換熱器的風(fēng)險(xiǎn)檢測技術(shù)研究

                            換熱器的風(fēng)險(xiǎn)檢測技術(shù)研究

                          薛利杰，陳文覺，呂華亭，湯健

                   (上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200062)

    摘要:在API581的基礎(chǔ)上，針對換熱器的特點(diǎn)，對RBI的方法進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)。首先，從換熱器的失效模式入手，明確換熱器各零部件的失效原因及故障影響;其次，根據(jù)換熱器的特殊工況和結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充針對換熱器的損傷模塊，如換熱器管束的振動(dòng)、內(nèi)外壁損傷以及傳熱效率等對換熱器的使用影響。然后，結(jié)合我國承壓設(shè)備的特殊使用狀況，用剩余壽命代替設(shè)計(jì)壽命作為計(jì)算失效概率的基準(zhǔn)。最后，利用以上方法結(jié)合API581技術(shù)，對上海石化加氫裂化裝置的26臺換熱器進(jìn)行計(jì)算，確定其風(fēng)險(xiǎn)值，與DNV ORBIT軟件計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了該方法的合理性和可行性。

    關(guān)鍵詞:基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(RBI);剩余壽命;失效概率

    由于換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用工況的多樣性，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中由于腐蝕、沖刷、振動(dòng)等作用，使換熱器遭到破壞，使用壽命縮短，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化工行業(yè)，換熱器的故障率在所有化工設(shè)備損壞中占的比例最大，為27．2%，遠(yuǎn)高于罐、塔、釜的損壞率。因此換熱器的管理和維護(hù)都要得到足夠的重視。

    傳統(tǒng)檢測程序是以定期檢測為基礎(chǔ)的視情檢測，檢測范圍通常比較固定。雖然能找出一部分的破損，但是無法確認(rèn)大部分的設(shè)備潛在的損傷機(jī)理。解決這個(gè)問題，就是在確定檢驗(yàn)策略前，先分析其可能存在的損傷類型，比如腐蝕類型和可能損傷部位，在制定針對性的檢驗(yàn)方案，這就是基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(RBI)技術(shù)的理念［1］。由于目前RBI技術(shù)主要普遍適用于一整套裝置內(nèi)的所有設(shè)備，當(dāng)針對某一設(shè)備時(shí)，由于每種設(shè)備自身的特殊結(jié)構(gòu)，用統(tǒng)一的方法去分析，不可避免導(dǎo)致在某些方面考慮不夠完全，不能準(zhǔn)確的進(jìn)行的評估。因此應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行分類分析和計(jì)算。這樣，將更能體現(xiàn)RBI技術(shù)的針對性檢驗(yàn)的理念。

    1·換熱器的損傷機(jī)理

    以應(yīng)用最廣泛的管殼式換熱器為例，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用工況的多樣性，常引發(fā)多種形式的失效。管殼式換熱器的主要零部件包括:簡體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭及膨脹節(jié)等，在不同的工況和介質(zhì)的環(huán)境下，可能會(huì)發(fā)生多種形式的失效，見圖1所示。從結(jié)構(gòu)上分析，易發(fā)生失效的部位是各構(gòu)件間的連接處，如管子和管板的連接處;從受力角度分析，在結(jié)構(gòu)的曲面不連續(xù)，尤其是應(yīng)力突變處往往由于存在附加應(yīng)力而引起失效，如筒體和管板的焊縫處;從使用工況分析，由于高溫高壓而引起熱應(yīng)力或附加應(yīng)力、工作介質(zhì)具有腐蝕性;頻繁地開停機(jī)而引起換熱管的流體誘導(dǎo)振動(dòng)等，都會(huì)造成簡體、換熱管束甚至整機(jī)的失效［2］。確定了換熱器的損傷機(jī)理，有助于對RBI技術(shù)的損傷模塊進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)。

             

    2·針對換熱器的RBI技術(shù)的補(bǔ)充和改進(jìn)

