張子健，呂鐘杰，沈正祥，柴軍輝

(1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江寧波 315048；2. 寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江寧波 315048)

球形儲罐具有整體受力均勻、相同體積條件下鋼材使用量小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在石油化工企業(yè)[1]。但球罐的應(yīng)用過程也同樣存在安全隱患，球罐中通常為易燃易爆等危險性較大的介質(zhì)，若出現(xiàn)泄漏或者失穩(wěn)，會對環(huán)境和經(jīng)濟造成一定的影響；同時，球罐的現(xiàn)場組焊安裝難度大，使用過程中的升壓和降壓還易產(chǎn)生疲勞裂紋[2-3]。因此，對球罐的風(fēng)險水平把控較為重要，目前針對球罐的風(fēng)險評估軟件的研發(fā)、購置與后期維護費用相對較高，對于未購置相關(guān)計算軟件的單位，其風(fēng)險評估工作難度極高，GB/T 26610.3—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第3部分：風(fēng)險的定性分析方法》給出了風(fēng)險評估定性分析的思路，可以粗略計算球罐的風(fēng)險水平，一定程度上解決定量分析存在的難題。

1 球罐風(fēng)險評估定性分析方法

GB/T 26610.3—2014第1章指出該標準可用于石油化工裝置中壓力容器及其承壓零部件的風(fēng)險評估，第4.3.1節(jié)指出風(fēng)險的定性分析可以單獨計算并應(yīng)用，也可以與定量計算組合使用。因此，球罐風(fēng)險評估定性分析可以參考GB/T 26610.3—2014。

1.1 失效可能性定性評估

根據(jù)所評估球罐的具體情況，對以下6個因子進行賦值或者計算：設(shè)備因子EF、損傷因子DF、檢驗因子IF、維護狀態(tài)因子MCF、工藝因子PF、機械設(shè)計因子MDF。

根據(jù)被評估裝置中可能發(fā)生失效的設(shè)備總數(shù)對進行設(shè)備因子EF賦值，單個球罐評估時一般取2；根據(jù)球罐損傷機理的可能性數(shù)量對DF進行賦值；根據(jù)球罐的檢驗情況對IF進行賦值；根據(jù)企業(yè)管理水平、裝置設(shè)計制造水平和維修方案的有效性對MCF進行賦值；根據(jù)停工次數(shù)、工藝穩(wěn)定性、保護裝置可靠性對PF進行賦值；根據(jù)設(shè)計、制造、維護、工藝合規(guī)性對MDF進行賦值。上述6個因子的值之和為失效可能性因子的值，失效可能性等級見表1。

表1 失效可能性等級

1.2 失效后果定性評估

失效后果的定性評估主要考慮燃燒與爆炸、中毒后果2個方面，評估原則為：①當(dāng)球罐介質(zhì)泄漏后僅產(chǎn)生單一后果時，直接對該后果進行評估；②當(dāng)2種后果并存時，則需要判斷是否存在主導(dǎo)后果，若有主導(dǎo)后果則不必考慮另一種后果，若無主導(dǎo)后果，則需單獨評估后，確定較嚴重的后果進行評估。

1.2.1 燃燒與爆炸后果評估

燃燒與爆炸后果評估中需對以下6個因子進行賦值：化學(xué)因子CF、損傷量因子DQF、狀態(tài)因子SF、自燃因子AF、壓力因子PRF、安全防護因子CRF。

化學(xué)因子CF主要與可燃次因子FF、反應(yīng)次因子RF相關(guān)；損傷量因子DQF與泄漏的可燃介質(zhì)的最大存量相關(guān)；狀態(tài)因子SF與介質(zhì)在標準大氣壓下的沸點溫度相關(guān)；自燃因子AF與介質(zhì)工作溫度和自然溫度相關(guān)；壓力因子PRF與介質(zhì)的物性狀態(tài)相關(guān)；安全防護因子CRF主要與設(shè)備的安全防護裝置情況相關(guān)。上述6個因子的值之和為燃燒與爆炸后果因子的值，燃燒與爆炸后果等級見表2。

表2 燃燒與爆炸后果等級

1.2.2 中毒后果評估

中毒后果評估需要對以下4個因子進行賦值：中毒量因子TQF、擴散因子DI、安全防護因子CRF、人口因子PPF。

中毒量因子TQF與泄漏事件中可能存在損失的有毒介質(zhì)最大存量次因子TQF1、健康危害次因子TQF2相關(guān)；擴散因子DI與介質(zhì)在標準大氣壓下的沸點溫度相關(guān)；安全防護因子CRF與有毒介質(zhì)泄漏后相關(guān)安全防護措施是否到位相關(guān)；人口因子PPF與距離泄漏400 m半徑范圍內(nèi)的日間平均人口數(shù)量相關(guān)。上述4個因子的值之和為中毒后果因子的值，中毒后果等級見表3。

