摘　要：目前壓力容器等承壓類特種設(shè)備向大型化、高參數(shù)、長(zhǎng)周期運(yùn)行方向發(fā)展，如何將其風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范疇，是各國(guó)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的要點(diǎn)，Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一項(xiàng)革命性的技術(shù)變革。TSG R0004  2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定第Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段需出具風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，按此思路，事先評(píng)估與控制重要承壓設(shè)備在全壽命過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)保證其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有重要的意義。以天然氣行業(yè)第Ⅲ類壓力容器為研究對(duì)象，以API 581—2000(SY／T 6714—2008)為基礎(chǔ)開(kāi)展研究，考慮設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，修正了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，建立了典型失效案例庫(kù)。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，彌補(bǔ)了我國(guó)相應(yīng)技術(shù)與系統(tǒng)的缺失。通過(guò)這些研究和開(kāi)發(fā)，為更好地指導(dǎo)基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)(RBD)工作提供了技術(shù)依據(jù)和使用平臺(tái)，為研究適用于我國(guó)實(shí)際的Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)提供了新思路，為建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Ⅲ類壓力容器  設(shè)計(jì)  天然氣  風(fēng)險(xiǎn)  評(píng)估  系統(tǒng)  研究  開(kāi)發(fā)  技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

Risk assessment of class-Ⅲpressure vessels at their design stage and its system development

Abstract：It is extremely important for designers and engineers to preliminarily assess and control risks of significant pressure equipments so as to ensure the long-term safe operation in their whole life service．From this point，it is a revolutionarv technological reform to assess risks of class-Ⅲ pressure vessels at their design stage，the report of which should be issued according to the TSG R0004—2009 if Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure vessels．Therefore，we revised the risk assessment model of class-Ⅲ pressure vessels at their design stage based on the study of API 581—2000(SY／T 6714—2008)and then established a database of classic failure cases．On this basis，such risk assessment system was developed and applied to the engineering design work．This study provides a reference or a tool to the work of Risk based Design(RBD)and a new idea for an engineer or a designer to assess the risks of the class-Ⅲ pressure vessels at their design stage．

Keywords：class—Ⅲpressure vessel，design，natural gas，risk assessment，system，study，development，teehnical standard

目前壓力容器等承壓類特種設(shè)備向大型化、高參數(shù)、長(zhǎng)周期運(yùn)行方向發(fā)展，如何將其風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍，是各國(guó)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的要點(diǎn)^[1]。我國(guó)特種設(shè)備事故率仍然較高，近年發(fā)生的幾起承壓設(shè)備使用階段的惡性事故，究其原因很多是由于設(shè)計(jì)制造考慮不周引起的^[2]。因此在設(shè)計(jì)制造階段按預(yù)定的壽命，將全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)、壽命要求與設(shè)計(jì)選材、制造工藝相結(jié)合、事先評(píng)估與控制設(shè)備在使用中的風(fēng)險(xiǎn)。考慮系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的保障措施，考慮操作過(guò)程、開(kāi)停工過(guò)程和維修的具體要求，用系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)保證設(shè)備在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行意義重大^[3]。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視在壓力容器設(shè)計(jì)制造的早期就采用有效方法識(shí)別、評(píng)價(jià)、控制全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)重要壓力容器一般都有明確的設(shè)計(jì)壽命，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)與壽命需求不同提出差異化的設(shè)計(jì)制造技術(shù)要求。歐盟最早開(kāi)始實(shí)施在承壓設(shè)備設(shè)計(jì)階段開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，1997年通過(guò)了強(qiáng)制性法規(guī)——《承壓設(shè)備指令》(Pressure Equipment Directive 97／23／EC，以下簡(jiǎn)稱PED)。2002年5月30日頒布了EN 13445《非直接接觸火焰壓力容器》第一版，規(guī)定了對(duì)容器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，要求告知主要失效模式及其發(fā)生可能性，在設(shè)計(jì)中采取的預(yù)防措施及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題等^[4]。后來(lái)美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家采用了這個(gè)理念也相繼修訂了原有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。如澳大利亞的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASl210—1997中要求設(shè)計(jì)者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，通過(guò)危害識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制來(lái)完成風(fēng)險(xiǎn)管理在設(shè)計(jì)階段的工作。另外，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織出版了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16528^[5]。

