壓力容器失效概率的計算方法

萬林青，趙 磊

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，烏魯木齊830011）

一臺壓力容器從生到死一般要經(jīng)過設(shè)計、制造、安裝、使用、維修改造、檢驗以及最后的報廢等過程。所以各個環(huán)節(jié)中的質(zhì)量就決定了整臺設(shè)備的質(zhì)量，也影響著該臺壓力容器的失效概率。要想計算壓力容器的失效概率，必須找一個基準進行比較才能統(tǒng)一量化各個相關(guān)項。特種設(shè)備萬臺事故率是從事故的角度來反映特種設(shè)備安全狀況的一個指標，是指平均每萬臺設(shè)備發(fā)生事故的次數(shù)，單位：次數(shù)／萬臺。其定義為：

本文選萬臺事故率這個參數(shù)作為基準。通過查閱歷年的壓力容器事故數(shù)量以及設(shè)備保有量，統(tǒng)計出壓力容器近3年的平均萬臺事故率GO。具體到特定某臺壓力容器，通過評價其從設(shè)計、制造、安裝、使用的各個環(huán)節(jié)，在量化各個指標的基礎(chǔ)上，計算出萬臺事故率GO的修正系數(shù)go（為一個無量綱的數(shù)值）。GO與go的乘積G就是該臺設(shè)備的失效概率。

任何事物都有老化的過程，所以壓力容器的失效概率還與其使用年限息息相關(guān)，對于設(shè)計制造等各個環(huán)節(jié)都一樣的設(shè)備，加上年限修正系數(shù)就能更準確的預(yù)測失效概率。自然環(huán)境也對設(shè)備的失效造成相當大的影響，比如地震，臺風等，計算壓力容器的失效必須考慮到自然環(huán)境的因素。通過分析，本文對影響壓力容器失效的原因分為以下幾項：

設(shè)計單位的影響系數(shù)：g1；制造單位的影響系數(shù)：g2；使用工況影響系數(shù)：g3；操作和管理（包括監(jiān)督檢驗、定期檢驗、安裝維修的影響）：g4；使用年限的修正系數(shù)：g5；外部環(huán)境修正系數(shù)：g6；失效概率修正系數(shù)：go。

1 影響失效概率的各個系數(shù)的量化及計算公式

1.1 設(shè)計單位的影響系數(shù)

設(shè)計單位是每臺設(shè)備出生的第1步，設(shè)計的質(zhì)量對整臺設(shè)備的質(zhì)量影響至關(guān)重要，通過查閱資料，調(diào)研等過程，對設(shè)計質(zhì)量影響最大的3個因素包括設(shè)計單位資質(zhì)，圖紙鑒定情況，以及其規(guī)模和信譽情況。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，已經(jīng)歷年事故原因分析以及專家意見，各個參數(shù)量化數(shù)據(jù)如下表：

表1 設(shè)計單位的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出設(shè)計單位的影響系數(shù)g1的計算公式：

1.2 制造單位的影響系數(shù)

制造單位是壓力容器的制造者，所以壓力容器的失效概率受制造單位的影響非常大。同樣，在分析事故原因和統(tǒng)計事故原因的基礎(chǔ)上，通過征求專家意見，把制造單位的影響分為了制造單位資質(zhì)的影響系數(shù)g21，監(jiān)督檢驗影響系數(shù)g22，以及規(guī)模和效益的影響系數(shù)g23。

根據(jù)多年的事故資料分析，以及專家意見，再綜合時代發(fā)展的影響，把各個系數(shù)如下量化：

表2 制造單位的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出制造單位的影響系數(shù)g2的計算公式：

1.3 使用工況的影響系數(shù)

按照設(shè)備（各部件）在正常使用條件下最惡劣的工況確定使用工況得分，使用工況包括以下諸項，其各項之和是使用工況風險系數(shù)值。各項對風險的影響系數(shù)見下表。

1）超溫工況g31（包括高溫超溫工況和低溫超溫工況）；2）超壓工況g32；3）粉塵及油氣爆炸工況g33；4）腐蝕工況g34；5）應(yīng)力腐蝕工況g35；6）疲勞工況g36；7）沖刷或磨損工況g37；8）非計劃停車g38。

表3 使用工況的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出使用工況的影響系數(shù)g3的計算公式：

1.4 使用與管理影響系數(shù)

隨著設(shè)備制造質(zhì)量的逐年提高，設(shè)備的原始缺陷以及由于設(shè)備質(zhì)量造成的事故程逐年下降趨勢，使用管理方面出現(xiàn)的問題越來越多，所以，使用與管理方面的影響不可忽視。使用與管理的風險系數(shù)計算方法和相關(guān)項如下：

