摘　要：目前壓力容器等承壓類特種設備向大型化、高參數(shù)、長周期運行方向發(fā)展，如何將其風險控制在可接受的范疇，是各國相關法規(guī)和標準關注的要點，Ⅲ類壓力容器設計階段開展風險評估是一項革命性的技術變革。TSG R0004  2009《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定第Ⅲ類壓力容器設計階段需出具風險評估報告，按此思路，事先評估與控制重要承壓設備在全壽命過程的風險對保證其長周期安全運行具有重要的意義。以天然氣行業(yè)第Ⅲ類壓力容器為研究對象，以API 581—2000(SY／T 6714—2008)為基礎開展研究，考慮設計階段的特點，修正了風險評估模型，建立了典型失效案例庫。在此基礎上開發(fā)了Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估系統(tǒng)，并將其應用到實際工程設計中，彌補了我國相應技術與系統(tǒng)的缺失。通過這些研究和開發(fā)，為更好地指導基于風險的設計(RBD)工作提供了技術依據(jù)和使用平臺，為研究適用于我國實際的Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術提供了新思路，為建立相應的技術標準奠定了良好的理論基礎。

關鍵詞：Ⅲ類壓力容器  設計  天然氣  風險  評估  系統(tǒng)  研究  開發(fā)  技術標準

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備向大型化、高參數(shù)、長周期運行方向發(fā)展，如何將其風險控制在可接受的范圍，是各國相關法規(guī)和標準關注的要點^[1]。我國特種設備事故率仍然較高，近年發(fā)生的幾起承壓設備使用階段的惡性事故，究其原因很多是由于設計制造考慮不周引起的^[2]。因此在設計制造階段按預定的壽命，將全過程風險、壽命要求與設計選材、制造工藝相結(jié)合、事先評估與控制設備在使用中的風險?？紤]系統(tǒng)對設備的保障措施，考慮操作過程、開停工過程和維修的具體要求，用系統(tǒng)工程學的觀點保證設備在設計壽命內(nèi)的長周期安全運行意義重大^[3]。

國外發(fā)達國家十分重視在壓力容器設計制造的早期就采用有效方法識別、評價、控制全壽命周期內(nèi)的風險，對重要壓力容器一般都有明確的設計壽命，并根據(jù)風險與壽命需求不同提出差異化的設計制造技術要求。歐盟最早開始實施在承壓設備設計階段開展風險評估，1997年通過了強制性法規(guī)——《承壓設備指令》(Pressure Equipment Directive 97／23／EC，以下簡稱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)定了對容器的風險評估要求，要求告知主要失效模式及其發(fā)生可能性，在設計中采取的預防措施及使用中應注意的問題等^[4]。后來美國、澳大利亞等國家采用了這個理念也相繼修訂了原有的技術標準體系。如澳大利亞的壓力容器標準ASl210—1997中要求設計者進行風險管理，通過危害識別、風險評估和風險控制來完成風險管理在設計階段的工作。另外，國際標準組織出版了相應的國際標準ISO16528^[5]。

為了順應世界在設計階段就開展壓力容器風險評估的思想，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監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱固容規(guī))規(guī)定了對第Ⅲ類壓力容器設計時應出具包括主要失效模式、失效可能性及風險控制措施等內(nèi)容的風險評估報告^[6]。從此，我國重要固定式壓力容器進入了基于風險與壽命設計的新時期。GB 150.1—2011《壓力容器》通用要求對風險評估報告所包含的內(nèi)容作了規(guī)定^[7]。國家質(zhì)監(jiān)總局特種設備監(jiān)察局文件質(zhì)檢特函[2010]86號附件中規(guī)定了對壓力容器風險評估報告的基本要求^[8]。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前我國工程設計公司在設計階段開展Ⅲ類壓力容器風險評估時存在4個問題：①風險評估缺乏理論依據(jù)；②要求設計人員具備完善的風險評估專業(yè)知識；③風險評估報告內(nèi)容不規(guī)范；④設計人員工作量大、效率低。因此，為順應設備安全性與經(jīng)濟性相統(tǒng)一的發(fā)展趨勢并與國際接軌，急需研究適用于我國Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估的關鍵技術與專用軟件，指導并完善基于風險的設計(RBD)工作。然而，我國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)的通用風險評估理論和實施辦法。因此，以天然氣行業(yè)Ⅲ類壓力容器為研究對象，開展針對天然氣行業(yè)的Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術研究與軟件系統(tǒng)開發(fā)(以下簡稱系統(tǒng))具有更加現(xiàn)實的意義。同時能為研究適用于我國國情的Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術提供新思路，為建立相應的技術標準奠定良好的理論基礎。

風險評估必須遵循有效的原則，如何實現(xiàn)在設計階段對Ⅲ類壓力容器的風險評估呢?設計階段出具風險評估報告在我國是新要求，沒有完全符合的評估標準或辦法。因此，在國際上通用的RBl標準——API 581—2000(SY／T 6714—2008)(以下簡稱標準)基礎上，考慮設計階段的特點，修正風險評估模型，建立典型失效案例庫。將其應用到天然氣Ⅲ類壓力容器設計階段中，開展了風險評估技術研究并開發(fā)了相應的軟件。

1　Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術

1．1　風險識別

設計階段的風險識別是根據(jù)使用單位(用戶)提供的設計數(shù)據(jù)結(jié)合承壓設備的失效模式和損傷退化機理數(shù)據(jù)庫進行識別的。壓力容器失效模式、典型損傷退化機理與壽命數(shù)據(jù)庫的建立需要對大量設計、制造條件與使用工程失效情況進行統(tǒng)計分析與整理^[9]。