為了順應(yīng)世界在設(shè)計(jì)階段就開(kāi)展壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的思想，保證重要壓力容器的本質(zhì)安全，做到所謂“優(yōu)生優(yōu)育”。TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱固容規(guī))規(guī)定了對(duì)第Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)出具包括主要失效模式、失效可能性及風(fēng)險(xiǎn)控制措施等內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告^[6]。從此，我國(guó)重要固定式壓力容器進(jìn)入了基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命設(shè)計(jì)的新時(shí)期。GB 150.1—2011《壓力容器》通用要求對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告所包含的內(nèi)容作了規(guī)定^[7]。國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局特種設(shè)備監(jiān)察局文件質(zhì)檢特函[2010]86號(hào)附件中規(guī)定了對(duì)壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的基本要求^[8]。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)工程設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展Ⅲ類壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)存在4個(gè)問(wèn)題：①風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估缺乏理論依據(jù)；②要求設(shè)計(jì)人員具備完善的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專業(yè)知識(shí)；③風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告內(nèi)容不規(guī)范；④設(shè)計(jì)人員工作量大、效率低。因此，為順應(yīng)設(shè)備安全性與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的發(fā)展趨勢(shì)并與國(guó)際接軌，急需研究適用于我國(guó)Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)與專用軟件，指導(dǎo)并完善基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)(RBD)工作。然而，我國(guó)壓力容器每年投入數(shù)量巨大，涉及行業(yè)眾多，很難找到一套適用于所有行業(yè)的通用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和實(shí)施辦法。因此，以天然氣行業(yè)Ⅲ類壓力容器為研究對(duì)象，開(kāi)展針對(duì)天然氣行業(yè)的Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))具有更加現(xiàn)實(shí)的意義。同時(shí)能為研究適用于我國(guó)國(guó)情的Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)提供新思路，為建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定良好的理論基礎(chǔ)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必須遵循有效的原則，如何實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)Ⅲ類壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估呢?設(shè)計(jì)階段出具風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告在我國(guó)是新要求，沒(méi)有完全符合的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)或辦法。因此，在國(guó)際上通用的RBl標(biāo)準(zhǔn)——API 581—2000(SY／T 6714—2008)(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn))基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，修正風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，建立典型失效案例庫(kù)。將其應(yīng)用到天然氣Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段中，開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件。

1　Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

1．1　風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是根據(jù)使用單位(用戶)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合承壓設(shè)備的失效模式和損傷退化機(jī)理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別的。壓力容器失效模式、典型損傷退化機(jī)理與壽命數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需要對(duì)大量設(shè)計(jì)、制造條件與使用工程失效情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與整理^[9]。

判斷承壓設(shè)備是否失效并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是隨著所應(yīng)用的失效準(zhǔn)則的不同而變化的。目前，承壓設(shè)備在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的失效模式主要來(lái)源于API 581、API 579、API 580、NACE(美國(guó)防腐工程帥協(xié)會(huì))、英國(guó)BS 7910以及ISO／CD 16528等^[10]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將失效模式分為以下幾種：減薄、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、高溫氫損傷、脆性斷裂、襯里損壞、外部損壞等。這些失效模式包含的技術(shù)內(nèi)容包括該損傷模式的定義描述，影響該損傷模式的關(guān)鍵因素，該損傷模式的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方法，預(yù)防該損傷模式的建議措施等。

在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)又依據(jù)介質(zhì)特性、工作狀況等開(kāi)發(fā)了可能失效模式的自動(dòng)識(shí)別功能，能為判斷設(shè)備主要失效模式提供幫助和參考。在自動(dòng)識(shí)別基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)人工修改。

1．2　失效風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的計(jì)算

現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料表明不同環(huán)境下設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率是不同的^[11]，工程上其主要以失效頻率來(lái)體現(xiàn)。要計(jì)算設(shè)備失效概率，首先要借助大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)找到足夠多的數(shù)據(jù)以合理估算設(shè)備的實(shí)際失效頻率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到設(shè)備失效概率。對(duì)于設(shè)計(jì)階段來(lái)說(shuō)，所評(píng)估的壓力容器還沒(méi)有生產(chǎn)出來(lái)，其失效概率或頻率只能通過(guò)同類失效頻率的修正來(lái)獲得。本系統(tǒng)參照標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)同類工藝設(shè)備的失效頻率(F同類)，并通過(guò)2個(gè)因子——設(shè)備修正因子(FE)和管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)因子(FM)得到修正后的失效頻率(F修正)，見(jiàn)公式^[12]：

F修正＝F同類FEFM

API 581—2008在失效可能性評(píng)估方法作了改變。首先取消了通用次因子、機(jī)械次因子及工藝次因子。其次，同類設(shè)備失效概率也有了很大的變化，2008版本比2000版本中平均低l個(gè)數(shù)量級(jí)左右。以上變化將使得評(píng)估出的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比老版本中有所降低，其結(jié)果有利于裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，但這些修正是否適合中國(guó)的實(shí)際情況，是否適合中國(guó)所有行業(yè)的壓力容器，該如何使用，需不需要進(jìn)行修正后再使用以及如何修正等問(wèn)題，還需要進(jìn)行深入的研究。因此，本系統(tǒng)仍然在標(biāo)準(zhǔn)2000版本基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定量計(jì)算并編寫程序。

