基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型安全評價(jià)分析

陳仙鳳，趙星波，蒲建忠

（紹興市特種設(shè)備檢測院，浙江紹興　312071）

基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型安全評價(jià)分析

陳仙鳳，趙星波，蒲建忠

（紹興市特種設(shè)備檢測院，浙江紹興312071）

故障樹分析（FTA）是進(jìn)行故障診斷和可靠性分析的有效手段。在不銹鋼管殼式換熱器失效案例統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，建立不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型，對模型定性分析、定量計(jì)算分析系統(tǒng)可靠性，找出系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以服役5年的不銹鋼管殼式換熱器為例，采用模型計(jì)算出的失效概率與實(shí)際樣本統(tǒng)計(jì)值基本吻合。

故障樹分析；不銹鋼管殼式換熱器；失效模型；定量分析

0　引言

不銹鋼管殼式換熱器因適應(yīng)性強(qiáng)、選材廣等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于印染、醫(yī)藥、石油、化工與制冷行業(yè)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用工況多樣，易發(fā)生局部失效，破壞系統(tǒng)長周期運(yùn)行，輕則影響生產(chǎn)，重則造成事故。本文在前期大量不銹鋼管殼式換熱器失效案例統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，采用故障樹分析（Fault Tree Analysis，以下簡稱FTA）建立不銹鋼管殼式換熱器失效模型，對模型進(jìn)行定性、定量分析，找出系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以服役5年的不銹鋼管殼式換熱器為例，計(jì)算失效發(fā)生概率并分析影響不銹鋼管殼式換熱器失效的主要因素。

1　不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型建立

1.1不銹鋼管殼式換熱器失效模式識別

不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型的建立是逐步深入，不斷完善的過程。通過熟悉不銹鋼管殼式換熱器筒體、封頭、管束、管板、折流板、接管、法蘭及膨脹節(jié)等基本結(jié)構(gòu)及各組成部件的功能［1-2］，服役工況、系統(tǒng)參數(shù)、損傷模式［3］及失效影響，大量調(diào)研工程實(shí)際運(yùn)用存在的問題及失效案例［4-9］，項(xiàng)目組抽取620臺含有缺陷的不銹鋼管殼式換熱器為樣本，統(tǒng)計(jì)主要失效形式（見圖1）和部位（見圖2），分析不銹鋼管殼式換熱器失效的主因。

圖1　統(tǒng)計(jì)樣本主要失效形式

圖2　統(tǒng)計(jì)樣本主要失效部位

1.2不銹鋼管殼式換熱器失效事件

表1　不銹鋼管殼式換熱器失效各級中間事件

表2　不銹鋼管殼式換熱器失效基本事件

確定不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型的頂事件（T）、中間事件（M）和基本事件（X），理清各事件之間的邏輯關(guān)系。以最不期望發(fā)生的“不銹鋼管殼式換熱器失效”作為頂事件，以管束失效、管束與管板連接處泄漏、管箱失效、法蘭連接失效作為一級中間事件，模型共有29項(xiàng)各級中間事件（見表1）和32項(xiàng)基本事件（見表2）。

1.3不銹鋼管殼式換熱器失效模型

采用與、或門自頂向下規(guī)范建樹［10-11］，不銹鋼管殼式換熱器失效故障樹如圖3所示。

圖3　不銹鋼管殼式換熱器失效故障樹

2　不銹鋼管殼式換熱器失效模型分析

2.1不銹鋼管殼式換熱器失效模型定性分析

用最小割集、最小徑集及結(jié)構(gòu)重要度對建立的失效模型進(jìn)行定性分析。最小割集是頂事件發(fā)生的最低限度基本事件的集合，不銹鋼管殼式換熱器失效故障樹經(jīng)布爾代數(shù)計(jì)算后得到29個(gè)最小割集:（X1），（X5），（X6），（X7），（X9），（X10），（X11），（X12），（X13），（X14），（X15），（X16），（X17），（X18），（X19），（X2，X3，X4，X8），（X21），（X23），（X24），（X25），（X26），（X27），（X28），（X29），（X3，X20），（X3，X4，X8，X22），（X30），（X31），（X32），其中一階割集26個(gè)，二階割集1個(gè)，四階割集2個(gè)。

最小徑集在失效故障樹中是防止頂事件發(fā)生最低限度基本事件的集合。該系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算后得到4個(gè)最小徑集如下:

最小徑集1:（X1，X2，X5，X6，X7，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，X32）

最小徑集2:（X1，X3，X5，X6，X7，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，X32）

最小徑集3:（X1，X4，X5，X6，X7，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，X32）

最小徑集4:（X1，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，X32）

該失效模型結(jié)構(gòu)重要度:X1=X5=X6=X7= X9=X10=X11=X12=X13=X14=X15=X16= X17=X18=X19=X21=X23=X24=X25=X26= X27=X28=X29=X30=X31=X32＞X20＞X3＞X8=X4＞X22=X2

割集越多，割集階數(shù)越少，頂事件發(fā)生概率越大；最小徑集越多，每個(gè)最小徑集含有的基本事件數(shù)越少，系統(tǒng)越安全。該模型中一階割集較多，導(dǎo)致不銹鋼管殼式換熱器失效的影響因素較多；最小徑集較少，每個(gè)最小徑集中涉及的基本事件較多，不銹鋼管殼式換熱器系統(tǒng)安全性不高，易發(fā)生失效事故；基本事件結(jié)構(gòu)重要度較平均，提升管殼式換熱器系統(tǒng)整體安全性的成本較高。

