基于FTA的低溫熱變換爐R6204失效分析

季堯杰，朱大勝，業 成，張伯君，王科偉

（1.南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京211167；2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇 南京210002）

0 引言

近年來，長三角，珠三角及東北地區的化工園區規模及數量不斷增加，隨著生產力和人民對物質要求的逐漸提升，這導致了其向大規模，高參數和長周期運行模式的發展。降低生產設施事故風險已成為安全生產領域亟待解決的問題。

在化學反應罐的工作過程中，輕微的缺陷會引起火災和爆炸事故，安全形勢不容樂觀。目前，為了防止化學反應罐在化工園中發生安全事故，目前的研究課題和方向主要是針對操作控制信息，結構優化方面的改進并不多[1]。

本文以金陵石化南京分公司R6204低溫換熱爐為研究對象，采用事故樹安全分析方法，找出影響其在反應過程中失效的基本影響因素。根據事故樹安全性分析的結果，對結構重要度進行排序，重要部分參數的策略和實時監控，以達到有效降低設備失效風險。

1 化工設備簡介

中石化金陵分公司低溫熱變換爐（R6204）屬于第三類壓力容器，需要定期檢驗。該高溫承壓設備分為基材和內覆層兩部分，基材為碳鋼材質（Q345R），內覆層為不銹鋼材質（S31603）。

本文研究對象低溫熱變換爐（R6204），其直徑3.8 m，高16.6 m；工作壓力最高可達3.6 MPa，需嚴格管理。通過設備的失效模式分析，可以看出R6204的失效模式可能是腐蝕變薄，環境開裂，機械損壞，焊接缺陷等。

變換氣中主要是濃度小于1%（干基），溫度為265℃的一氧化碳氣體。變換氣從中溫變換爐（R6203）出來后，經過第二中變廢熱鍋爐（E6205），此時變換氣溫度為217℃，進入低溫變換爐（R6204）內反應，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，變換氣中含有顆粒物質，長期沖刷罐壁也會導致失效，進而影響整個裝置的長期運行。低溫熱變換爐基本參數見表1。

表1R6204基本參數

容器類別 Ⅲ類筒體材料 Q345R（基材）+S31603（內覆層）筒體壁厚/mm 60.0（基材）+3.0（內覆層）封頭材料 Q345R（基材）+S31603（內覆層）封頭壁厚/mm 40.0（基材）+3.0（內覆層）介質 變換氣投用日期 2012年9月

2 低溫熱變換爐失效模式分析

2.1 故障樹分析

故障樹分析（Fault Tree Analysis），是一種預測復雜系統可靠性的方法。20世紀60年代初，故障樹分析首先應用于民兵導彈發射控制系統的安全評估，后來擴展到核能工業和航空航天工業[3]。目前已進入通用電子、機械、化工、交通、土木工程等領域。在工程設計階段，故障樹分析可以幫助人們發現潛在的事故；在系統運行階段，FTA可以用作故障預測或事故診斷的方法。因此FTA是一種針對系統或設備進行可靠性分析的強大工具[4]。

2.2 最小割集

假設故障樹中有 n 個基本事件 x1，x2，…，xn，能導致頂事件發生的底事件集合如 C={xi1，xi2，…，xin}。則C為故障樹的割集。若C中缺少任意一個底事件，就滿足不了頂事件發生的條件，則將C稱為最小割集。一個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發生，則必然發生頂部事件。因此，在故障樹分析中找到最小割集至關重要的。針對最小割集的研究突出系統最薄弱的環節，對關鍵部分進行強化，以達到有效預防頂事件發生的目的。

2.3 重要度分析

重要度是指一個部件或者系統的割集發生失效時對頂事件概率的影響程度，它是時間、部件的可靠性參數以及系統結構的函數。概率重要度、結構重要度與關鍵性重要度均為基本事件（底事件）的常用重要度指標[5]。本文選擇用結構重要度表示基本事件在故障樹中對頂事件發生的影響程度。在分析中，不考慮基本事件的失效概率（或假設任意基本事件的發生概率相等），并且僅涉及故障樹中每個基本事件的邏輯關系。