1．3　失效風(fēng)險(xiǎn)后果計(jì)算

壓力容器的失效以及隨后的危險(xiǎn)物質(zhì)泄放可能導(dǎo)致許多不希望發(fā)生的影響，標(biāo)準(zhǔn)將這些影響歸類為4個(gè)基本風(fēng)險(xiǎn)后果^[12]。進(jìn)行后果分析是為了確定設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)排序。為了和失效可能性計(jì)算相對(duì)應(yīng)，失效后果的計(jì)算也采用標(biāo)準(zhǔn)的2000版本。主要包括面積后果和經(jīng)濟(jì)后果，面積后果主要為燃燒爆炸后果、毒性后果和無(wú)毒非可燃性后果。

2　Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)

2．1　開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為VS 2008，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C⁺⁺，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2000。

2．2　數(shù)據(jù)庫(kù)建立

Ⅲ類壓力容器評(píng)估需從設(shè)備工藝描述、設(shè)計(jì)參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，系統(tǒng)分別建立設(shè)備工藝描述、設(shè)計(jì)參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(圖1)。

2．3　軟件評(píng)估依據(jù)和報(bào)告編制

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，考慮在設(shè)計(jì)階段的具體取值問(wèn)題，編制風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算程序。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)《固容規(guī)》和GB 150.1—2011《壓力容器》通用要求的要求，編制了Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的格式，并通過(guò)軟件按照不同模塊編寫，最后自動(dòng)導(dǎo)出生成Word文檔。

2．4　失效案例

為了給設(shè)計(jì)人員開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提供參考，收集整理了國(guó)內(nèi)外近幾十年來(lái)天然氣行業(yè)壓力容器失效事故典型案例，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可以實(shí)現(xiàn)失效案例的查詢、調(diào)用以及增刪。

2．5　系統(tǒng)關(guān)系與系統(tǒng)管理

2．5．1系統(tǒng)關(guān)系

系統(tǒng)的設(shè)備工藝描述、設(shè)計(jì)參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)用于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行壓力容器類別的計(jì)算，然后從失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)措施數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用數(shù)據(jù)開(kāi)展失效模式和風(fēng)險(xiǎn)控制判別，參照失效案例，產(chǎn)生壓力容器設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，提交公司主管領(lǐng)導(dǎo)審核。上級(jí)公司主管領(lǐng)導(dǎo)在系統(tǒng)中進(jìn)行審核，必要時(shí)也能方便地調(diào)用失效案例數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核(圖1)。

2．5．2系統(tǒng)管理

該系統(tǒng)分為角色管理、角色權(quán)限管理以及用戶管理3個(gè)部分。角色管理把使用系統(tǒng)的人員分為設(shè)計(jì)人員、審核人員、審批人員和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)員(圖2)。這些人員能進(jìn)行的業(yè)務(wù)處理和所能查看的數(shù)據(jù)范圍各不相同，系統(tǒng)需要為每一個(gè)操作人員設(shè)立不同的賬號(hào)，系統(tǒng)為每個(gè)角色分配相應(yīng)的操作權(quán)限(圖3)。

用戶由系統(tǒng)管理員進(jìn)行維護(hù)，要維護(hù)的內(nèi)容有用戶信息和用戶權(quán)限。用戶信息主要包括賬號(hào)和密碼兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，其中，密碼要加密存儲(chǔ)。用戶可更改自己的登錄密碼(圖4)。

3　結(jié)束語(yǔ)

第Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并出具報(bào)告是一個(gè)新規(guī)定。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，需要研究相應(yīng)的評(píng)估理論和辦法。但是我國(guó)Ⅲ類壓力容器每年投入數(shù)量巨大，涉及行業(yè)眾多，很難找到一套適用于所有行業(yè)的通用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和實(shí)施辦法。因此，針對(duì)天然氣行業(yè)使用的Ⅲ類壓力容器，以標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，考慮在設(shè)計(jì)階段的取值問(wèn)題對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行修正，開(kāi)展了Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與軟件開(kāi)發(fā)并將其應(yīng)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。彌補(bǔ)了我國(guó)相應(yīng)技術(shù)與系統(tǒng)的缺失，為更好地指導(dǎo)基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)(RBD)工作提供了技術(shù)依據(jù)和使用平臺(tái)，為研究適用于我國(guó)實(shí)際的Ⅲ類壓力容器設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)提供了新思路，為建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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本文作者：馬欣  雒定明  伍開(kāi)松  劉文廣  秦光源

作者單位：西南石油大學(xué)

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