摘　要：目前压力容器等承压类特种设备向大型化、高参数、长周期运行方向发展，如何将其风险控制在可接受的范畴，是各国相关法规和标准关注的要点，Ⅲ类压力容器设计阶段开展风险评估是一项革命性的技术变革。TSG R0004  2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定第Ⅲ类压力容器设计阶段需出具风险评估报告，按此思路，事先评估与控制重要承压设备在全寿命过程的风险对保证其长周期安全运行具有重要的意义。以天然气行业第Ⅲ类压力容器为研究对象，以API 581—2000(SY／T 6714—2008)为基础开展研究，考虑设计阶段的特点，修正了风险评估模型，建立了典型失效案例库。在此基础上开发了Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估系统，并将其应用到实际工程设计中，弥补了我国相应技术与系统的缺失。通过这些研究和开发，为更好地指导基于风险的设计(RBD)工作提供了技术依据和使用平台，为研究适用于我国实际的Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术提供了新思路，为建立相应的技术标准奠定了良好的理论基础。

关键词：Ⅲ类压力容器  设计  天然气  风险  评估  系统  研究  开发  技术标准

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

目前压力容器等承压类特种设备向大型化、高参数、长周期运行方向发展，如何将其风险控制在可接受的范围，是各国相关法规和标准关注的要点^[1]。我国特种设备事故率仍然较高，近年发生的几起承压设备使用阶段的恶性事故，究其原因很多是由于设计制造考虑不周引起的^[2]。因此在设计制造阶段按预定的寿命，将全过程风险、寿命要求与设计选材、制造工艺相结合、事先评估与控制设备在使用中的风险。考虑系统对设备的保障措施，考虑操作过程、开停工过程和维修的具体要求，用系统工程学的观点保证设备在设计寿命内的长周期安全运行意义重大^[3]。

国外发达国家十分重视在压力容器设计制造的早期就采用有效方法识别、评价、控制全寿命周期内的风险，对重要压力容器一般都有明确的设计寿命，并根据风险与寿命需求不同提出差异化的设计制造技术要求。欧盟最早开始实施在承压设备设计阶段开展风险评估，1997年通过了强制性法规——《承压设备指令》(Pressure Equipment Directive 97／23／EC，以下简称PED)。2002年5月30日颁布了EN 13445《非直接接触火焰压力容器》第一版，规定了对容器的风险评估要求，要求告知主要失效模式及其发生可能性，在设计中采取的预防措施及使用中应注意的问题等^[4]。后来美国、澳大利亚等国家采用了这个理念也相继修订了原有的技术标准体系。如澳大利亚的压力容器标准ASl210—1997中要求设计者进行风险管理，通过危害识别、风险评估和风险控制来完成风险管理在设计阶段的工作。另外，国际标准组织出版了相应的国际标准ISO16528^[5]。

为了顺应世界在设计阶段就开展压力容器风险评估的思想，保证重要压力容器的本质安全，做到所谓“优生优育”。TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称固容规)规定了对第Ⅲ类压力容器设计时应出具包括主要失效模式、失效可能性及风险控制措施等内容的风险评估报告^[6]。从此，我国重要固定式压力容器进入了基于风险与寿命设计的新时期。GB 150.1—2011《压力容器》通用要求对风险评估报告所包含的内容作了规定^[7]。国家质监总局特种设备监察局文件质检特函[2010]86号附件中规定了对压力容器风险评估报告的基本要求^[8]。

经调研发现，目前我国工程设计公司在设计阶段开展Ⅲ类压力容器风险评估时存在4个问题：①风险评估缺乏理论依据；②要求设计人员具备完善的风险评估专业知识；③风险评估报告内容不规范；④设计人员工作量大、效率低。因此，为顺应设备安全性与经济性相统一的发展趋势并与国际接轨，急需研究适用于我国Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估的关键技术与专用软件，指导并完善基于风险的设计(RBD)工作。然而，我国压力容器每年投入数量巨大，涉及行业众多，很难找到一套适用于所有行业的通用风险评估理论和实施办法。因此，以天然气行业Ⅲ类压力容器为研究对象，开展针对天然气行业的Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术研究与软件系统开发(以下简称系统)具有更加现实的意义。同时能为研究适用于我国国情的Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术提供新思路，为建立相应的技术标准奠定良好的理论基础。

风险评估必须遵循有效的原则，如何实现在设计阶段对Ⅲ类压力容器的风险评估呢?设计阶段出具风险评估报告在我国是新要求，没有完全符合的评估标准或办法。因此，在国际上通用的RBl标准——API 581—2000(SY／T 6714—2008)(以下简称标准)基础上，考虑设计阶段的特点，修正风险评估模型，建立典型失效案例库。将其应用到天然气Ⅲ类压力容器设计阶段中，开展了风险评估技术研究并开发了相应的软件。

1　Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术

1．1　风险识别

设计阶段的风险识别是根据使用单位(用户)提供的设计数据结合承压设备的失效模式和损伤退化机理数据库进行识别的。压力容器失效模式、典型损伤退化机理与寿命数据库的建立需要对大量设计、制造条件与使用工程失效情况进行统计分析与整理^[9]。