表3 中毒后果等級

1.3 風(fēng)險等級確定方法

將賦值完成的失效可能性等級和失效后果等級組合在5×5的風(fēng)險矩陣中，進而確定被評估球罐的風(fēng)險等級。

2 球罐風(fēng)險評估定量分析方法

2.1 失效可能性定量評估

球罐的失效可能性定量計算是采用同類失效頻率法，失效可能性Pf計算公式如下：

式中，Pf是以時間t為函數(shù)的失效可能性；gff是同類失效頻率；FMS是管理系統(tǒng)系數(shù)；Df是破壞系數(shù)。

同類失效頻率gff是以同一公司內(nèi)多個工廠或同一行業(yè)內(nèi)各個工廠中、參考文獻和商業(yè)可靠性數(shù)據(jù)庫中的記錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算得到的失效數(shù)據(jù)，是通用部件的數(shù)據(jù)，具有代表性。標準里提供了4種離散孔尺寸，可對各種事件(小泄漏到破裂)的泄放情況進行建模。

管理系統(tǒng)系數(shù)FMS是針對管理、工藝信息安全、工藝危害性分析、變更管理、操作規(guī)程、安全生產(chǎn)實踐規(guī)程、培訓(xùn)、機械完整性、投用前的安全審查、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查、承包商、管理系統(tǒng)評估等13個方面進行評估，然后經(jīng)計算求得的，F(xiàn)MS適用于工廠內(nèi)所有的設(shè)備。

破壞系數(shù)Df是根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，用以評估隨使用時間變化可能出現(xiàn)的破壞機理和破壞量以及某一檢驗活動的有效性。Df主要由與結(jié)構(gòu)材料相適應(yīng)的破壞機理、工藝水平、部件的物理狀態(tài)以及量化損傷的檢驗方法來確定。其中破壞機理主要與減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、外部破壞、高溫氫腐蝕、機械疲勞、脆性斷裂等相關(guān)。失效可能性Pf等級劃分見表4。

表4 失效可能性等級劃分

2.2 失效后果定量評估

失效后果定量計算分為2種級別：①1級后果計算針對標準中所列出的代表性流體清單，該方法利用查表法和圖表，無需專用建模軟件便可計算出泄放介質(zhì)的后果；②2級后果計算準確性更高，包含詳細的計算程序，更適用于廣泛的有毒有害介質(zhì)。

后果定量計算采用以下步驟：①采用事件樹計算可燃和爆炸性后果，確定各種結(jié)果的可能性(如液池火、閃燃和蒸氣云爆炸)，并結(jié)合計算機模型確定后果的嚴重程度，根據(jù)熱輻射和爆炸所造成的人員嚴重傷害和部件損壞確定后果面積，根據(jù)公布的受影響面積確定經(jīng)濟損失。②采用計算機模型計算毒性后果，確定由于人員過度接觸蒸氣云中毒性濃度所造成的后果面積的嚴重程度。若流體為可燃毒性流體，其毒性事件概率可假定為：泄放物點燃時，毒性后果忽略不計，根據(jù)公布的受影響面積確定經(jīng)濟損失。③考慮非可燃、非毒性泄放物。根據(jù)人員嚴重傷害確定化學(xué)品噴濺和高溫蒸汽燃燒的后果。物理爆炸和沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE)也會造成人員嚴重傷害和部件損壞。④經(jīng)濟后果包括業(yè)務(wù)中斷損失以及環(huán)境泄放物相關(guān)的費用損失，分別根據(jù)可燃和非可燃后果面積的函數(shù)估算業(yè)務(wù)中斷后果，泄放有效質(zhì)量或泄放率確定環(huán)境后果。失效后果等級劃分見表5。

表5 失效后果等級劃分

2.3 風(fēng)險定量計算

風(fēng)險值R是時間t的函數(shù)，按式(2)計算。

式中，Cf假定為不隨時間改變的函數(shù)，但明顯的工藝變化可引起Cf改變，工藝變化包括介質(zhì)屬性的變化、設(shè)備使用壽命期間的產(chǎn)量變化、設(shè)備再利用或改造等情況。此外，泄漏探測、介質(zhì)隔離和泄漏減緩系統(tǒng)的變化也會影響Cf。

隨著時間延長，工藝操作上的改變也可導(dǎo)致Pf和Cf改變。工藝操作上的改變(如溫度、壓力或介質(zhì)腐蝕性的改變)可導(dǎo)致Pf增大，主要是由于工藝改變有可能導(dǎo)致腐蝕速率增大或產(chǎn)生了其他破壞導(dǎo)致的。因此，Pf或Cf出現(xiàn)重大變化時需重新進行風(fēng)險評估。