    風(fēng)險(xiǎn)由失效概率和失效后果決定，本文主要針對失效概率進(jìn)行調(diào)整。失效可能性由三個(gè)方面決定:同類失效頻率、設(shè)備修正系數(shù)和管理系統(tǒng)評估系數(shù)［3］。針對換熱器的失效可能性的改進(jìn)，主要是從設(shè)備修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。設(shè)備修正系數(shù)FE，是檢查每一設(shè)備項(xiàng)的具體細(xì)節(jié)及該設(shè)備項(xiàng)運(yùn)行的環(huán)境，制定出來的該設(shè)備的設(shè)備系數(shù)。設(shè)備修正系數(shù)包括四個(gè)次因子由損傷次因子、通用次因子、機(jī)械次因子、工藝次因子組成。而調(diào)整項(xiàng)主要對損傷次因子和機(jī)械次因子。以下將作具體闡述。

    2．1損傷次因子

    損傷次因子DF，或是叫技術(shù)模塊次因子，是用來評估特定失效機(jī)理對失效可能性影響的方法。損傷次因子的確定與損傷機(jī)理、檢測間隔時(shí)間、檢測有效性等有關(guān)，是設(shè)備修正中的主要內(nèi)容。

     2．1．1換熱器管束的內(nèi)外損傷

    在API581中，包含了內(nèi)部損傷技術(shù)模塊和外部損傷技術(shù)模塊。內(nèi)部損傷主要指減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、高溫氫腐蝕等，外部損傷主要是保溫層下腐蝕和大氣腐蝕。

    由于換熱器的管束內(nèi)外壁，分別是管程和殼程的介質(zhì)，其溫度、壓力、介質(zhì)等可能都不相同，兩種介質(zhì)都會(huì)對管束產(chǎn)生不同程度損傷。因此，換熱器的管束內(nèi)外壁都存在API581中提到的內(nèi)部損傷，而不存在外部損傷。該內(nèi)部損傷因子是由管內(nèi)和管外的損傷因子加權(quán)得到。

    比如腐蝕減薄損傷因子DFthinning，它的計(jì)算涉及到材料、介質(zhì)、溫度、服役時(shí)間等，其過程如圖2所示。

             

     由于考慮了換熱器管束的雙面腐蝕減薄，因此，管束的腐蝕速率應(yīng)該是r=r內(nèi)+r外，然后計(jì)算得到ar/t，通過檢驗(yàn)有效性和檢驗(yàn)次數(shù)來確定損傷因子?；蛘?，選擇存在明顯嚴(yán)重?fù)p傷的一側(cè)進(jìn)行計(jì)算，忽略另一側(cè)，可以減少計(jì)算量，而對計(jì)算結(jié)果影響不大。

    2．1．2熱傳導(dǎo)率(結(jié)垢)

    導(dǎo)致?lián)Q熱器無法正常運(yùn)行的主要原因之一是結(jié)垢。結(jié)垢會(huì)使傳熱效率降低，不能滿足工藝需要，同時(shí)會(huì)流速降低，導(dǎo)致垢下腐蝕，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器停運(yùn)，影響生產(chǎn)。本文主要通過計(jì)算換熱器熱效率的方法，來評估其結(jié)垢情況。

    (1)使用換熱器入口和出口處的4個(gè)溫度值確定出測量效率Ef;

    (2)通過考慮熱容比率之商R或r及流量的改變，計(jì)算換熱器的估算效率Ed和Ec;

    (3)將換熱器的估算換熱率Ed和Ec及測量熱效率Ef代入下式，求出換熱器的結(jié)垢百分比。

             

            

    2．1．3振動(dòng)(機(jī)械疲勞)

    管殼式換熱器振動(dòng)引起的破壞主要是管子的磨損和疲勞斷裂，破壞位置位于殼程流體進(jìn)出口區(qū)域附近、折流板缺口附近、管束與管板接頭附近和管束外圍等。因此，換熱器的管束振動(dòng)狀況，在評估換熱器的性能，應(yīng)該是個(gè)重要指標(biāo)。

     由于換熱器管束的誘發(fā)振動(dòng)的原因多種，如果從理論上計(jì)算管束的振動(dòng)頻率，將是非常復(fù)雜的工作。因此，為了簡化管束的計(jì)算，本文主要從宏觀上來判斷管束的振動(dòng)情況，然后參考API581中對管道振動(dòng)的計(jì)算方法，進(jìn)行賦值。

             

