基于RBI分析的在役安全閥校驗(yàn)周期的確定

柴軍輝 張子健 董曉冬 張小龍 陸建平 顧海云 徐 浩 袁時(shí)杰

（1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

安全閥是承壓類特種設(shè)備的重要安全附件之一，是防止壓力容器、壓力管道和鍋爐發(fā)生超壓的一種安全泄放裝置，也是確保設(shè)備安全運(yùn)行的一道重要防線。 安全閥在化工企業(yè)中的使用量極為龐大，僅寧波地區(qū)就有近10萬臺(tái)在役安全閥［1，2］。目前，國內(nèi)安全閥校驗(yàn)與管理工作主要是依據(jù)TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，兩者均要求安全閥每年至少校驗(yàn)一次，但同時(shí)也提到：符合相關(guān)條件時(shí)可以延長校驗(yàn)周期，最長可以延期5年，條件是必須全部滿足規(guī)范中的要求，具有一定的難度［3］。 例如，安全閥制造單位需要提供彈簧的相關(guān)測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)、能夠證明安全閥運(yùn)行的可靠性、使用單位需要建立安全閥校驗(yàn)站及安全閥需要進(jìn)行在線檢測等。 這些條件會(huì)在一定程度上限制安全閥使用單位實(shí)施校驗(yàn)延期， 并與化工企業(yè)需要生產(chǎn)裝置長周期連續(xù)運(yùn)行的目標(biāo)存在著矛盾［4］。筆者通過RBI分析，推算在役安全閥的失效可能性和失效后果，可得出風(fēng)險(xiǎn)的分布情況，進(jìn)而對在役安全閥進(jìn)行分類， 綜合考慮眾多影響因素后， 最終針對不同風(fēng)險(xiǎn)制定不同的校驗(yàn)周期和日常管理維護(hù)策略。

1 RBI分析原理

由于RBI計(jì)算所用的軟件是基于美國石油學(xué)會(huì)API 581《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方法》編制的，因此對API 581中有關(guān)在役安全閥RBI分析原理做一介紹。

1.1 安全閥失效可能性計(jì)算

1.1.1 未能開啟的可能性

其中，ηupd計(jì)算過程與未能開啟失效的計(jì)算過程相同，但該過程中涉及的威布爾特種壽命參數(shù)ηmod不同于未開啟失效中的ηmod，應(yīng)按下式計(jì)算：

其中，軟閥座修正因子Fs、環(huán)境修正因子Fenv和威布爾參數(shù)ηdef均可通過查表獲得。

1.2 安全閥失效后果計(jì)算

1.2.1 開啟失效后果

計(jì)算安全閥開啟失效后果的過程中， 需將超壓時(shí)的壓力p0代替所保護(hù)設(shè)備的操作壓力ps，而且p0需要根據(jù)超壓情況邏輯進(jìn)行判斷，然后查表獲取數(shù)值。 按設(shè)備失效后果的計(jì)算流程進(jìn)行， 最終以安全閥所保護(hù)的設(shè)備失效后果作為安全閥開啟失效后果。

API 581中開啟失效后果的劃分原則主要涉及影響面積 （Consequence Area） 和經(jīng)濟(jì)后果（Financial Consequence）兩方面，據(jù)此劃分的后果等級(jí)見表1。

表1 后果等級(jí)劃分

1.2.2 泄漏后果計(jì)算

安全閥泄漏分為輕度至中度泄漏和固定開路泄漏兩種情況， 泄漏后果計(jì)算需要考慮4種費(fèi)用：因泄漏產(chǎn)生的介質(zhì)損失費(fèi)用costinv、 環(huán)境清理費(fèi)用costenv、安全閥維修費(fèi)用costsd和因停機(jī)維修造成的停工費(fèi)用costprod。

1.3 安全閥風(fēng)險(xiǎn)分析

2 RBI分析在PTA裝置中的應(yīng)用

2.1 安全閥基本數(shù)據(jù)收集

擬對寧波地區(qū)某化工企業(yè)PTA裝置的64臺(tái)安全閥進(jìn)行基于API 581的RBI分析。 安全閥RBI計(jì)算前，需對安全閥所保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行RBI計(jì)算，即提取設(shè)備失效可能性和設(shè)備失效后果作為計(jì)算參數(shù)。 因此，本數(shù)據(jù)收集分為兩部分：

a. 安全閥數(shù)據(jù)。 主要包括安全閥投用日期、位號(hào)、通徑、整定壓力、材料、運(yùn)行溫度、操作工況、安裝方式、介質(zhì)、類型、上次校驗(yàn)日期及上次校驗(yàn)類型等關(guān)鍵參數(shù)；

b. 被保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)備投用日期、編號(hào)、材料、介質(zhì)、內(nèi)徑、長度、壁厚、腐蝕裕量、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、操作溫度及操作壓力等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 RBI分析軟件與初始假設(shè)條件

本次RBI分析所采用的是DNV（挪威船級(jí)社）的Synergi Plant RBI Onshore 5.5軟件，是基于API 581開發(fā)設(shè)計(jì)的， 可以定量計(jì)算失效可能性和失效后果，該軟件具有安全閥計(jì)算專用模塊PRD，可連帶計(jì)算換熱器、反應(yīng)器、塔器及球罐等常見的安全閥所保護(hù)的設(shè)備。

