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)、長周期運(yùn)行方向發(fā)展，如何將其風(fēng)險控制在可接受的范疇，是各國相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的要點(diǎn)，Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段開展風(fēng)險評估是一項革命性的技術(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)計階段需出具風(fēng)險評估報告，按此思路，事先評估與控制重要承壓設(shè)備在全壽命過程的風(fēng)險對保證其長周期安全運(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象，以API 581—2000(SY／T 6714—2008)為基礎(chǔ)開展研究，考慮設(shè)計階段的特點(diǎn)，修正了風(fēng)險評估模型，建立了典型失效案例庫。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段風(fēng)險評估系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到實際工程設(shè)計中，彌補(bǔ)了我國相應(yīng)技術(shù)與系統(tǒng)的缺失。通過這些研究和開發(fā)，為更好地指導(dǎo)基于風(fēng)險的設(shè)計(RBD)工作提供了技術(shù)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(shè)計階段風(fēng)險評估技術(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  天然氣  風(fēng)險  評估  系統(tǒng)  研究  開發(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)、長周期運(yùn)行方向發(fā)展，如何將其風(fēng)險控制在可接受的范圍，是各國相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的要點(diǎn)^[1]。我國特種設(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)計制造考慮不周引起的^[2]。因此在設(shè)計制造階段按預(yù)定的壽命，將全過程風(fēng)險、壽命要求與設(shè)計選材、制造工藝相結(jié)合、事先評估與控制設(shè)備在使用中的風(fēng)險?？紤]系統(tǒng)對設(shè)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(xué)的觀點(diǎn)保證設(shè)備在設(shè)計壽命內(nèi)的長周期安全運(yùn)行意義重大^[3]。

國外發(fā)達(dá)國家十分重視在壓力容器設(shè)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(fēng)險，對重要壓力容器一般都有明確的設(shè)計壽命，并根據(jù)風(fēng)險與壽命需求不同提出差異化的設(shè)計制造技術(shù)要求。歐盟最早開始實施在承壓設(shè)備設(shè)計階段開展風(fēng)險評估，1997年通過了強(qiáng)制性法規(guī)——《承壓設(shè)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(fēng)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(shè)計中采取的預(yù)防措施及使用中應(yīng)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(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)計者進(jìn)行風(fēng)險管理，通過危害識別、風(fēng)險評估和風(fēng)險控制來完成風(fēng)險管理在設(shè)計階段的工作。另外，國際標(biāo)準(zhǔn)組織出版了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO16528^[5]。

為了順應(yīng)世界在設(shè)計階段就開展壓力容器風(fēng)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(shù)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(shè)計時應(yīng)出具包括主要失效模式、失效可能性及風(fēng)險控制措施等內(nèi)容的風(fēng)險評估報告^[6]。從此，我國重要固定式壓力容器進(jìn)入了基于風(fēng)險與壽命設(shè)計的新時期。GB 150.1—2011《壓力容器》通用要求對風(fēng)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(shè)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(fēng)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(shè)計公司在設(shè)計階段開展Ⅲ類壓力容器風(fēng)險評估時存在4個問題：①風(fēng)險評估缺乏理論依據(jù)；②要求設(shè)計人員具備完善的風(fēng)險評估專業(yè)知識；③風(fēng)險評估報告內(nèi)容不規(guī)范；④設(shè)計人員工作量大、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)展趨勢并與國際接軌，急需研究適用于我國Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段風(fēng)險評估的關(guān)鍵技術(shù)與專用軟件，指導(dǎo)并完善基于風(fēng)險的設(shè)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(fēng)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(shè)計階段風(fēng)險評估技術(shù)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(shè)計階段風(fēng)險評估技術(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)險評估必須遵循有效的原則，如何實現(xiàn)在設(shè)計階段對Ⅲ類壓力容器的風(fēng)險評估呢?設(shè)計階段出具風(fēng)險評估報告在我國是新要求，沒有完全符合的評估標(biāo)準(zhǔn)或辦法。因此，在國際上通用的RBl標(biāo)準(zhǔn)——API 581—2000(SY／T 6714—2008)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計階段的特點(diǎn)，修正風(fēng)險評估模型，建立典型失效案例庫。將其應(yīng)用到天然氣Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段中，開展了風(fēng)險評估技術(shù)研究并開發(fā)了相應(yīng)的軟件。

