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换热器的风险检测技术研究点击：1825 日期：[ 2014-04-26 21:53:26 ] |
| 换热器的风险检测技术研究 薛利杰，陈文觉，吕华亭，汤健 (上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200062) 摘要:在API581的基础上，针对换热器的特点，对RBI的方法进行补充和改进。首先，从换热器的失效模式入手，明确换热器各零部件的失效原因及故障影响;其次，根据换热器的特殊工况和结构，补充针对换热器的损伤模块，如换热器管束的振动、内外壁损伤以及传热效率等对换热器的使用影响。然后，结合我国承压设备的特殊使用状况，用剩余寿命代替设计寿命作为计算失效概率的基准。最后，利用以上方法结合API581技术，对上海石化加氢裂化装置的26台换热器进行计算，确定其风险值，与DNV ORBIT软件计算结果对比，验证了该方法的合理性和可行性。 关键词:基于风险的检测(RBI);剩余寿命;失效概率 由于换热器结构的复杂性和使用工况的多样性，在生产运行过程中由于腐蚀、冲刷、振动等作用，使换热器遭到破坏，使用寿命缩短，造成巨大的经济损失。据统计，在化工行业，换热器的故障率在所有化工设备损坏中占的比例最大，为27．2%，远高于罐、塔、釜的损坏率。因此换热器的管理和维护都要得到足够的重视。 传统检测程序是以定期检测为基础的视情检测，检测范围通常比较固定。虽然能找出一部分的破损，但是无法确认大部分的设备潜在的损伤机理。解决这个问题，就是在确定检验策略前，先分析其可能存在的损伤类型，比如腐蚀类型和可能损伤部位，在制定针对性的检验方案，这就是基于风险的检测(RBI)技术的理念［1］。由于目前RBI技术主要普遍适用于一整套装置内的所有设备，当针对某一设备时，由于每种设备自身的特殊结构，用统一的方法去分析，不可避免导致在某些方面考虑不够完全，不能准确的进行的评估。因此应该根据设备的特点进行分类分析和计算。这样，将更能体现RBI技术的针对性检验的理念。 1·换热器的损伤机理 以应用最广泛的管壳式换热器为例，由于其结构的复杂性和使用工况的多样性，常引发多种形式的失效。管壳式换热器的主要零部件包括:简体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰及膨胀节等，在不同的工况和介质的环境下，可能会发生多种形式的失效，见图1所示。从结构上分析，易发生失效的部位是各构件间的连接处，如管子和管板的连接处;从受力角度分析，在结构的曲面不连续，尤其是应力突变处往往由于存在附加应力而引起失效，如筒体和管板的焊缝处;从使用工况分析，由于高温高压而引起热应力或附加应力、工作介质具有腐蚀性;频繁地开停机而引起换热管的流体诱导振动等，都会造成简体、换热管束甚至整机的失效［2］。确定了换热器的损伤机理，有助于对RBI技术的损伤模块进行补充和改进。 2·针对换热器的RBI技术的补充和改进 风险由失效概率和失效后果决定，本文主要针对失效概率进行调整。失效可能性由三个方面决定:同类失效频率、设备修正系数和管理系统评估系数［3］。针对换热器的失效可能性的改进，主要是从设备修正系数进行调整和补充。设备修正系数FE，是检查每一设备项的具体细节及该设备项运行的环境，制定出来的该设备的设备系数。设备修正系数包括四个次因子由损伤次因子、通用次因子、机械次因子、工艺次因子组成。而调整项主要对损伤次因子和机械次因子。以下将作具体阐述。 2．1损伤次因子 损伤次因子DF，或是叫技术模块次因子，是用来评估特定失效机理对失效可能性影响的方法。损伤次因子的确定与损伤机理、检测间隔时间、检测有效性等有关，是设备修正中的主要内容。 2．1．1换热器管束的内外损伤 在API581中，包含了内部损伤技术模块和外部损伤技术模块。内部损伤主要指减薄、应力腐蚀开裂、高温氢腐蚀等，外部损伤主要是保温层下腐蚀和大气腐蚀。 由于换热器的管束内外壁，分别是管程和壳程的介质，其温度、压力、介质等可能都不相同，两种介质都会对管束产生不同程度损伤。因此，换热器的管束内外壁都存在API581中提到的内部损伤，而不存在外部损伤。该内部损伤因子是由管内和管外的损伤因子加权得到。 比如腐蚀减薄损伤因子DFthinning，它的计算涉及到材料、介质、温度、服役时间等，其过程如图2所示。 