中容器和管道的介质成分及流动速率、材质特性、运行温度和操作压力等因素综合分析装置中可能存在的损伤机理，以工艺流程的连续性来划分腐蚀回路。

3.3 物流回路划分

根据低温甲醇洗装置的工艺流程，以自动关闭的阀、泵、压缩机等作为关断装置将其划分为若干个物流回路，划分的原则是要保证回路中容器或管道的物料独立性，一旦出现失效，该回路中的物料可以及时排出，而其他隔离段则不受影响。

3.4 风险分析

在风险分析中，采用了专家确定的腐蚀速率，如果分析结果为均匀腐蚀且有腐蚀监测的测厚数据，则要参考测厚数据，同时也可参考API 581推荐的数据［6］。根据腐蚀数据、腐蚀回路和物流回路，利用风险评估软件计算容器和管道的失效可能性和失效后果，确定风险等级。

3.5 检验策略的制定

装置中压力容器和压力管道检验策略的制定，一方面要依据风险分析结果，另一方面要充分考虑TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和TSGD7005—2018《压力管道定期检验规则—工业管道》的相关要求。

4 风险评估结果及相关分析

风险评估的结果通常由失效可能性和失效后果组成，常采用5×5的风险矩阵来表示，失效后果和失效可能性各分为5个等级。在矩阵中沿左下方到右上方的对角线风险水平不断增大。依据风险矩阵中失效后果和失效可能性的组合可将风险等级划分为低风险等级、中风险等级、中高风险等级和高风险等级［7］。

4.1 RBI分析结果

依据低温甲醇洗装置的停工时间安排，以2019年10月30日为风险评估时间点，对装置的设备（含容器和管道）进行风险评估，其RBI分析结果见图1，设备的风险统计结果见表1。

图1 RBI分析结果

表1 设备的风险统计结果

从图1和表1中可以看出，装置整体风险水平不高，装置中未出现高风险的设备；其中，中高风险的设备有32个，占比为10.26%；中风险的设备有179个，占比为57.37%；低风险的设备有101个，占比为32.37%。另外，失效可能性等级为4的设备有4个，其余设备的失效可能性等级均小于等于3。

4.2 风险分布情况

图2为低温甲醇洗装置中设备和管道的风险分布。从图2（a）可以看出，整个装置中无高风险设备；在中高风险、中风险和低风险设备中，换热器均有分布，其中，在中高风险和中风险的设备中，换热器占据比例最高，而塔器和存储罐只占小部分比例；在中风险设备中，所有类别均有分布；在低风险设备中，主要分布有少部分换热器和分离器。从图2（b）可以看出，无高风险管道，中高风险的管道比例较小，中风险和低风险的管道占大部分比例。

图2 设备和管道的风险分布

根据风险结果及分布情况，分析发现装置中存在的安全风险主要由较少的设备承担，装置中几乎90%的安全风险仅由10%的设备承担。因此，重点关注中高风险的设备（尤其是换热器和管道），有针对性地制定科学的检验策略，可以极大地优化检验资源，并将风险降低到可接受的范围以内。

4.3 中高风险设备失效分析

中高风险设备虽然整体占比不高，但仍不能忽视其风险水平可能导致的后果。中高风险的压力容器，介质为富硫甲醇或富甲醇，含有较多的CO2和H2S，容易出现二氧化碳腐蚀、湿硫化氢腐蚀等失效情况，导致甲醇泄漏；中高风险的压力管道，材质为奥氏体不锈钢，介质多为原料气、合成气和富甲醇，含有较多的H2S，容易在停工期间产生连多硫酸应力腐蚀开裂。由于压力管道失效造成装置风险升高，导致有毒有害介质的泄漏，会造成严重后果。

5 结 论

（1）在低温甲醇洗装置中主要存在的损伤机理有：酸性水腐蚀、二氧化碳腐蚀、大气腐蚀、保温层下腐蚀、氨应力腐蚀开裂、湿硫化氢腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂、连多硫酸应力腐蚀开裂、冲刷腐蚀、振动疲劳和衬里失效等。

（2）在低温甲醇洗装置中没有高风险设备，有32个中高风险设备，179个中风险设备，101个低风险设备。

（3）通过风险分布分析发现，在中高风险的设备中，换热器占据很高比例，在压力管道中，中高风险比例较低，整个低温甲醇洗装置中约10%的设备占据了90%的风险。

（4）对中高风险的设备分析发现：介质为富硫甲醇或富甲醇的压力容器易发生二氧化碳腐蚀和湿硫化氢腐蚀等失效情况；介质为原料气、合成气和富甲醇的管道，材质为奥氏体不锈钢，易在停工期间产生连多硫酸应力腐蚀开裂，造成装置风险等级升高。

（5）通过RBI技术的应用，为装置检验策略的制定提供了可靠依据。