基于故障樹的L PG罐車罐體失效分析

王沁彥，張伯君，業(yè) 成，於孝春

（1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京211816；2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京210002）

0 引言

液化石油氣（LPG）作為世界上最清潔的能源之一，廣泛運(yùn)用于民用和工業(yè)之中，LPG主要產(chǎn)生于石油氣田及石油開開采過(guò)程中[1]，由丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等組成，通常在常壓常溫狀態(tài)下呈氣態(tài)，經(jīng)過(guò)壓縮很容易轉(zhuǎn)化為液態(tài)。具有易燃、易燃的特性，其與空氣的混合物的爆炸極限約為1.7% ～9.7%。LPG常壓沸點(diǎn)較低，當(dāng)LPG泄漏到空氣中時(shí)，由于壓力的降低，LPG就是快速氣化使其體積迅速膨脹到原來(lái)的250倍左右。熱膨脹系數(shù)一般溫度越高，其膨脹越大，而LPG的熱膨脹系數(shù)非常大，因此，罐車滿載時(shí)，當(dāng)罐內(nèi)溫度升高，罐內(nèi)壓力會(huì)急劇升高。由于LPG具有以上特性，LPG運(yùn)輸相對(duì)于普通貨物運(yùn)輸具有更大的危險(xiǎn)性。

液化石油氣罐車是專用于運(yùn)輸液化石油氣的道路運(yùn)輸工具。按照罐體與車輛的連接形式，可分為固定式罐車和半掛式罐車。其基本結(jié)構(gòu)包括罐體及其附件和定型底盤（或半掛行走機(jī)構(gòu)），附件包括安全附件和裝卸附件，安全附件是為了確保罐車和裝卸作業(yè)安全運(yùn)行，包括安全閥、液位計(jì)、溫度計(jì)、壓力表、緊急切斷閥等，裝卸附件是為了確保裝卸作業(yè)的順利進(jìn)行，包括裝卸閥門、裝卸軟管、裝卸管接頭等。如果正在運(yùn)輸過(guò)程中的液化石油氣罐車發(fā)生事故，極易造成LPG的泄漏，LPG會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)大量泄漏并擴(kuò)散，遇到明火會(huì)發(fā)生爆炸，不但會(huì)給道路交通安全造成巨大威脅，而且還會(huì)給人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅[2]。

LPG罐車罐體是裝運(yùn)LPG的設(shè)備，其失效會(huì)造成重大事故，在對(duì)LPG罐車進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)LPG罐車出現(xiàn)腐蝕和開裂等情況，這些缺陷會(huì)影響到罐車的安全運(yùn)行，因此，保證罐車安全是重中之重的大事。本文通過(guò)故障樹對(duì)LPG罐車罐體失效模式的分析，按照其結(jié)構(gòu)重要度對(duì)這些失效模式排序，對(duì)其影響最深的失效模式進(jìn)行預(yù)防和控制。

圖1 半掛式罐車

圖2 固定式罐車

1 故障樹分析方法簡(jiǎn)介

1.1 故障樹分析

故障樹分析（FTA）是預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠性與安全性的一種方法，常用于系統(tǒng)的故障分析、預(yù)測(cè)和判斷[3]。20世紀(jì)60年代開始在航空領(lǐng)域中使用，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，逐漸在電力、化工、交通、航天等行業(yè)中運(yùn)用。以布爾代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論作為基礎(chǔ)，把系統(tǒng)不希望出現(xiàn)的事件作為頂事件，通過(guò)一定邏輯關(guān)系把頂事件、中間事件、底事件聯(lián)結(jié)在一起組成故障樹。通過(guò)定性分析與定量分析確定故障原因、判斷故障影響程度和發(fā)生概率等[4]。

1.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

重要度分析是故障樹定量分析的重要組成部分，是指一個(gè)部件或系統(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)[5]。對(duì)基本事件進(jìn)行故障樹分析時(shí)，可以選用概率重要度、臨界重要度、結(jié)構(gòu)重要度，本文采用結(jié)構(gòu)重要度[6]。重要度在系統(tǒng)可靠性、故障診斷、系統(tǒng)優(yōu)化護(hù)、系統(tǒng)維護(hù)等方面有著至關(guān)重要的作用[7]。在分析中假定基本事件的概率一樣，僅考慮其邏輯關(guān)系。

