基于FTA的低溫?zé)嶙儞Q爐R6204失效分析

季堯杰，朱大勝，業(yè) 成，張伯君，王科偉

（1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京211167；2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京210002）

0 引言

近年來(lái)，長(zhǎng)三角，珠三角及東北地區(qū)的化工園區(qū)規(guī)模及數(shù)量不斷增加，隨著生產(chǎn)力和人民對(duì)物質(zhì)要求的逐漸提升，這導(dǎo)致了其向大規(guī)模，高參數(shù)和長(zhǎng)周期運(yùn)行模式的發(fā)展。降低生產(chǎn)設(shè)施事故風(fēng)險(xiǎn)已成為安全生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

在化學(xué)反應(yīng)罐的工作過(guò)程中，輕微的缺陷會(huì)引起火災(zāi)和爆炸事故，安全形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)。目前，為了防止化學(xué)反應(yīng)罐在化工園中發(fā)生安全事故，目前的研究課題和方向主要是針對(duì)操作控制信息，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的改進(jìn)并不多[1]。

本文以金陵石化南京分公司R6204低溫?fù)Q熱爐為研究對(duì)象，采用事故樹(shù)安全分析方法，找出影響其在反應(yīng)過(guò)程中失效的基本影響因素。根據(jù)事故樹(shù)安全性分析的結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序，重要部分參數(shù)的策略和實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到有效降低設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)。

1 化工設(shè)備簡(jiǎn)介

中石化金陵分公司低溫?zé)嶙儞Q爐（R6204）屬于第三類(lèi)壓力容器，需要定期檢驗(yàn)。該高溫承壓設(shè)備分為基材和內(nèi)覆層兩部分，基材為碳鋼材質(zhì)（Q345R），內(nèi)覆層為不銹鋼材質(zhì)（S31603）。

本文研究對(duì)象低溫?zé)嶙儞Q爐（R6204），其直徑3.8 m，高16.6 m；工作壓力最高可達(dá)3.6 MPa，需嚴(yán)格管理。通過(guò)設(shè)備的失效模式分析，可以看出R6204的失效模式可能是腐蝕變薄，環(huán)境開(kāi)裂，機(jī)械損壞，焊接缺陷等。

變換氣中主要是濃度小于1%（干基），溫度為265℃的一氧化碳?xì)怏w。變換氣從中溫變換爐（R6203）出來(lái)后，經(jīng)過(guò)第二中變廢熱鍋爐（E6205），此時(shí)變換氣溫度為217℃，進(jìn)入低溫變換爐（R6204）內(nèi)反應(yīng)，出口變換氣中CO濃度小于0.41%（干基），溫度升至230℃左右，外覆保溫層[2]。由于變換氣中含有硫化氫，氯離子，連多硫酸等腐蝕性介質(zhì)，變換氣中含有顆粒物質(zhì)，長(zhǎng)期沖刷罐壁也會(huì)導(dǎo)致失效，進(jìn)而影響整個(gè)裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行。低溫?zé)嶙儞Q爐基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1R6204基本參數(shù)

容器類(lèi)別 Ⅲ類(lèi)筒體材料 Q345R（基材）+S31603（內(nèi)覆層）筒體壁厚/mm 60.0（基材）+3.0（內(nèi)覆層）封頭材料 Q345R（基材）+S31603（內(nèi)覆層）封頭壁厚/mm 40.0（基材）+3.0（內(nèi)覆層）介質(zhì) 變換氣投用日期 2012年9月

2 低溫?zé)嶙儞Q爐失效模式分析

2.1 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis），是一種預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的方法。20世紀(jì)60年代初，故障樹(shù)分析首先應(yīng)用于民兵導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的安全評(píng)估，后來(lái)擴(kuò)展到核能工業(yè)和航空航天工業(yè)[3]。目前已進(jìn)入通用電子、機(jī)械、化工、交通、土木工程等領(lǐng)域。在工程設(shè)計(jì)階段，故障樹(shù)分析可以幫助人們發(fā)現(xiàn)潛在的事故；在系統(tǒng)運(yùn)行階段，F(xiàn)TA可以用作故障預(yù)測(cè)或事故診斷的方法。因此FTA是一種針對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行可靠性分析的強(qiáng)大工具[4]。