使用和管理影響系數(shù)g4包括以下幾項：

1）安全管理制度g41；2）安全管理機構(gòu)和人員配備g42；3）防止誤操作的措施g43；4）維護保養(yǎng)g44；5）日常檢查g45；6）對安全監(jiān)察的重視程度g46；7）定期檢驗g47；8）技術(shù)檔案g48；9）安全保衛(wèi)措施g49；10）安裝維修的影響g410。

表4 使用和管理影響系數(shù)表

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出使用和管理影響系數(shù)g4的計算公式如下：

1.5 使用時間的影響系數(shù)

任何事物都有衰老的過程，壓力容器也不例外，實踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率是時間的函數(shù)，典型故障曲線稱之為浴盆曲線（Bathtub curve，失效率曲線），曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個階段：早期故障期，偶然故障期，耗損失效高風險期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。因該曲線兩頭高，中間低，有些像浴盆，所以稱為“浴盆曲線”。根據(jù)調(diào)研結(jié)果、數(shù)據(jù)分析、經(jīng)驗以及壓力容器的規(guī)律，本文給出如下使用年限影響系數(shù)計算公式：

0＜n＜3 g5＝8－2n 早期高風險期

3≤n＜m g5＝（6n＋2 m－24）／（n－3） 偶然失效低風險期

m≤n g5＝3（n－m）＋8 耗損失效高風險期

設(shè)計年限m

使用年限n

早期高風險期和偶然失效低風險期的交點選在投入使用的第3年，是根據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》3a內(nèi)進行首次檢驗的要求制定的，第2個拐點是由壓力容器設(shè)計年限確定的。因為壓力容器一旦超過了設(shè)計年限，其失效風險將大幅度的提高。所以分段函數(shù)的第2個交點選擇在設(shè)計年限上。

1.6 外部環(huán)境對風險系數(shù)的影響因素設(shè)計細則

任何一臺壓力容器都處在特殊的環(huán)境中，既然在環(huán)境中，就要受到環(huán)境各種不可抗力的影響，比如臺風，地震，泥石流，火山等。

外部環(huán)境的影響因素包括以下各項：

地震的影響因素g61；臺風的影響因素g62；泥石流的影響因素g63；火山的影響因素g64；其他不可抗力因素g65；

通過以上的分析，了解了自然環(huán)境對設(shè)備失效概率影響因素，結(jié)合以上的統(tǒng)計方法，給出g6的計算公式：

由于中國幅員遼闊，地質(zhì)和環(huán)境復(fù)雜，各個地區(qū)影響的主要因素和嚴重程度各不相同，本文沒有給出參考數(shù)據(jù)，使用單位或者風險評價單位可以根據(jù)具體情況酌情賦值。

2 壓力容器失效概率的計算公式

根據(jù)以上論述，總結(jié)給出壓力容器失效概率G的計算公式：

國內(nèi)近三年的萬臺平均事故率G0（G0可以從國家質(zhì)檢總局網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)查出）；

個別情況下如果選擇數(shù)據(jù)偏保守，有可能出現(xiàn)G值大于1的情況，這是因為預(yù)測概率的數(shù)據(jù)不足夠多，為了更安全，更好的區(qū)分各個設(shè)備的風險比較值所用的方法，在出現(xiàn)G值大于1的時候，調(diào)整G值為1即可。在本文中G的范圍是0＜G≤1。

3 結(jié) 語

充分考慮了專家意見，結(jié)合經(jīng)驗以及工程實踐，提出了壓力容器失效概率的計算方法，給出多個計算公式，雖然各個系數(shù)有待進一步完善，但是本文提出的方法以及研究方向都對壓力容器快速檢驗和安全評價具有積極的意義；有利于預(yù)測壓力容器風險，幫助使用單位和安全監(jiān)察單位確定重點防范目標，為壓力容器能更好更安全的服務(wù)社會社會生產(chǎn)。

［1］特種設(shè)備安全監(jiān)察條例［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［2］壓力容器定期檢驗規(guī)則［S］.北京，2009.

［3］吳宗之，高進東.重大危險源辨識與控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］GB 18218－2000重大危險源辨識［S］.北京：中國標準出版社，2000.

［5］Jo Y D，Ahn B J.Analysis of hazard areas associated with highpressure natural－gas pipelines［J］.Journal of Loss Prevention In the Process Industries，2002，15：179－188.