1　Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段風(fēng)險評估技術(shù)

1．1　風(fēng)險識別

設(shè)計階段的風(fēng)險識別是根據(jù)使用單位(用戶)提供的設(shè)計數(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)庫進(jìn)行識別的。壓力容器失效模式、典型損傷退化機(jī)理與壽命數(shù)據(jù)庫的建立需要對大量設(shè)計、制造條件與使用工程失效情況進(jìn)行統(tǒng)計分析與整理^[9]。

判斷承壓設(shè)備是否失效并沒有統(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(biāo)準(zhǔn)將失效模式分為以下幾種：減薄、應(yīng)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(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、檢測方法，預(yù)防該損傷模式的建議措施等。

在此基礎(chǔ)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(shè)備主要失效模式提供幫助和參考。在自動識別基礎(chǔ)上，還可實現(xiàn)人工修改。

1．2　失效風(fēng)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(shè)備失效風(fēng)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(shè)備失效概率，首先要借助大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫來找到足夠多的數(shù)據(jù)以合理估算設(shè)備的實際失效頻率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到設(shè)備失效概率。對于設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)同類工藝設(shè)備的失效頻率(F同類)，并通過2個因子——設(shè)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(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個數(shù)量級左右。以上變化將使得評估出的設(shè)備風(fēng)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(yùn)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(jìn)行修正后再使用以及如何修正等問題，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)上實現(xiàn)定量計算并編寫程序。

1．3　失效風(fēng)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(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個基本風(fēng)險后果^[12]。進(jìn)行后果分析是為了確定設(shè)備風(fēng)險的相對排序。為了和失效可能性計算相對應(yīng)，失效后果的計算也采用標(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、毒性后果和無毒非可燃性后果。

2　Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段風(fēng)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(shè)備工藝描述、設(shè)計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等方面進(jìn)行設(shè)計，因此，系統(tǒng)分別建立設(shè)備工藝描述、設(shè)計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險評估模型，考慮在設(shè)計階段的具體取值問題，編制風(fēng)險定量計算程序。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)計階段風(fēng)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(dǎo)出生成Word文檔。

2．4　失效案例

為了給設(shè)計人員開展風(fēng)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(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)計參數(shù)、介質(zhì)特性、材料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用于設(shè)計人員進(jìn)行壓力容器類別的計算，然后從失效模式數(shù)據(jù)庫、風(fēng)險措施數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)開展失效模式和風(fēng)險控制判別，參照失效案例，產(chǎn)生壓力容器設(shè)計階段的風(fēng)險評估報告，提交公司主管領(lǐng)導(dǎo)審核。上級公司主管領(lǐng)導(dǎo)在系統(tǒng)中進(jìn)行審核，必要時也能方便地調(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個部分。角色管理把使用系統(tǒng)的人員分為設(shè)計人員、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)需要為每一個操作人員設(shè)立不同的賬號，系統(tǒng)為每個角色分配相應(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(shè)計階段開展風(fēng)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(yīng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，考慮在設(shè)計階段的取值問題對風(fēng)險評估模型進(jìn)行修正，開展了Ⅲ類壓力容器設(shè)計階段風(fēng)險評估技術(shù)研究與軟件開發(fā)并將其應(yīng)用到實際工程設(shè)計中。彌補(bǔ)了我國相應(yīng)技術(shù)與系統(tǒng)的缺失，為更好地指導(dǎo)基于風(fēng)險的設(shè)計(RBD)工作提供了技術(shù)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(shè)計階段風(fēng)險評估技術(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  伍開松  劉文廣  秦光源

作者單位：西南石油大學(xué)

  中國石油工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司