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(转载)从风险评估到风险防控 科技攻关推动承

来源:未知    发布时间:2016-11-14 09:52:23    阅读量:

 

摘 要:自“七五”以来,通过承压设备安全科技工作,在极限及结构安定性分析、含缺陷结构安全性评价、剩余寿命预测、基于风险的检验、声发射和电磁无损检测等方面取得了大量的科研成果,构建了基于风险的承压设备安全保障技术体系。但随着设备高参数化、超期服役设备不断增加和物联网、大数据等技术的发展,现有安全保障体系面临着新的机遇和挑战。十三五期间,国家重点专项“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”项目获得立项。该项目将实现高参数承压设备安全科技工作从“风险评估”到“风险防控”的重点转变,推动承压设备安全科技工作迎来新业态。
 

 

 

   承压类特种设备包括锅炉、压力容器和压力管道等,是影响国民经济和密切联系人们生活的重要基础装备,在石油、化工、电力、机械、冶金、船舶、交通、轻工、建材、医药、航空航天等行业广泛应用。据国家质检总局统计,截至2015 年底,全国承压类特种设备总量达398.58 万台,其中锅炉57.92 万台、压力容器340.66 万台,另有气瓶13698 万只、压力管道43.63 万公里。承压类特种设备种类多样、涉及面广、综合性强,事故后果及影响巨大,直接关系到生产安全、经济发展和社会稳定,是各国公共安全领域的关注焦点。
 
1 以科研带动发展,构建承压设备安全保障体系
 
  承压类特种设备安全科技工作始于“七五”科研攻关阶段。80 年代初期,通过普查发现我国近40 万台压力容器存在各种严重缺陷,按法规标准规定应报废更换,测算约需200 ~ 400 亿元资金并占用全国压力容器制造能力2 ~ 3 年时间,如果采取在全面检验的基础上进行彻底修复和部分报废、更新,也需100 ~200 亿元,这显然是不切实际的。因此,“七五”和“八五”期间,针对上述问题开展了带缺陷压力容器安全性评定研究工作,建立了科学的评估方法,研究成果纳入了《压力容器安全评定规范》[3] 和我国特种设备安全技术规范《压力容器定期检验规则》。
  “九五”和“十五”主要围绕压力管道开展了深入的研究工作。“九五”期间,针对工业管线中近80%的焊缝存在超标缺陷的问题,进行了含缺陷压力管道的安全评定方法研究,研究成果纳入了2004 年发布的国家推荐标准《含缺陷压力容器安全评定》。“十五”期间,针对埋地燃气管道普遍处于疲于堵漏抢险、无奈盲目更新和监察无规范、检测无手段、评价无方法的高成本、低成效的被动局面,开展了埋地管道不开挖检测、腐蚀防护效果评价等研究工作,实现了我国燃气行业变“被动应急”为“主动预防、科学维护”,研究成果纳入了《压力管道定期检验规则:长输(油气)管道》 和《压力管道定期检验规则:公用管道》。
  通过“七五”到“十五”期间的研究工作,基本建立了传统的承压类特种设备安全保障技术体系,其基本技术路线为通过检查和检测发现缺陷,根据缺陷情况,按照“合于使用”的原则评定承压设备的安全状况等级,根据安全状况等级确定其定期检验周期。该体系在解决我国在二十世纪80 年代初期压力容器和二十世纪90 年代末期工业管道所面临的量大面广的历史遗留问题,保证承压设备的安全使用等方面,发挥了极大的作用。
 
2 引入“风险”理念,建立基于风险的安全保障新体系
 
  随着我国经济和社会的快速发展,以及全球经济一体化和我国加入WTO 以后带来的激烈竞争,成套装置承压设备的长周期运行势在必行。为了实现安全性和经济性统筹兼顾的目标,我国于本世纪初引入了“风险”的理念。“十一五”期间开展了承压设备损伤模式识别、风险评估等关键技术的研究,“十二五”期间对“十一五”的研究工作进行了横向拓展和纵向深入,围绕预知检测、在线检测和基于风险的管理进行了大量深入的研究,研制了《承压设备损伤模式识别》、《承压设备系统基于风险的检验实施导则》、《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》,《无损检测 脉冲涡流检测方法》[12] 等国家标准,建立了基于风险的承压设备安全保障新体系。
 