    2．2機(jī)械次因子

    機(jī)械次因子主要指與設(shè)備項(xiàng)的設(shè)計(jì)與制造相關(guān)的條件，包括建造規(guī)范、壽命周期、安全系數(shù)等。本文主要根據(jù)陳學(xué)東《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(RBI)中以剩余壽命為基準(zhǔn)的失效概率評價(jià)方法》中，在分析了我國特種設(shè)備存在嚴(yán)重超標(biāo)缺陷與長期超期服役問題和現(xiàn)行API581方法的不足，提出了以剩余壽命代替設(shè)計(jì)壽命為基準(zhǔn)進(jìn)行失效概率評價(jià)的方法，探索了結(jié)合中國實(shí)際如何調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)的問題［4］。

    3·試驗(yàn)

    本文主要對上海某石化的加氫裂化裝置中的26臺管殼式換熱器進(jìn)行了分析。失效概率的計(jì)算，完全可以按照API581上的步驟進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)補(bǔ)充本文針對換熱器提出的損傷模塊，得到失效概率，確定失效可能性等級。同樣對這些數(shù)據(jù)，使用DNV公司的RBI軟件ORBIT Onshore進(jìn)行計(jì)算。本文不再進(jìn)行失效后果計(jì)算，采用ORBIT計(jì)算得到的后果。換熱器的失效概率，對殼程、管箱、管束分別進(jìn)行計(jì)算。對比兩種方法，風(fēng)險(xiǎn)分布見表4。

              

    從表4可以看出，采用本文的計(jì)算方法，風(fēng)險(xiǎn)將普遍增大，中高和高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備項(xiàng)增多，其中，以管程的換熱管為主。這也驗(yàn)證了，在化工行業(yè)，換熱器的管束失效是造成換熱器失效的主要原因。由于管束的特殊結(jié)構(gòu)和工況，利用API581，使用統(tǒng)一的RBI的方法，未免會(huì)導(dǎo)致考慮不周全。DNV的RBI分析軟件ORBIT Onshore，也是建立在API581上，同時(shí)兩個(gè)方法才有那個(gè)相同的腐蝕速率。造成風(fēng)險(xiǎn)增加的原因，主要是增加了損傷模塊，特別是針對換熱管的失效，風(fēng)險(xiǎn)有較大變化。換熱管的振動(dòng)、結(jié)垢，是造成失效和影響運(yùn)行的主要原因，應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)考慮。同時(shí)，如果存在缺陷或是超期服役，計(jì)算采用了剩余壽命修正因子，在計(jì)算失效概率值時(shí)，影響很大。它的分值直接跟修正過的失效概率相乘，很可能與之前的失效概率相比，相差一個(gè)數(shù)量級，直接導(dǎo)致失效可能性等級提高一級。

     4·結(jié)論

    本文應(yīng)用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(RBI)，針對換熱器進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)分析。通過分析管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和工況特殊性，確定了損傷機(jī)理。然后根據(jù)這些損傷機(jī)理，再根據(jù)API581，增加這些針對換熱器的損傷模塊，比如換熱器管束的振動(dòng)、內(nèi)外壁損傷以及傳熱效率等對換熱器的使用影響。然后，用剩余壽命代替設(shè)計(jì)壽命作為計(jì)算失效概率的基準(zhǔn)。通過這種方法，更能實(shí)際的反應(yīng)出換熱器這個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)，更能準(zhǔn)確的獲得該設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)值，更能體現(xiàn)RBI技術(shù)針對性檢驗(yàn)的理念。

參考文獻(xiàn)

［1］American Petroleum Institute，Risk－based Inspection Base Resource

Document［S］，API581，2000．

［2］孫奉仲．換熱器的可靠性與故障性分析導(dǎo)論［M］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998:31－55．

［3］挪威船級社(DNV)．軟件ORBIT Onshore的help文檔．

［4］陳學(xué)東，艾志斌，等．基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(RBI)中以剩余壽命為基準(zhǔn)的失效概率評價(jià)方法［J］．壓力容器，2006，23(5):1－5．

［5］楊鐵成，陳學(xué)東，等．基于半定量風(fēng)險(xiǎn)分析的加氫裝置安全評估［J］．壓力容器，2002，19(12):43－45．