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)
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)。
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
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]。
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。
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)。
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。
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。
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。