換熱器的風險檢測技術研究

                          薛利杰，陳文覺，呂華亭，湯健

                   (上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海200062)

    摘要:在API581的基礎上，針對換熱器的特點，對RBI的方法進行補充和改進。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，根據換熱器的特殊工況和結構，補充針對換熱器的損傷模塊，如換熱器管束的振動、內外壁損傷以及傳熱效率等對換熱器的使用影響。然后，結合我國承壓設備的特殊使用狀況，用剩余壽命代替設計壽命作為計算失效概率的基準。最后，利用以上方法結合API581技術，對上海石化加氫裂化裝置的26臺換熱器進行計算，確定其風險值，與DNV ORBIT軟件計算結果對比，驗證了該方法的合理性和可行性。

    關鍵詞:基于風險的檢測(RBI);剩余壽命;失效概率

    由于換熱器結構的復雜性和使用工況的多樣性，在生產運行過程中由于腐蝕、沖刷、振動等作用，使換熱器遭到破壞，使用壽命縮短，造成巨大的經濟損失。據統計，在化工行業，換熱器的故障率在所有化工設備損壞中占的比例最大，為27．2%，遠高于罐、塔、釜的損壞率。因此換熱器的管理和維護都要得到足夠的重視。

    傳統檢測程序是以定期檢測為基礎的視情檢測，檢測范圍通常比較固定。雖然能找出一部分的破損，但是無法確認大部分的設備潛在的損傷機理。解決這個問題，就是在確定檢驗策略前，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方案，這就是基于風險的檢測(RBI)技術的理念［1］。由于目前RBI技術主要普遍適用于一整套裝置內的所有設備，當針對某一設備時，由于每種設備自身的特殊結構，用統一的方法去分析，不可避免導致在某些方面考慮不夠完全，不能準確的進行的評估。因此應該根據設備的特點進行分類分析和計算。這樣，將更能體現RBI技術的針對性檢驗的理念。

    1·換熱器的損傷機理

    以應用最廣泛的管殼式換熱器為例，由于其結構的復雜性和使用工況的多樣性，常引發多種形式的失效。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、法蘭及膨脹節等，在不同的工況和介質的環境下，可能會發生多種形式的失效，見圖1所示。從結構上分析，易發生失效的部位是各構件間的連接處，如管子和管板的連接處;從受力角度分析，在結構的曲面不連續，尤其是應力突變處往往由于存在附加應力而引起失效，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力或附加應力、工作介質具有腐蝕性;頻繁地開停機而引起換熱管的流體誘導振動等，都會造成簡體、換熱管束甚至整機的失效［2］。確定了換熱器的損傷機理，有助于對RBI技術的損傷模塊進行補充和改進。

             

    2·針對換熱器的RBI技術的補充和改進

    風險由失效概率和失效后果決定，本文主要針對失效概率進行調整。失效可能性由三個方面決定:同類失效頻率、設備修正系數和管理系統評估系數［3］。針對換熱器的失效可能性的改進，主要是從設備修正系數進行調整和補充。設備修正系數FE，是檢查每一設備項的具體細節及該設備項運行的環境，制定出來的該設備的設備系數。設備修正系數包括四個次因子由損傷次因子、通用次因子、機械次因子、工藝次因子組成。而調整項主要對損傷次因子和機械次因子。以下將作具體闡述。

    2．1損傷次因子

    損傷次因子DF，或是叫技術模塊次因子，是用來評估特定失效機理對失效可能性影響的方法。損傷次因子的確定與損傷機理、檢測間隔時間、檢測有效性等有關，是設備修正中的主要內容。

     2．1．1換熱器管束的內外損傷

    在API581中，包含了內部損傷技術模塊和外部損傷技術模塊。內部損傷主要指減薄、應力腐蝕開裂、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外壁，分別是管程和殼程的介質，其溫度、壓力、介質等可能都不相同，兩種介質都會對管束產生不同程度損傷。因此，換熱器的管束內外壁都存在API581中提到的內部損傷，而不存在外部損傷。該內部損傷因子是由管內和管外的損傷因子加權得到。