  与传统检验相比,采用基于风险的检验(RBI)技术可更有针对性制订和优化检验方案,降低成套装置承压设备的风险,合理规定检验周期,节省检验成本。RBI 技术已被《固定式压力容器安全技术监察规程》和《压力管道安全技术监察规程 工业管道》采纳,实现了我国承压设备检验理念的重大转变,即从工艺无关到工艺相关、从单台设备到成套装置建立系统的检验策略、从解决先天不足到防患于未然,从检测缺陷为先到风险和损伤模式识别为先,对于提升承压类特种设备长周期运行安全保障技术和能力具有重要的意义,为政府安全监管提供了有力的技术支撑。据统计,“十二五”期间在特种设备数量增长70% 的情况下,万台特种设备死亡率下降了46%,可见基于风险的承压设备安全保障新体系在提高产品质量、保障生产和公共安全、降低事故率等方面发挥了重要作用。
 
3 设备高参数化,“风险评估”体系面临新挑战
 
  随着国际经济形势快速变化、我国科技自主创新能力提高和能源结构调整,现有承压设备安全保障技术体系面临新的挑战。一是承压类特种设备不断向高参数方向发展,设计边界不断拓展,如出口压力为35MPa,出口温度达到630℃的电站锅炉;内直径达5000mm、壁厚达到340mm,工作压力为20MPa、工作温度为454℃的煤液化加氢反应器;设计温度达-253℃的300m3 液氢储罐等。为应对设计边界的扩展,新型抗氢钢、耐腐蚀不锈钢和耐深冷低温钢等新材料,纤维缠绕等新结构,应变强化、超厚锻件焊接等新制造技术大量应用。承压设备高参数化带来了一系列新的问题,如超高压容器的腐蚀疲劳损伤、高温容器的蠕变疲劳损伤、深冷容器的脆性断裂等,对承压设备的设计、制造、使用安全管理和政府安全监管都提出了更高要求。
  二是复杂环境下设备的损伤机理研究有待进一步深入。由于生产工艺的复杂性,很多设备在复杂介质环境下服役,其失效往往不是单一损伤导致的,如煤化工下游聚甲醛装置中甲酸+ 硫酸、甲酸+ 三聚甲醛,煤化工、制氢装置中CO2+H2S+Cl,制氢、柴油加氢装置中Cl-+OH-  等复杂介质环境下的腐蚀,电站锅炉中高温腐蚀与磨损、变形组合损伤,都是承压设备长周期运行的安全不确定因素。国内外普遍采用基于失效模式的设计方法,复杂环境下失效是由哪些损伤机理主导的,其表征方法、主要影响因素和防护措施都是关注的焦点,有待进一步深入、系统的研究。
  三是超期服役承压设备不断增加。由于改革开放以后我国经济快速发展和需求增加,我国在上世纪80-90 年代兴建了一大批石化装置,如仅1984 年就批准了中石化大庆、扬子、齐鲁、镇海、宁夏、乌鲁木齐和上海石化等7 个大型项目。当时投产的承压设备已接近或超过设备设计寿命(一般为10~25 年),逐步步入老旧阶段。尽管法规规定超期服役设备经检验合格并办理使用登记证书变更后仍可继续使用,但超期服役设备的损伤累积(如疲劳、材质劣化等)更为严重,安全风险也将急剧增加。目前对超期服役设备安全状况的科学研究不足,没有相关标准和法规条文对超期服役承压设备所需开展的检验和评价工作进行详细的规定,导致超期服役设备的使用和检验缺乏有效的依据和技术支撑。
  此外,随着政府简政放权、行政许可改革、标准化改革等举措实施,我国已开展特种设备安全技术规范和国家标准的精简整合工作,目标是要明确承压类特种设备在设计、制造、使用维护等各环节的基本安全要求,厘清法规和标准的关系,为承压类特种设备安全保障体系的完善带来了新的挑战。与此同时,互联网+、大数据和物联网等技术的发展,也为承压类特种设备安全监管带来了一系列新的机遇,如与信息技术相融合的检测、监测仪器装备研发,以物联网为基础的安全监管数据的采集、传输和储存,以大数据、云计算为基础的数据分析与挖掘等将是未来的研究热点。
  因此,探索将安全保障技术体系从“风险评估”向“风险控制和预防”转变,从承压设备的设计制造等早期阶段预防安全风险、在服役阶段降低和控制安全风险,并结合物联网、大数据等技术对承压设备进行科学高效的安全监管,成为“十三五”期间承压类特种设备安全科技工作的重点。
 