由于考虑了换热器管束的双面腐蚀减薄，因此，管束的腐蚀速率应该是r=r内+r外，然后计算得到ar/t，通过检验有效性和检验次数来确定损伤因子。或者，选择存在明显严重损伤的一侧进行计算，忽略另一侧，可以减少计算量，而对计算结果影响不大。 2．1．2热传导率(结垢) 导致换热器无法正常运行的主要原因之一是结垢。结垢会使传热效率降低，不能满足工艺需要，同时会流速降低，导致垢下腐蚀，严重会导致换热器停运，影响生产。本文主要通过计算换热器热效率的方法，来评估其结垢情况。 (1)使用换热器入口和出口处的4个温度值确定出测量效率Ef; (2)通过考虑热容比率之商R或r及流量的改变，计算换热器的估算效率Ed和Ec; (3)将换热器的估算换热率Ed和Ec及测量热效率Ef代入下式，求出换热器的结垢百分比。 2．1．3振动(机械疲劳) 管壳式换热器振动引起的破坏主要是管子的磨损和疲劳断裂，破坏位置位于壳程流体进出口区域附近、折流板缺口附近、管束与管板接头附近和管束外围等。因此，换热器的管束振动状况，在评估换热器的性能，应该是个重要指标。 由于换热器管束的诱发振动的原因多种，如果从理论上计算管束的振动频率，将是非常复杂的工作。因此，为了简化管束的计算，本文主要从宏观上来判断管束的振动情况，然后参考API581中对管道振动的计算方法，进行赋值。 2．2机械次因子 机械次因子主要指与设备项的设计与制造相关的条件，包括建造规范、寿命周期、安全系数等。本文主要根据陈学东《基于风险的检测(RBI)中以剩余寿命为基准的失效概率评价方法》中，在分析了我国特种设备存在严重超标缺陷与长期超期服役问题和现行API581方法的不足，提出了以剩余寿命代替设计寿命为基准进行失效概率评价的方法，探索了结合中国实际如何调整风险的问题［4］。 3·试验 本文主要对上海某石化的加氢裂化装置中的26台管壳式换热器进行了分析。失效概率的计算，完全可以按照API581上的步骤进行计算，同时补充本文针对换热器提出的损伤模块，得到失效概率，确定失效可能性等级。同样对这些数据，使用DNV公司的RBI软件ORBIT Onshore进行计算。本文不再进行失效后果计算，采用ORBIT计算得到的后果。换热器的失效概率，对壳程、管箱、管束分别进行计算。对比两种方法，风险分布见表4。 从表4可以看出，采用本文的计算方法，风险将普遍增大，中高和高风险的设备项增多，其中，以管程的换热管为主。这也验证了，在化工行业，换热器的管束失效是造成换热器失效的主要原因。由于管束的特殊结构和工况，利用API581，使用统一的RBI的方法，未免会导致考虑不周全。DNV的RBI分析软件ORBIT Onshore，也是建立在API581上，同时两个方法才有那个相同的腐蚀速率。造成风险增加的原因，主要是增加了损伤模块，特别是针对换热管的失效，风险有较大变化。换热管的振动、结垢，是造成失效和影响运行的主要原因，应该进行重点考虑。同时，如果存在缺陷或是超期服役，计算采用了剩余寿命修正因子，在计算失效概率值时，影响很大。它的分值直接跟修正过的失效概率相乘，很可能与之前的失效概率相比，相差一个数量级，直接导致失效可能性等级提高一级。 4·结论 本文应用基于风险的检测(RBI)，针对换热器进行定量的风险分析。通过分析管壳式换热器的结构和工况特殊性，确定了损伤机理。然后根据这些损伤机理，再根据API581，增加这些针对换热器的损伤模块，比如换热器管束的振动、内外壁损伤以及传热效率等对换热器的使用影响。然后，用剩余寿命代替设计寿命作为计算失效概率的基准。通过这种方法，更能实际的反应出换热器这个设备的特点，更能准确的获得该设备的风险值，更能体现RBI技术针对性检验的理念。 参考文献 ［1］American Petroleum Institute，Risk－based Inspection Base Resource Document［S］，API581，2000． ［2］孙奉仲．换热器的可靠性与故障性分析导论［M］．北京:中国标准出版社，1998:31－55． ［3］挪威船级社(DNV)．软件ORBIT Onshore的help文档． ［4］陈学东，艾志斌，等．基于风险的检测(RBI)中以剩余寿命为基准的失效概率评价方法［J］．压力容器，2006，23(5):1－5． ［5］杨铁成，陈学东，等．基于半定量风险分析的加氢装置安全评估［J］．压力容器，2002，19(12):43－45． |
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