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（1）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)。

2 LPG罐車罐體故障樹分析

2.1 事故樹原因分析

LPG罐車罐體是盛裝LPG的容器，其失效會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)LPG發(fā)現(xiàn)泄漏甚至爆炸。由于罐內(nèi)介質(zhì)脫水和脫硫不完全且經(jīng)常暴露在室外環(huán)境下，罐車難免會(huì)發(fā)生腐蝕。按照發(fā)生的地方，通常分為外壁腐蝕和內(nèi)部腐蝕。外壁腐蝕是由于油漆層脫落且長(zhǎng)期暴露在惡劣天氣環(huán)境下造成，內(nèi)壁腐蝕是由于工藝的原因，造成LPG中含有超標(biāo)的H2S和少量的水，形成了濕硫化氫環(huán)境，腐蝕會(huì)使罐體的壁厚減薄，致使罐體整體強(qiáng)度下降。

罐體開裂是罐車最危險(xiǎn)的一種失效模式，通常罐體開裂由于產(chǎn)生裂紋而造成，造成裂紋的原因可分為腐蝕開裂和疲勞開裂及兩種機(jī)理的交互作用。在濕硫化氫腐蝕環(huán)境下，罐體會(huì)發(fā)生氫鼓泡、氫致開裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂、應(yīng)力腐蝕開裂。氫鼓泡是腐蝕過(guò)程中電解出的氫原子向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，易聚集在內(nèi)壁材料中不連續(xù)處形成分子氫，由于氫分子難以從材料內(nèi)部逸出，造成的較大壓力導(dǎo)致其周圍組織屈服，形成表面層下的平面孔穴結(jié)構(gòu)稱為氫鼓泡；在氫壓的作用下，在材料內(nèi)部不同深度下形成氫鼓泡相互連接，形成臺(tái)階狀內(nèi)部裂紋就是氫致開裂；在應(yīng)力引導(dǎo)下，由于氫聚集的微裂紋沿著壁厚方向發(fā)展導(dǎo)致的開裂稱為應(yīng)力導(dǎo)向開裂；金屬由于濕硫化氫環(huán)境腐蝕和拉應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的開裂被稱為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。由于LPG罐車經(jīng)常進(jìn)行裝卸作業(yè)，因此在腐蝕環(huán)境下還會(huì)產(chǎn)生交變載荷，即罐車存在低周腐蝕疲勞，在腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力下，罐體材料的疲勞極限會(huì)大大地降低，會(huì)造成比預(yù)期情況下過(guò)早破裂。罐車在行駛過(guò)程由于路面不平會(huì)產(chǎn)生無(wú)規(guī)則振動(dòng)，在罐車與支座的連接焊縫處會(huì)產(chǎn)生疲勞開裂。

超壓會(huì)造成罐體整體膨脹，當(dāng)充裝過(guò)量、罐內(nèi)溫度急劇升高等會(huì)造成罐車內(nèi)部壓力過(guò)大，而安全閥不能有效地將內(nèi)部壓力泄放至安全壓力以內(nèi)，就會(huì)造成罐車整體發(fā)生變形。

交通意外事故造成罐體開裂具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性等，罐車由于發(fā)生追尾、側(cè)翻、撞擊等會(huì)造成罐體會(huì)在未發(fā)生任何失效的情況下產(chǎn)生開裂。

2.2 故障樹建立

通過(guò)對(duì)罐車罐體的失效進(jìn)行分析，給出了以下幾種失效模式：均勻減薄、局部減薄、開裂、過(guò)載（超壓）、碰撞。建立了如圖3～圖7的故障樹。失效事件以及基本事件的含義如表1。