4 安全管控关口前移,探索“风险控制和预防”新业态
 
  2016 年7 月,由中国特种设备检测研究院为牵头单位,由合肥通用机械研究院、西安交通大学、北京航空航天大学、华东理工大学、武汉大学、上海发电设备成套设计研究院、宝山钢铁股份有限公司、浙江大学、南京工业大学、中国石化工程建设有限公司等29 家单位组成的国家特种设备安全检测与评价重点领域创新团队在“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项领域提出的“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”项目(编号:2016YFC0801900)获得科技部批准立项。
  该项目总体目标为建立高参数承压类特种设备全寿命周期的风险防控技术方法体系,从承压设备的设计制造等早期阶段预防安全风险、在服役阶段降低和控制安全风险,并结合物联网、大数据等技术对承压设备进行科学高效的安全监管,构建基于大数据的承压设备宏观安全风险防控和应急平台,使安全管控关口前移,实现安全保障技术体系从“风险评估”向“风险控制和预防”的重大转变。
  该项目针对我国锅炉、压力容器和管道等高参数承压类特种设备安全保障重大需求,针对全寿命周期内的风险防控和治理中存在的科技瓶颈难题,重点研究承压设备典型材料组合损伤机理、表征、演化规律,基于损伤和失效模式、安全状态参数的风险控制理论等基础共性问题,支撑全寿命周期设计、制造、服役、监管各环节的关键技术研究,主要包括:1)典型材料及焊接接头的高温损伤的定量评价、分级及早期诊断技术;2)基于失效模式的承压设备风险防控设计方法和制造技术;3)严苛服役环境下承压设备系统风险控制技术(含成套装置和电站锅炉);4)超期服役设备安全分级、寿命预测及延寿技术;5)基于大数据的承压类特种设备宏观安全风险防控和事故应急处置技术等关键技术难题。 
  项目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,重点研究材料性能控制、结构优化设计、制造工艺筛选等关键技术,突出本质安全与风险预防;在服役阶段,重点研究检测监测、安全评价、寿命预测、损伤修复等关键技术及仪器装备,突出风险控制与治理;在政府技术支撑和社会化服务方面,构建基于大数据的承压设备宏观安全风险防控和应急平台,建立并完善高参数承压设备“设计、制造、使用、检验检测、政府监管”全寿命周期的安全保障技术体系。
 
 
 
 
  通过该项目的研究工作,预期形成高参数承压设备设计制造、在线检测监测、寿命预测和延寿、风险控制、安全监管等方面的新方法49 项,制修订特种设备安全技术规范5 项、国家或行业标准12 项,研发试验装置、设备或样机15 台/ 套,申请国家发明专利38 项。一方面可以在高温设备蠕变疲劳、低温设备防脆断设计方法和大型LNG 接收站中间流体高效汽化器、符合材料高压容器制造技术方面拥有自主知识产权,打破国外的垄断,创造巨大的经济效益;另一方面将实现我国高参数承压类特种设备安全科技工作从“风险评估”向“风险防控”转变,形成承压设备设计、制造、使用维护、检验检测、政府监管等全链条风险管理的闭环,显著提升我国高参数承压设备风险防控和治理的技术能力和装备,为防止重特大安全事故、促进安全生产和政府安全监管提供有力的技术支撑。
 
基金支持: 本项目由国家重点研发计划2016YFC0801900 项目资助]
 
作者:寿比南  邵珊珊  贾国栋  谢国山
 
第一作者简介:寿比南(1957 ~ ),男,研究员,从事特种设备安全和承压设备标准化技术工作。
 

 

本文转载自《中国特种设备安全》2016年第10期


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