2.2 最小割集

假設(shè)故障樹(shù)中有 n 個(gè)基本事件 x1，x2，…，xn，能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的底事件集合如 C={xi1，xi2，…，xin}。則C為故障樹(shù)的割集。若C中缺少任意一個(gè)底事件，就滿(mǎn)足不了頂事件發(fā)生的條件，則將C稱(chēng)為最小割集。一個(gè)最小割集代表了頂上事件失效的一種可能性。最小割集中的基本事件同時(shí)發(fā)生，則必然發(fā)生頂部事件。因此，在故障樹(shù)分析中找到最小割集至關(guān)重要的。針對(duì)最小割集的研究突出系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行強(qiáng)化，以達(dá)到有效預(yù)防頂事件發(fā)生的目的。

2.3 重要度分析

重要度是指一個(gè)部件或者系統(tǒng)的割集發(fā)生失效時(shí)對(duì)頂事件概率的影響程度，它是時(shí)間、部件的可靠性參數(shù)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的函數(shù)。概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度與關(guān)鍵性重要度均為基本事件（底事件）的常用重要度指標(biāo)[5]。本文選擇用結(jié)構(gòu)重要度表示基本事件在故障樹(shù)中對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度。在分析中，不考慮基本事件的失效概率（或假設(shè)任意基本事件的發(fā)生概率相等），并且僅涉及故障樹(shù)中每個(gè)基本事件的邏輯關(guān)系。

令Xi=1為基本事件發(fā)生；Xi=0為基本事件不發(fā)生，則定義結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

結(jié)構(gòu)函數(shù)是基本事件狀態(tài)變量的布爾表達(dá)式，它遵循布爾代數(shù)的運(yùn)算法則。其中，φ（x）隨xi取值變化，即：

結(jié)構(gòu)函數(shù)從

變化到

φ =（x）=1，頂事件發(fā)生；φ =（x）=0，頂事件不發(fā)生。

當(dāng)xi固定時(shí)，φ（x）最多有2n-1種可能的組合。假設(shè)nφ（i）為2n-1個(gè)狀態(tài)中，發(fā)生從（2）到（3）的變化次數(shù)總和，則當(dāng)基本事件Xi發(fā)生（xi取1）而引起頂事件發(fā)生的總次數(shù)。

由此可定義基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度為：

如果用Iφ（i）表示基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，可通過(guò)公式（6）求解Iφ（i）。

式中：Iφ（i）為基本事件 xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；K 為最小割集的總數(shù)；ni為基本事件xi所在Ki的基本事件數(shù)。

3 低溫?zé)嶙儞Q爐故障樹(shù)分析

3.1 低溫?zé)嶙儞Q爐失效故障樹(shù)的建立

通過(guò)參考文獻(xiàn)，工廠(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)研究，結(jié)合技術(shù)人員的意見(jiàn)，選擇低溫?fù)Q熱爐的失效作為故障樹(shù)的最高事件。綜合分析了導(dǎo)致低溫?fù)Q熱爐失效的可能因素，并建立了故障樹(shù)模型，如圖2～4所示。故障樹(shù)給出了低溫傳熱爐中可能發(fā)生的主要故障模式。本文共考慮了26個(gè)基本事件，基本事件（X）、中間事件（M）、頂事件（T）的含義見(jiàn)表2。

圖2 低溫?zé)嶙儞Q爐失效故障樹(shù)（1）

圖3 低溫?zé)嶙儞Q爐失效故障樹(shù)（2）

圖4 低溫?zé)嶙儞Q爐失效故障樹(shù)（3）

表2 低溫?zé)嶙儞Q爐故障樹(shù)事件的含義

為便于分析和計(jì)算，本文對(duì)故障樹(shù)定量分析中的以下問(wèn)題進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化：基本事件彼此獨(dú)立。在很短的時(shí)間內(nèi)，認(rèn)為不會(huì)同時(shí)發(fā)生兩個(gè)以上的單元發(fā)生故障等。