判斷承壓設備是否失效并沒有統(tǒng)一的標準，而是隨著所應用的失效準則的不同而變化的。目前，承壓設備在運行中可能出現(xiàn)的失效模式主要來源于API 581、API 579、API 580、NACE(美國防腐工程帥協(xié)會)、英國BS 7910以及ISO／CD 16528等^[10]。根據(jù)標準將失效模式分為以下幾種：減薄、應力腐蝕開裂、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內(nèi)容包括該損傷模式的定義描述，影響該損傷模式的關鍵因素，該損傷模式的監(jiān)測、檢測方法，預防該損傷模式的建議措施等。

在此基礎上開發(fā)的系統(tǒng)又依據(jù)介質(zhì)特性、工作狀況等開發(fā)了可能失效模式的自動識別功能，能為判斷設備主要失效模式提供幫助和參考。在自動識別基礎上，還可實現(xiàn)人工修改。

1．2　失效風險發(fā)生概率的計算

現(xiàn)有統(tǒng)計資料表明不同環(huán)境下設備失效風險因素發(fā)生的概率是不同的^[11]，工程上其主要以失效頻率來體現(xiàn)。要計算設備失效概率，首先要借助大型設備數(shù)據(jù)庫來找到足夠多的數(shù)據(jù)以合理估算設備的實際失效頻率，在此基礎上進行修正得到設備失效概率。對于設計階段來說，所評估的壓力容器還沒有生產(chǎn)出來，其失效概率或頻率只能通過同類失效頻率的修正來獲得。本系統(tǒng)參照標準，依據(jù)同類工藝設備的失效頻率(F同類)，并通過2個因子——設備修正因子(FE)和管理系統(tǒng)評價因子(FM)得到修正后的失效頻率(F修正)，見公式^[12]：

F修正＝F同類FEFM

API 581—2008在失效可能性評估方法作了改變。首先取消了通用次因子、機械次因子及工藝次因子。其次，同類設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個數(shù)量級左右。以上變化將使得評估出的設備風險等級比老版本中有所降低，其結(jié)果有利于裝置的長周期運行，但這些修正是否適合中國的實際情況，是否適合中國所有行業(yè)的壓力容器，該如何使用，需不需要進行修正后再使用以及如何修正等問題，還需要進行深入的研究。因此，本系統(tǒng)仍然在標準2000版本基礎上實現(xiàn)定量計算并編寫程序。

1．3　失效風險后果計算

壓力容器的失效以及隨后的危險物質(zhì)泄放可能導致許多不希望發(fā)生的影響，標準將這些影響歸類為4個基本風險后果^[12]。進行后果分析是為了確定設備風險的相對排序。為了和失效可能性計算相對應，失效后果的計算也采用標準的2000版本。主要包括面積后果和經(jīng)濟后果，面積后果主要為燃燒爆炸后果、毒性后果和無毒非可燃性后果。

2　Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估軟件開發(fā)

2．1　開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，開發(fā)平臺為VS 2008，開發(fā)語言為C⁺⁺，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2000。

2．2　數(shù)據(jù)庫建立

Ⅲ類壓力容器評估需從設備工藝描述、設計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等方面進行設計，因此，系統(tǒng)分別建立設備工藝描述、設計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎數(shù)據(jù)庫(圖1)。

2．3　軟件評估依據(jù)和報告編制

依據(jù)標準中的風險評估模型，考慮在設計階段的具體取值問題，編制風險定量計算程序。在此基礎上，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類壓力容器設計階段風險評估報告的格式，并通過軟件按照不同模塊編寫，最后自動導出生成Word文檔。

2．4　失效案例

為了給設計人員開展風險評估工作提供參考，收集整理了國內(nèi)外近幾十年來天然氣行業(yè)壓力容器失效事故典型案例，通過數(shù)據(jù)庫管理，可以實現(xiàn)失效案例的查詢、調(diào)用以及增刪。

2．5　系統(tǒng)關系與系統(tǒng)管理

2．5．1系統(tǒng)關系

系統(tǒng)的設備工藝描述、設計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎數(shù)據(jù)庫用于設計人員進行壓力容器類別的計算，然后從失效模式數(shù)據(jù)庫、風險措施數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)開展失效模式和風險控制判別，參照失效案例，產(chǎn)生壓力容器設計階段的風險評估報告，提交公司主管領導審核。上級公司主管領導在系統(tǒng)中進行審核，必要時也能方便地調(diào)用失效案例數(shù)據(jù)進行復核(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個部分。角色管理把使用系統(tǒng)的人員分為設計人員、審核人員、審批人員和基礎數(shù)據(jù)維護員(圖2)。這些人員能進行的業(yè)務處理和所能查看的數(shù)據(jù)范圍各不相同，系統(tǒng)需要為每一個操作人員設立不同的賬號，系統(tǒng)為每個角色分配相應的操作權(quán)限(圖3)。

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

3　結(jié)束語

第Ⅲ類壓力容器設計階段開展風險評估并出具報告是一個新規(guī)定。對于我國來說，需要研究相應的評估理論和辦法。但是我國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)的通用風險評估理論和實施辦法。因此，針對天然氣行業(yè)使用的Ⅲ類壓力容器，以標準為基礎，考慮在設計階段的取值問題對風險評估模型進行修正，開展了Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術研究與軟件開發(fā)并將其應用到實際工程設計中。彌補了我國相應技術與系統(tǒng)的缺失，為更好地指導基于風險的設計(RBD)工作提供了技術依據(jù)和使用平臺，為研究適用于我國實際的Ⅲ類壓力容器設計階段風險評估技術提供了新思路，為建立相應的技術標準奠定了良好的技術基礎。

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本文作者：馬欣  雒定明  伍開松  劉文廣  秦光源

作者單位：西南石油大學

  中國石油工程設計有限責任公司西南分公司