判断承压设备是否失效并没有统一的标准，而是随着所应用的失效准则的不同而变化的。目前，承压设备在运行中可能出现的失效模式主要来源于API 581、API 579、API 580、NACE(美国防腐工程帅协会)、英国BS 7910以及ISO／CD 16528等^[10]。根据标准将失效模式分为以下几种：减薄、应力腐蚀开裂、高温氢损伤、脆性断裂、衬里损坏、外部损坏等。这些失效模式包含的技术内容包括该损伤模式的定义描述，影响该损伤模式的关键因素，该损伤模式的监测、检测方法，预防该损伤模式的建议措施等。

在此基础上开发的系统又依据介质特性、工作状况等开发了可能失效模式的自动识别功能，能为判断设备主要失效模式提供帮助和参考。在自动识别基础上，还可实现人工修改。

1．2　失效风险发生概率的计算

现有统计资料表明不同环境下设备失效风险因素发生的概率是不同的^[11]，工程上其主要以失效频率来体现。要计算设备失效概率，首先要借助大型设备数据库来找到足够多的数据以合理估算设备的实际失效频率，在此基础上进行修正得到设备失效概率。对于设计阶段来说，所评估的压力容器还没有生产出来，其失效概率或频率只能通过同类失效频率的修正来获得。本系统参照标准，依据同类工艺设备的失效频率(F同类)，并通过2个因子——设备修正因子(FE)和管理系统评价因子(FM)得到修正后的失效频率(F修正)，见公式^[12]：

F修正＝F同类FEFM

API 581—2008在失效可能性评估方法作了改变。首先取消了通用次因子、机械次因子及工艺次因子。其次，同类设备失效概率也有了很大的变化，2008版本比2000版本中平均低l个数量级左右。以上变化将使得评估出的设备风险等级比老版本中有所降低，其结果有利于装置的长周期运行，但这些修正是否适合中国的实际情况，是否适合中国所有行业的压力容器，该如何使用，需不需要进行修正后再使用以及如何修正等问题，还需要进行深入的研究。因此，本系统仍然在标准2000版本基础上实现定量计算并编写程序。

1．3　失效风险后果计算

压力容器的失效以及随后的危险物质泄放可能导致许多不希望发生的影响，标准将这些影响归类为4个基本风险后果^[12]。进行后果分析是为了确定设备风险的相对排序。为了和失效可能性计算相对应，失效后果的计算也采用标准的2000版本。主要包括面积后果和经济后果，面积后果主要为燃烧爆炸后果、毒性后果和无毒非可燃性后果。

2　Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估软件开发

2．1　开发环境

本系统采用C／S架构，开发平台为VS 2008，开发语言为C⁺⁺，数据库为SQL Server 2000。

2．2　数据库建立

Ⅲ类压力容器评估需从设备工艺描述、设计参数、介质特性、材料等方面进行设计，因此，系统分别建立设备工艺描述、设计参数、介质特性、材料等基础数据库(图1)。

2．3　软件评估依据和报告编制

依据标准中的风险评估模型，考虑在设计阶段的具体取值问题，编制风险定量计算程序。在此基础上，依据《固容规》和GB 150.1—2011《压力容器》通用要求的要求，编制了Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估报告的格式，并通过软件按照不同模块编写，最后自动导出生成Word文档。

2．4　失效案例

为了给设计人员开展风险评估工作提供参考，收集整理了国内外近几十年来天然气行业压力容器失效事故典型案例，通过数据库管理，可以实现失效案例的查询、调用以及增删。

2．5　系统关系与系统管理

2．5．1系统关系

系统的设备工艺描述、设计参数、介质特性、材料等基础数据库用于设计人员进行压力容器类别的计算，然后从失效模式数据库、风险措施数据库调用数据开展失效模式和风险控制判别，参照失效案例，产生压力容器设计阶段的风险评估报告，提交公司主管领导审核。上级公司主管领导在系统中进行审核，必要时也能方便地调用失效案例数据进行复核(图1)。

2．5．2系统管理

该系统分为角色管理、角色权限管理以及用户管理3个部分。角色管理把使用系统的人员分为设计人员、审核人员、审批人员和基础数据维护员(图2)。这些人员能进行的业务处理和所能查看的数据范围各不相同，系统需要为每一个操作人员设立不同的账号，系统为每个角色分配相应的操作权限(图3)。

用户由系统管理员进行维护，要维护的内容有用户信息和用户权限。用户信息主要包括账号和密码两个数据项，其中，密码要加密存储。用户可更改自己的登录密码(图4)。

3　结束语

第Ⅲ类压力容器设计阶段开展风险评估并出具报告是一个新规定。对于我国来说，需要研究相应的评估理论和办法。但是我国Ⅲ类压力容器每年投入数量巨大，涉及行业众多，很难找到一套适用于所有行业的通用风险评估理论和实施办法。因此，针对天然气行业使用的Ⅲ类压力容器，以标准为基础，考虑在设计阶段的取值问题对风险评估模型进行修正，开展了Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术研究与软件开发并将其应用到实际工程设计中。弥补了我国相应技术与系统的缺失，为更好地指导基于风险的设计(RBD)工作提供了技术依据和使用平台，为研究适用于我国实际的Ⅲ类压力容器设计阶段风险评估技术提供了新思路，为建立相应的技术标准奠定了良好的技术基础。

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本文作者：马欣  雒定明  伍开松  刘文广  秦光源

作者单位：西南石油大学

  中国石油工程设计有限责任公司西南分公司