    比如腐蝕減薄損傷因子DFthinning，它的計算涉及到材料、介質、溫度、服役時間等，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，管束的腐蝕速率應該是r=r內+r外，然后計算得到ar/t，通過檢驗有效性和檢驗次數來確定損傷因子。或者，選擇存在明顯嚴重損傷的一側進行計算，忽略另一側，可以減少計算量，而對計算結果影響不大。

    2．1．2熱傳導率(結垢)

    導致換熱器無法正常運行的主要原因之一是結垢。結垢會使傳熱效率降低，不能滿足工藝需要，同時會流速降低，導致垢下腐蝕，嚴重會導致換熱器停運，影響生產。本文主要通過計算換熱器熱效率的方法，來評估其結垢情況。

    (1)使用換熱器入口和出口處的4個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，求出換熱器的結垢百分比。

             

            

    2．1．3振動(機械疲勞)

    管殼式換熱器振動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出口區域附近、折流板缺口附近、管束與管板接頭附近和管束外圍等。因此，換熱器的管束振動狀況，在評估換熱器的性能，應該是個重要指標。

     由于換熱器管束的誘發振動的原因多種，如果從理論上計算管束的振動頻率，將是非常復雜的工作。因此，為了簡化管束的計算，本文主要從宏觀上來判斷管束的振動情況，然后參考API581中對管道振動的計算方法，進行賦值。

             

    2．2機械次因子

    機械次因子主要指與設備項的設計與制造相關的條件，包括建造規范、壽命周期、安全系數等。本文主要根據陳學東《基于風險的檢測(RBI)中以剩余壽命為基準的失效概率評價方法》中，在分析了我國特種設備存在嚴重超標缺陷與長期超期服役問題和現行API581方法的不足，提出了以剩余壽命代替設計壽命為基準進行失效概率評價的方法，探索了結合中國實際如何調整風險的問題［4］。

    3·試驗

    本文主要對上海某石化的加氫裂化裝置中的26臺管殼式換熱器進行了分析。失效概率的計算，完全可以按照API581上的步驟進行計算，同時補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。同樣對這些數據，使用DNV公司的RBI軟件ORBIT Onshore進行計算。本文不再進行失效后果計算，采用ORBIT計算得到的后果。換熱器的失效概率，對殼程、管箱、管束分別進行計算。對比兩種方法，風險分布見表4。

              

    從表4可以看出，采用本文的計算方法，風險將普遍增大，中高和高風險的設備項增多，其中，以管程的換熱管為主。這也驗證了，在化工行業，換熱器的管束失效是造成換熱器失效的主要原因。由于管束的特殊結構和工況，利用API581，使用統一的RBI的方法，未免會導致考慮不周全。DNV的RBI分析軟件ORBIT Onshore，也是建立在API581上，同時兩個方法才有那個相同的腐蝕速率。造成風險增加的原因，主要是增加了損傷模塊，特別是針對換熱管的失效，風險有較大變化。換熱管的振動、結垢，是造成失效和影響運行的主要原因，應該進行重點考慮。同時，如果存在缺陷或是超期服役，計算采用了剩余壽命修正因子，在計算失效概率值時，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，相差一個數量級，直接導致失效可能性等級提高一級。

     4·結論

    本文應用基于風險的檢測(RBI)，針對換熱器進行定量的風險分析。通過分析管殼式換熱器的結構和工況特殊性，確定了損傷機理。然后根據這些損傷機理，再根據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、內外壁損傷以及傳熱效率等對換熱器的使用影響。然后，用剩余壽命代替設計壽命作為計算失效概率的基準。通過這種方法，更能實際的反應出換熱器這個設備的特點，更能準確的獲得該設備的風險值，更能體現RBI技術針對性檢驗的理念。

參考文獻

［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論［M］．北京:中國標準出版社，1998:31－55．

［3］挪威船級社(DNV)．軟件ORBIT Onshore的help文檔．

［4］陳學東，艾志斌，等．基于風險的檢測(RBI)中以剩余壽命為基準的失效概率評價方法［J］．壓力容器，2006，23(5):1－5．

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