基于Monte Carlo方法的SCV加熱s盤管可靠性評價

鄧 嬌 侯 磊 李麗敏 文亞成

1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院, 北京 102249;2. 中國市政工程中南設計研究總院, 湖北 武漢 430010;3. 大慶油田采油六廠, 黑龍江 大慶 163114

0 前言

浸沒燃燒式氣化器(Submerged Combustion Vaporizer,SCV)具有結構緊湊、節省空間、換熱效率高、排煙溫度低、節省能源等優點,是LNG接收站氣化外輸系統的重要設備,在冬季作為接收站的氣化設備,在其他季節作為備用氣化器,其可靠性直接影響氣化外輸系統的安全運行。SCV的組成復雜,調研結果表明,其他部件均可在調控之后平穩工作,而加熱盤管所處的水浴環境pH值為4～6,會發生腐蝕現象,影響SCV的可靠性。目前國內外對于SCV的結構優化設計和操作參數設置進行了研究,未涉及其可靠性評價方面[1]。本文構建SCV可靠性評價模型,建立加熱盤管的極限狀態方程,計算SCV可靠度,研究加熱盤管腐蝕隨運行時間和運行壓力的變化規律,對站場SCV的運行和維修具有指導意義。

1 SCV結構和工作原理

圖1 SCV工作原理

2 可靠性評價模型的建立

為評價SCV加熱盤管產生腐蝕缺陷時能否在規定的壓力下繼續運行,利用應力-強度干涉理論和管道腐蝕剩余強度評估標準建立可靠性評價模型。SCV加熱盤管的管材是316 L不銹鋼,適合于低合金鋼剩余強度評價的方法主要有五種[4-11]：美國機械工程師協會頒布的ASME B 31.G-1984適用于管道只有單一的軸向腐蝕缺陷；ASME B 31.G-1991在上一版的基礎上進行了改進,對流變應力、鼓脹系數和腐蝕缺陷面積三個影響因素做了修正,計算結果更加精確；ASME B 31.G-2009將評價方法分成四個等級,根據不同的腐蝕情況和收集的數據情況采用不同的評價方法,使得計算結果與實際情況更加符合；美國運輸部提出的RSTRENG標準需要非常詳細的腐蝕缺陷參數,腐蝕參數主要包括腐蝕區域的形狀、長度和寬度；SY/T 6151《鋼制管道管體腐蝕損傷評價方法》將管道的腐蝕程度進行層次劃分,分類進行評定,這種方法也需要詳細且精確的管道腐蝕數據。由于SCV加熱盤管只承受內壓,現場測得的腐蝕數據為腐蝕長度和腐蝕深度,從載荷類型、最佳適用材料和腐蝕數據的獲取情況三方面考慮,采用ASME B 31.G-2009的1級評價方法進行SCV加熱盤管腐蝕剩余強度評價。

2.1 建立極限狀態方程

ASME B 31.G-2009中要求:當失效壓力大于或等于操作壓力乘以1個合適的安全系數時,缺陷可以接受[9]。為了評估加熱盤管的可靠性,建立加熱盤管極限狀態函數[12]:

z=pf-ps

(1)

式中:z為加熱盤管極限狀態函數(z>0,加熱盤管可靠;z=0,加熱盤管處于極限狀態;z<0,加熱盤管失效);pf為傳熱管失效時的壓力,MPa;ps為加熱盤管的最大安全運行壓力,MPa。

(2)

ps=S×p0

(3)

式中:SF為加熱盤管發生失效時的環向應力,MPa;D為管道外徑,mm;t為管道壁厚,mm;S為安全系數,取S=1.25;p0為加熱盤管運行壓力,MPa。

加熱盤管的失效應力按下面公式計算:

(4)

式中:d為腐蝕深度,mm;M為鼓脹系數;Sflow為流變應力,MPa。

(5)

式中:L為腐蝕長度,mm。

(6)

流變應力表示為：

Sflow=SMYS+69

(7)

式中:SMYS為最小屈服強度,MPa。

對于準穩態腐蝕,腐蝕的長度和深度隨時間擴大,T時刻腐蝕長度和腐蝕深度分別為：

L=L0+Va(T-T0)

(8)

d=d0+Vr(T-T0)

(9)

式中:T為現腐蝕檢測時間，a；T0為腐蝕檢測初始時刻,a;L0為腐蝕檢測初始時刻的腐蝕長度,mm;d0為腐蝕檢測初始時刻的腐蝕深度,mm;Va為長度腐蝕速率,mm/a;Vr為深度腐蝕速率,mm/a。

將式(2)～(6)帶入式(1),可得：

(10)

2.2 Monte Carlo方法仿真過程

Monte Carlo方法通常用于計算有隨機變量函數的函數值,通過對獨立隨機變量進行抽樣實驗或隨機模擬計算,可用于隨機函數服從任意分布的函數問題。其收斂速度與隨機變量的維數無關,只要所取的循環次數足夠多,就可以保證概率計算的準確性和全面性[13-16]。加熱盤管的初始腐蝕尺寸、工況載荷、機械強度、軸向及徑向腐蝕增長速率等參數具有隨機性,本文采取Monte Carlo方法解決加熱盤管可靠性評價過程中的隨機性問題,定量分析加熱盤管的可靠性,仿真步驟如下:

1)確定模型中所有參數的分布規律,對腐蝕缺陷參數和傳熱管基本參數進行隨機抽樣,抽樣次數N為106。

2)將抽樣所得數據代入式(10)中,計算z的值，得到傳熱管失效壓力與最大運行壓力的差值Δ p=z。

3)若z≤0,則記為1；若z>0,則記為0；統計失效次數n。

4)計算加熱盤管失效概率PF=n/N。

2.3 模型參數的確定

加熱盤管腐蝕剩余強度的極限狀態方程中包含的參數有管道外徑D、管道壁厚t、管道運行壓力p0、管道屈服強度SMYS、腐蝕深度d0、腐蝕長度L0、深度腐蝕速率Vr、長度腐蝕速率Va。為簡化計算,暫不考慮變量間的相關性,假定各參數相互獨立。

這些參數往往不是定值且服從一定的分布規律,通過調研文獻可知[17],工況載荷、盤管尺寸和腐蝕區域尺寸的分布規律均可用正態分布描述。選取所有變量為隨機變量且均服從正態分布。

3 計算實例

3.1 SCV加熱盤管剩余壽命計算

以某LNG接收站SCV加熱盤管為例,盤管采用316 L不銹鋼[18-20],通過現場調研,加熱盤管參數見表1。

表1加熱盤管參數

參數均值標準差分布形式外徑/mm3175001正態分布壁厚/mm2410001正態分布內壓/MPa251正態分布屈服強度/MPa1702正態分布初始腐蝕深度/mm0015正態分布初始腐蝕長度/mm001正態分布深度腐蝕速率/(mm·a-1)0043001正態分布長度腐蝕速率/(mm·a-1)0801正態分布

對表1中的參數進行抽樣,計算加熱盤管的失效概率。圖2為運行10、12、15、18 a的失效概率分布曲線。失效概率隨著使用年限的延長而增大,使用年限增長,腐蝕長度和腐蝕深度增加,加熱盤管承壓面積減少,失效概率增大。圖3為加熱盤管累積失效概率隨時間的變化曲線,累積失效概率隨運行時間的增加逐漸增加,運行前期累積失效概率增加緩慢,運行至某一時間,累積失效概率開始迅速增加。加熱盤管運行前10 a,累積失效概率較低,可靠度高,運行10 a時的累積失效概率為0.002 99；在運行10～12 a時,累積失效概率開始緩慢上升,可靠度逐漸降低,建議縮短檢修周期；從運行12 a開始,累積失效概率開始快速上升,可靠度迅速下降,應密切檢查加熱盤管的運行情況,及時檢修；運行18 a時,其累積失效概率為0.411。

a)投入使用10 a的失效概率曲線

b)投入使用12 a的失效概率曲線

c)投入使用15 a的失效概率曲線

d)投入使用18 a的失效概率曲線圖2 加熱盤管失效概率分布曲線

圖3 加熱盤管累積失效概率隨時間的變化曲線

3.2 運行壓力對可靠性的影響

在加熱盤管的可靠性影響因素中,穩定的腐蝕環境使得腐蝕參數變化較小,而運行壓力隨著工況的變化而變化,因此主要分析運行壓力對加熱盤管可靠度的影響。

隨著壓力的變化,加熱盤管失效概率發生變化。以盤管運行10 a為例,選取壓力分別為20、23、25 MPa,失效概率分布曲線見圖4。隨著壓力增大,失效概率曲線向坐標橫軸負方向移動,失效概率增加。不同運行壓力下加熱盤管累積失效概率隨時間的變化見圖5,運行壓力為20～22 MPa時,累積失效概率隨壓力的變化較小,20 a內累積失效概率均較低；運行壓力為23～26 MPa時,累積失效概率隨壓力的增加變化較大,第20 a不同運行壓力下累積失效概率均較高。運行20 a,運行壓力從22 MPa增加到26 MPa,累積失效概率從0.1上升至0.8。同時,當運行時間較短時,壓力的變化對累積失效概率的影響較小,但當運行時間較長時,累積失效概率隨壓力的變化較大。運行壓力從20 MPa增加到26 MPa,運行8 a,累積失效概率均接近0;運行20 a,累積失效概率大約從0上升至0.8。

圖4 不同運行壓力下加熱盤管失效概率曲線

圖5 不同運行壓力下加熱盤管累積失效概率隨時間的變化曲線

4 結論

1)依據應力-強度干涉理論建立SCV加熱盤管的極限狀態方程,按照ASME B31.G-2009標準的流程計算加熱盤管的失效應力。采用Monte Carlo方法對加熱盤管極限狀態函數中的參數進行隨機抽樣,計算加熱盤管可靠度和預測加熱盤管剩余使用壽命。

2)對某LNG接收站SCV加熱盤管進行腐蝕剩余壽命預測,隨著使用年限增加,加熱盤管失效概率增加,且增加速率逐漸加快。在盤管運行10 a時,其累積失效概率為0.002 99,可靠度為0.997;運行18 a時,其累積失效概率為0.411,可靠度為0.589。若以0.8為可靠度下限,則盤管使用壽命為14 a。

3)隨著盤管運行壓力的上升,其可靠度下降。當運行年限較短時,運行壓力對盤管可靠度影響較小,當運行年限較長時,盤管可靠度隨運行壓力的增加迅速上升。運行20 a,壓力20 ～22 MPa,加熱盤管可靠度高于0.9,壓力23 ～26 MPa,加熱盤管可靠度從0.8下降至0.2。

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