令Xi=1為基本事件發生；Xi=0為基本事件不發生，則定義結構函數為：

結構函數是基本事件狀態變量的布爾表達式，它遵循布爾代數的運算法則。其中，φ（x）隨xi取值變化，即：

結構函數從

變化到

φ =（x）=1，頂事件發生；φ =（x）=0，頂事件不發生。

當xi固定時，φ（x）最多有2n-1種可能的組合。假設nφ（i）為2n-1個狀態中，發生從（2）到（3）的變化次數總和，則當基本事件Xi發生（xi取1）而引起頂事件發生的總次數。

由此可定義基本事件xi的結構重要度為：

如果用Iφ（i）表示基本事件xi的結構重要度系數，可通過公式（6）求解Iφ（i）。

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

3 低溫熱變換爐故障樹分析

3.1 低溫熱變換爐失效故障樹的建立

通過參考文獻，工廠設備運行數據研究，結合技術人員的意見，選擇低溫換熱爐的失效作為故障樹的最高事件。綜合分析了導致低溫換熱爐失效的可能因素，并建立了故障樹模型，如圖2～4所示。故障樹給出了低溫傳熱爐中可能發生的主要故障模式。本文共考慮了26個基本事件，基本事件（X）、中間事件（M）、頂事件（T）的含義見表2。

圖2 低溫熱變換爐失效故障樹（1）

圖3 低溫熱變換爐失效故障樹（2）

圖4 低溫熱變換爐失效故障樹（3）

表2 低溫熱變換爐故障樹事件的含義

為便于分析和計算，本文對故障樹定量分析中的以下問題進行了一些簡化：基本事件彼此獨立。在很短的時間內，認為不會同時發生兩個以上的單元發生故障等。

3.2 低溫熱變換爐失效FTA分析

本項目采用下行法（Fussell法）對所建立的故障樹進行定性分析，運用布爾代數進行邏輯運算，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，布爾代數用于邏輯運算，頂事件如等式（7）。

從等式（7）中，故障樹的最小割集為19，其中：

一階最小割集五個：

三階最小割集四個：

五階最小割集三個：

最小割集定性的描述了低溫熱變換爐的薄弱環節。

通過對故障樹的定性分析，可以找到R6204失效的可能原因。基本事件在最小割集中出現次數越多，表明該因素更可能達成頂事件；割集的階數越小，其發生可能性越大，應對其格外重視[6]。因此，定性分析從宏觀上給出了潛在風險的因素，為采取有效的措施控制風險、保證低溫熱變換爐的長周期運行提供了指南。

根據式（6），通過最小割集計算出各基本事件的結構重要度，得出因素權重，見表3。

表3 各基本事件結構重要度及因素權重

比較表3中的因素權重，可知X1和X4的權重遠遠高于其他基本事件，其次是X12、X13與X14的權重也較大，可知容易引起低溫熱變換爐失效的因素為罐內介質溫度和材料牌號，其次為介質含氧量、介質PH值應力大小。

由低溫熱變換爐運行的實際情況可知，氯化物應力腐蝕開裂與連多硫酸應力腐蝕開裂是導致其失效的主要原因，而氯化物應力腐蝕開裂與連多硫酸應力腐蝕開裂是引起裂紋開裂與裂紋擴展的主要因素，罐內介質溫度和內覆層材料性質起著決定性的作用，介質含氧量與介質PH值這兩個因素權重也較高，且其是導致連多硫酸應力腐蝕開裂的因素之一[7]。為了保證低溫熱變換爐的安全長周期運行，應采取針對性措施嚴格監控。由此可見，實際運行情況與計算結果基本一致，導致氯化物應力腐蝕開裂與連多硫酸應力腐蝕開裂的兩個基本事件因素權重極高，這是導致低溫熱變換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 的權重相同，表明介質流速、顆粒尺寸、顆粒硬度以及沖擊角度等五個因素對低溫熱變換爐失效的影響程度基本上市相同的。

4 結論

本文通過FTA對低溫熱變換爐R6204失效進行全面的分析，結合歷年檢維修報告與設備基本參數，羅列了導致低溫熱變換爐失效的26個基本事件，根據因素權重，可得出介質溫度、介質含氧量與介質PH值權重較高，易發生氯化物與連多硫酸應力腐蝕開裂，由于設備為高溫設備且焊縫處在停車檢修期間不易清洗，修補不到位，是裂紋的集中區域，需予以重視，重點監控，避免事故的發生。