3 乙烯球罐風(fēng)險評估應(yīng)用研究

以某化工企業(yè)3 000 m3乙烯球罐為研究對象，進行風(fēng)險評估應(yīng)用研究，該球罐的基本參數(shù)見表6。

表6 乙烯球罐基本參數(shù)

3.1 定性分析

3.1.1 失效可能性賦值

針對該球罐的設(shè)計參數(shù)和使用工況，對6個因子進行賦值，結(jié)果見表7。

表7 失效可能性賦值結(jié)果

由表7可見：經(jīng)計算，失效可能性因子為16，失效可能性等級為2。

3.1.2 失效后果賦值

由于乙烯具有燃燒和爆炸的特性，且在不完全燃燒時會產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，因此分別對燃燒和爆炸、中毒后果進行賦值，結(jié)果分別見表8和表9。

表8 燃燒和爆炸后果賦值結(jié)果

表9 中毒后果賦值結(jié)果

由表8和表9可見：經(jīng)計算，燃燒和爆炸后果因子為24，后果等級為B；中毒后果因子為-15，后果等級為A。綜上分析，球罐的失效后果等級為B級。

3.1.3 風(fēng)險等級的確定

根據(jù)球罐的失效可能性等級為2級，失效后果等級為B級，判斷該球罐的風(fēng)險等級為低風(fēng)險。

3.2 定量分析

3.2.1 腐蝕機理識別

參考GB/T 30578—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》，該球罐存在的損傷機理有層下腐蝕(CUI)、介質(zhì)側(cè)腐蝕等，在風(fēng)險評估定量計算時選取內(nèi)部減薄和外部減薄損傷機理。

3.2.2 風(fēng)險評估定量計算

風(fēng)險評估定量計算采用Synergi Plant RBI Onshore 5.5軟件，在計算過程中對球罐壁板內(nèi)外壁腐蝕速率的選取較為關(guān)鍵，由于該球罐為首次定期檢驗，暫無測厚數(shù)據(jù)，因此腐蝕速率的設(shè)定采用理論計算值，最終計算結(jié)果見表10和表11。

表10 失效可能性定量計算結(jié)果

表11 失效后果定量計算結(jié)果

由表10和表11可見：該球罐目前風(fēng)險等級和 未來風(fēng)險等級均為低風(fēng)險，失效可能性由目前的0.000 527 836上升至0.000 539 991(2年后)，但失效后果均為83 216.1，未發(fā)生變化，該結(jié)果與之前分析的失效后果定量計算結(jié)果一致，總體風(fēng)險由目前的43.924 5上升至44.935 9(2年后)，呈小幅上升趨勢。

3.3 定性與定量結(jié)果對比分析

將上述風(fēng)險定性和定量分析評估結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見表12。

表12 定性分析和定量分析評估結(jié)果對比

由表12可見：①定性和定量分析的總體結(jié)果一致，均為低風(fēng)險，主要差別為定性分析的失效可能性等級為2級，定量分析的失效可能性等級為3級，定量分析結(jié)果高于定性分析結(jié)果；②定量分析中腐蝕速率的確定較為關(guān)鍵，其取值關(guān)系到整個風(fēng)險評估的結(jié)果，該研究中采用軟件內(nèi)嵌的理論算法，具有較高的可靠性；③定性分析采用賦值法，一定程度上減少了腐蝕速率和后果參數(shù)設(shè)置過程中存在的難題，操作簡單易行；④定性分析法適合現(xiàn)場快速的風(fēng)險評估，無需依賴商業(yè)化軟件；⑤當(dāng)受條件限制，無法全部采用定量計算時，可以通過定性分析篩選出高風(fēng)險設(shè)備，再對所篩選的設(shè)備進行定量分析，進而采用相應(yīng)的檢驗策略；⑥若能精準測定腐蝕速率，如采用腐蝕掛片試驗或者定點測厚等技術(shù)，推薦采用定量分析；⑦當(dāng)設(shè)備材料或儲存介質(zhì)未收錄在計算軟件的數(shù)據(jù)庫中，假設(shè)代替存在一定難度時，可采用定性分析。

4 結(jié)論

對某臺3 000 m3乙烯球罐進行風(fēng)險的定性和定量評估，對比分析了2種評估方法的差異，確定了定性和定量評估方法的使用原則，得到以下結(jié)論。

1)風(fēng)險評估的定性分析步驟操作簡單易行，當(dāng)定量分析存在困難時，定性分析可以在一定程度上代替定量分析，為風(fēng)險的合理把控提供一種切實可行的方法。

2)定性和定量分析的結(jié)果會存在一定的差異，但該差異在可接受范圍內(nèi)。

3)風(fēng)險的定性或定量分析均可為球罐的風(fēng)險評估提供科學(xué)的評估結(jié)果，應(yīng)合理利用2種風(fēng)險評估方法，實現(xiàn)風(fēng)險評估資源利用最大化。