在分析過程中， 部分基礎(chǔ)資料難以收集齊全，需提出合理假設(shè)，其中主要的假設(shè)如下：

a. 所保護(hù)設(shè)備的材料可替換成相應(yīng)或相近的ASME材料牌號(hào)。例如，SA 283 Gr C代替Q235B，SA 516 Gr70 代替Q345R，閥門材料碳鋼C.S.由SA 283 Gr C代替。

b. 對于分析軟件數(shù)據(jù)庫中沒有收錄的介質(zhì)可近似代替，選取較為接近的介質(zhì)進(jìn)行后果計(jì)算。

c. 對于混合型介質(zhì)，綜合考慮各部分含量與介質(zhì)的危害性，選取其一進(jìn)行計(jì)算。

2.3 RBI分析結(jié)果

將64臺(tái)安全閥數(shù)據(jù)與64臺(tái)安全閥所保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入軟件進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)前評(píng)估日期設(shè)置為2021年3月4日， 歷史校驗(yàn)周期均為 “一年一校”， 依據(jù)TSG 21—2016中規(guī)定的最長可延期5年， 將來風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置為2022年3月4日、2023年3月4日、2024年3月4日、2025年3月4日、2026年3月4日，RBI分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 RBI分析結(jié)果

由圖1可見， 風(fēng)險(xiǎn)矩陣中包含128個(gè)評(píng)價(jià)單元，這是計(jì)算軟件將安全閥和保護(hù)設(shè)備一并計(jì)算后所顯示的結(jié)果， 將安全閥數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選并統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)安全閥風(fēng)險(xiǎn)分布情況

由表2可知，在無校驗(yàn)的情況下，從第3年開始，大部分安全閥為中高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，中低風(fēng)險(xiǎn)安全閥占比較少， 這與PTA裝置操作工藝有密切關(guān)系，安全閥大多處在高壓下（不低于10 MPa），高溫工況也較為普遍，最高可達(dá)510 ℃，同時(shí)還普遍處于強(qiáng)腐蝕性環(huán)境。

3 安全閥校驗(yàn)周期的確定

3.1 校驗(yàn)周期的確定原則

參考TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，將安全閥校驗(yàn)周期劃分為1、3、5年。 根據(jù)安全閥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定下次檢驗(yàn)日期，重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)高的安全閥，適當(dāng)縮短其校驗(yàn)周期，而對于風(fēng)險(xiǎn)低的安全閥可適當(dāng)延長其校驗(yàn)周期。另外，由于RBI分析具有一定的局限性，風(fēng)險(xiǎn)的量化過程不能保證與實(shí)際情況完全等同［5］，因此還需要結(jié)合安全閥的服役工況、介質(zhì)性質(zhì)、日常檢查情況和企業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制定出3個(gè)校驗(yàn)周期的確定原則：

a. 符合所列條件之一的， 可實(shí)行 “一年一?！?。 下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)狀況為高風(fēng)險(xiǎn)；下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)安全閥失效可能性等級(jí)為4級(jí)或者5級(jí)的；介質(zhì)存在有嚴(yán)重堵塞傾向的安全閥；有明顯應(yīng)力腐蝕開裂傾向的安全閥；歷年離線校驗(yàn)時(shí)均發(fā)現(xiàn)存在明顯腐蝕的安全閥；在日常檢查中，發(fā)現(xiàn)安全閥存在異常起跳或泄漏的情況；盛裝介質(zhì)毒性危害程度為極度或高度危害的。

b. 符合所列條件之一的， 可實(shí)行 “三年一?！薄?基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間，3年后的風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)；基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間，3年后的風(fēng)險(xiǎn)為中高風(fēng)險(xiǎn)，但失效可能性等級(jí)不大于3級(jí)的。

c. 符合所列條件的，可實(shí)行“五年一?！薄?基于當(dāng)前評(píng)估時(shí)間，5年后的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)的。

將以上安全閥校驗(yàn)周期的確定原則，應(yīng)用于本次所評(píng)估的64臺(tái)安全閥，以2021年3月4日為起點(diǎn)，確定其校驗(yàn)周期的統(tǒng)計(jì)表（表3）。

表3 某PTA裝置安全閥校驗(yàn)周期統(tǒng)計(jì)

由表3可知，PTA裝置的安全閥因苛刻的操作工況，其中大部分需進(jìn)行“一年一?！保瑑H有8臺(tái)可進(jìn)行延期校驗(yàn)，而這8臺(tái)安全閥基本處于常溫、中低壓且無腐蝕性介質(zhì)的工作環(huán)境。

3.2 兩次校驗(yàn)間的日常維護(hù)管理策略

基于前述校驗(yàn)周期的確定原則，對于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的安全閥，在兩次校驗(yàn)周期間仍需進(jìn)行日常管理維護(hù)， 維護(hù)管理?xiàng)l例應(yīng)參考TSG ZF001—2006，在線檢查頻率可按表4執(zhí)行。

表4 安全閥在線檢查頻率

“一年一?！钡?6臺(tái)安全閥，可基于當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)， 依據(jù)表4確定在線檢查頻率；“三年一校”的8臺(tái)安全閥，應(yīng)基于3年后達(dá)到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（選其中最高等級(jí)），依據(jù)表4確定在線檢查頻率，確保所有風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

基于API 581的RBI分析方法，綜合考慮影響安全閥風(fēng)險(xiǎn)的一系列重要因素，給出了在役安全閥延期校驗(yàn)周期的確定原則和在線檢查頻率的推薦值，可供安全閥的使用單位、校驗(yàn)單位和監(jiān)察部門參考，為今后安全閥技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的修訂提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。