圖3 罐車罐體失效故障樹（1）

圖4 罐車罐體失效故障樹（2）

圖5 罐車罐體失效故障樹（3）

圖6 罐車罐體失效故障樹（4）

圖7 罐車罐體失效故障樹（5）

表1 L PG罐車罐體故障樹事件含義

為了分析和計(jì)算方便，在故障樹定量分析時(shí)對(duì)下列問(wèn)題作出某些簡(jiǎn)化，即認(rèn)為底事件之間相互獨(dú)立，所有事件僅考慮正常和失效兩種狀態(tài)，不考慮事件隨時(shí)間的變化而近似作為穩(wěn)態(tài)兩種狀態(tài)，在某一很短時(shí)間內(nèi)不考慮同時(shí)發(fā)生兩個(gè)以上的單元失效等。

2.3 故障樹的分析

故障樹定性分析一般采用最小割集法，通過(guò)求出整個(gè)系統(tǒng)的所有最小割集來(lái)找出薄弱點(diǎn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，提高系統(tǒng)的可靠性[8]。對(duì)所建立的故障樹采用下行法定性分析，運(yùn)用布爾代數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算頂事件，可表示如下：

從上式中可以看出，故障樹的最小割集為31個(gè)，其中：

一階最小割集三個(gè)：

二階最小割集二個(gè)：

三階最小割集二個(gè)：

四階最小割集五個(gè)：

五階最小割集十九個(gè)：

最小割集定性的描述了罐車失效的最可能的因素。

通過(guò)對(duì)故障樹的定性分析，可以找到罐車罐體失效的可能原因?；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。因此，定性分析從宏觀上給出了潛在風(fēng)險(xiǎn)的因素，為采取有效措施控制風(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（1），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，見表2。

表2 各基本事件結(jié)構(gòu)重要度及因素權(quán)重

比較表2中的因素權(quán)衡，可以看出X6、X7、X8權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他基本事件，其次是X9、X10、X4權(quán)重也比較大。即：在引起LPG罐車罐體失效的因素中，最敏感的因素是濕硫化氫濃度、介質(zhì)溫度、pH值，其次是材料熱處理、材料合金元素、材料夾雜物。

通過(guò)查閱LPG罐車檢驗(yàn)報(bào)告的案例分析，在濕硫化氫環(huán)境下的氫腐蝕和應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞是其影響最大的因素。這些失效模式通常發(fā)生在罐車罐體的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，這些失效模式最終會(huì)使罐體產(chǎn)生穿透性裂紋，以至于罐車罐體發(fā)生泄漏、爆炸等。產(chǎn)生這些失效的原因通常與其介質(zhì)環(huán)境和材料性質(zhì)有關(guān)，通過(guò)對(duì)其故障樹分析，可以看出影響最大的因素是濕硫化氫濃度、介質(zhì)溫度、pH值，其次是材料熱處理、材料合金元素、材料夾雜物，這些分別對(duì)應(yīng)著介質(zhì)環(huán)境和材料性能，與實(shí)際情況相符合。

3 結(jié)論

本文通過(guò)故障樹分析對(duì)LPG罐車罐體的失效進(jìn)行分析，通過(guò)閱讀大量的LPG罐車失效文獻(xiàn)及罐車檢驗(yàn)報(bào)告，列出了致使罐車失效的25個(gè)基本事件，通過(guò)對(duì)這些基本事件進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算，得出了濕硫化氫濃度、介質(zhì)溫度、pH值、材料熱處理、材料夾雜物、材料合金元素權(quán)重較高，容易在濕硫化氫環(huán)境中發(fā)生腐蝕，包括氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞。因此需要在對(duì)腐蝕進(jìn)行預(yù)防與控制，可以從設(shè)計(jì)、制造及使用管理這三方面來(lái)處理，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料的有害元素的含量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，整體結(jié)構(gòu)布局應(yīng)避免集中應(yīng)力得產(chǎn)生；在制造時(shí)減少材料的殘余應(yīng)力，降低焊縫硬度；在使用管理時(shí)應(yīng)加入抑蝕劑降低介質(zhì)的腐蝕性。