2.2不銹鋼管殼式換熱器失效模型定量分析［12］

用頂事件發(fā)生概率、臨界重要度和概率重要度對不銹鋼管殼式換熱器失效模型進(jìn)行定量分析。本文采用專家自然情況指標(biāo)分配表（見表3）按式（1）得到10位專家權(quán)重指標(biāo)（見表4），利用專家權(quán)重判斷法結(jié)合基本事件失效經(jīng)驗(yàn)?zāi)：龜?shù)、按式（2）確定服役5年的不銹鋼管殼式換熱器基本事件的發(fā)生概率（見表5）。

專家權(quán)重值計(jì)算如下:

式中Wn——第n位專家的權(quán)重值

an——第n位專家的自然情況得分

基本事件的發(fā)生概率計(jì)算如下:

式中IXn——Xn發(fā)生概率

Wk——第k位專家權(quán)重

Mnk——第k位專家對Xn給出的發(fā)生概率經(jīng)驗(yàn)值

表3　專家自然情況指標(biāo)分配表

表4　專家構(gòu)成及權(quán)重

表5　服役5年不銹鋼管殼式換熱器基本事件的發(fā)生概率

通過失效模型計(jì)算得到服役5年的不銹鋼管殼式換熱器失效頂事件的發(fā)生概率為17.36%，與以3748臺服役5年左右的不銹鋼管殼式換熱器為樣本統(tǒng)計(jì)出的失效率19.48%基本吻合。由于建模時(shí)排除了極少出現(xiàn)的影響失效的因素，所以模型計(jì)算得到的失效概率比實(shí)際統(tǒng)計(jì)失效概率偏低。X21，X1，X18，X19，X26，X32，X24，X25，X16，X23這10個(gè)基本事件的臨界重要度、概率重要度排名前十。臨界重要度、概率重要度高的基本事件就是不銹鋼管殼式換熱器失效中應(yīng)重點(diǎn)控制和管理的對象。從定量分析結(jié)果可以看出，溫差熱應(yīng)力，脹、焊連接，選材，介質(zhì)，防腐措施，管束設(shè)計(jì)等是影響不銹鋼管殼式換熱器可靠性的主要因素。

3　結(jié)語

不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型是進(jìn)行故障診斷和可靠性分析的有效手段。通過模型最小割集和最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度的定性分析可分析系統(tǒng)失效模式、失效薄弱環(huán)節(jié)；通過確定基本事件失效概率，定量計(jì)算臨界重要度、概率重要度可分析出影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，得到不銹鋼管殼式換熱器失效發(fā)生概率，對檢驗(yàn)和故障維修及預(yù)防等具有重要的參考價(jià)值。

［1］錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:1-10.

［2］GB/T 151—2014，熱交換器［S］.

［3］GB/T 30579—2014，承壓設(shè)備損傷模式識別［S］.

［4］吳金星，董其伍，劉敏珊，等.管殼式換熱器失效分析、預(yù)防及在線檢測［J］.壓力容器，2001，18（6）:57-60.

［5］宋曉磊，王斌，鄭曉娜.管殼式換熱器管-管板的連接及失效形式［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（24）:276-287.

［6］熊金平，左禹，胡定鑄.不銹鋼換熱器失效分析［J］.腐蝕與防護(hù)，2001，22（2）:83-84.

［7］滕海洋.換熱器管束失效分析方法與應(yīng)用研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2013:3-8.

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［9］楊鋒平，趙新偉，羅金恒，等.換熱器管束完整性評價(jià)技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.壓力容器，2012，29（3）:43-48.

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［11］羅航.故障樹分析的若干關(guān)鍵問題研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011:9-38.

［12］高順川.動態(tài)故障樹分析方法及其實(shí)現(xiàn)［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005:44-53.

Research on Failure M odel of Stainless Shell and Tube Heat Exchanger Based on FTA

CHEN Xian-feng，ZHAO Xing-bo，PU Jian-zhong
（Shaoxing Inspection&Testing Institute of Special Equipment，Shaoxing 312071，China）

FTA（fault tree analysis）is an effective tool of fault diagnosis and reliability analysis.The failuremodel of stainless shell and tube heat exchanger was established based on the failure case-studies. Then，system reliability was studied by qualitative and quantitative analysis of thismodel and the key parts of the system were pointed out.Moreover，the failure probability of failuremodel was calculated on stainless shell and tube heat exchangerswhich were used for5 years.The result showed thatgood agreementof failure probability was obtained between failuremodel and statistical samples.

fault tree analysis（FTA）；stainless shell and tube heat exchanger；failuremodel；quantitative analysis

TH128；TQ051.5

B

1001-4837（2015）11-0064-05

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.011

2015-08-12

2015-10-21

陳仙鳳（1980-），女，工程師，總師辦副主任，研究方向:失效分析、特種設(shè)備檢驗(yàn)與管理、金相檢驗(yàn)，通信地址:312071浙江省紹興市袍江新區(qū)世紀(jì)東街17號質(zhì)監(jiān)大院特檢院，E-mail:353908779@qq.com。

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局重大科研計(jì)劃項(xiàng)目（20120257）