3.2 低溫?zé)嶙儞Q爐失效FTA分析

本項(xiàng)目采用下行法（Fussell法）對(duì)所建立的故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，運(yùn)用布爾代數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，頂事件可表示如下：

在本文中，下行故障方法（Fussell方法）用于定性分析建立的故障樹(shù)，布爾代數(shù)用于邏輯運(yùn)算，頂事件如等式（7）。

從等式（7）中，故障樹(shù)的最小割集為19，其中：

一階最小割集五個(gè)：

三階最小割集四個(gè)：

五階最小割集三個(gè)：

最小割集定性的描述了低溫?zé)嶙儞Q爐的薄弱環(huán)節(jié)。

通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的定性分析，可以找到R6204失效的可能原因?；臼录谧钚「罴谐霈F(xiàn)次數(shù)越多，表明該因素更可能達(dá)成頂事件；割集的階數(shù)越小，其發(fā)生可能性越大，應(yīng)對(duì)其格外重視[6]。因此，定性分析從宏觀(guān)上給出了潛在風(fēng)險(xiǎn)的因素，為采取有效的措施控制風(fēng)險(xiǎn)、保證低溫?zé)嶙儞Q爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了指南。

根據(jù)式（6），通過(guò)最小割集計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，得出因素權(quán)重，見(jiàn)表3。

表3 各基本事件結(jié)構(gòu)重要度及因素權(quán)重

比較表3中的因素權(quán)重，可知X1和X4的權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他基本事件，其次是X12、X13與X14的權(quán)重也較大，可知容易引起低溫?zé)嶙儞Q爐失效的因素為罐內(nèi)介質(zhì)溫度和材料牌號(hào)，其次為介質(zhì)含氧量、介質(zhì)PH值應(yīng)力大小。

由低溫?zé)嶙儞Q爐運(yùn)行的實(shí)際情況可知，氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是導(dǎo)致其失效的主要原因，而氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是引起裂紋開(kāi)裂與裂紋擴(kuò)展的主要因素，罐內(nèi)介質(zhì)溫度和內(nèi)覆層材料性質(zhì)起著決定性的作用，介質(zhì)含氧量與介質(zhì)PH值這兩個(gè)因素權(quán)重也較高，且其是導(dǎo)致連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的因素之一[7]。為了保證低溫?zé)嶙儞Q爐的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行，應(yīng)采取針對(duì)性措施嚴(yán)格監(jiān)控。由此可見(jiàn)，實(shí)際運(yùn)行情況與計(jì)算結(jié)果基本一致，導(dǎo)致氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的兩個(gè)基本事件因素權(quán)重極高，這是導(dǎo)致低溫?zé)嶙儞Q爐焊縫處多處裂紋的主要因素。另外，基本事件 X19、X20、X21、X22 和 X23 的權(quán)重相同，表明介質(zhì)流速、顆粒尺寸、顆粒硬度以及沖擊角度等五個(gè)因素對(duì)低溫?zé)嶙儞Q爐失效的影響程度基本上市相同的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)FTA對(duì)低溫?zé)嶙儞Q爐R6204失效進(jìn)行全面的分析，結(jié)合歷年檢維修報(bào)告與設(shè)備基本參數(shù)，羅列了導(dǎo)致低溫?zé)嶙儞Q爐失效的26個(gè)基本事件，根據(jù)因素權(quán)重，可得出介質(zhì)溫度、介質(zhì)含氧量與介質(zhì)PH值權(quán)重較高，易發(fā)生氯化物與連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，由于設(shè)備為高溫設(shè)備且焊縫處在停車(chē)檢修期間不易清洗，修補(bǔ)不到位，是裂紋的集中區(qū)域，需予以重視，重點(diǎn)監(jiān)控，避免事故的發(fā)生。