基于FTA的不锈钢管壳式换热器失效模型安全评价分析

陈仙凤，赵星波，蒲建忠

（绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴　312071）

基于FTA的不锈钢管壳式换热器失效模型安全评价分析

陈仙凤，赵星波，蒲建忠

（绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴312071）

故障树分析（FTA）是进行故障诊断和可靠性分析的有效手段。在不锈钢管壳式换热器失效案例统计和分析的基础上，建立不锈钢管壳式换热器失效FTA模型，对模型定性分析、定量计算分析系统可靠性，找出系统关键环节。以服役5年的不锈钢管壳式换热器为例，采用模型计算出的失效概率与实际样本统计值基本吻合。

故障树分析；不锈钢管壳式换热器；失效模型；定量分析

0　引言

不锈钢管壳式换热器因适应性强、选材广等优点广泛应用于印染、医药、石油、化工与制冷行业，但其结构复杂、使用工况多样，易发生局部失效，破坏系统长周期运行，轻则影响生产，重则造成事故。本文在前期大量不锈钢管壳式换热器失效案例统计和分析的基础上，采用故障树分析（Fault Tree Analysis，以下简称FTA）建立不锈钢管壳式换热器失效模型，对模型进行定性、定量分析，找出系统关键环节。以服役5年的不锈钢管壳式换热器为例，计算失效发生概率并分析影响不锈钢管壳式换热器失效的主要因素。

1　不锈钢管壳式换热器失效FTA模型建立

1.1不锈钢管壳式换热器失效模式识别

不锈钢管壳式换热器失效FTA模型的建立是逐步深入，不断完善的过程。通过熟悉不锈钢管壳式换热器筒体、封头、管束、管板、折流板、接管、法兰及膨胀节等基本结构及各组成部件的功能［1-2］，服役工况、系统参数、损伤模式［3］及失效影响，大量调研工程实际运用存在的问题及失效案例［4-9］，项目组抽取620台含有缺陷的不锈钢管壳式换热器为样本，统计主要失效形式（见图1）和部位（见图2），分析不锈钢管壳式换热器失效的主因。

图1　统计样本主要失效形式

图2　统计样本主要失效部位

1.2不锈钢管壳式换热器失效事件

表1　不锈钢管壳式换热器失效各级中间事件

表2　不锈钢管壳式换热器失效基本事件

确定不锈钢管壳式换热器失效FTA模型的顶事件（T）、中间事件（M）和基本事件（X），理清各事件之间的逻辑关系。以最不期望发生的“不锈钢管壳式换热器失效”作为顶事件，以管束失效、管束与管板连接处泄漏、管箱失效、法兰连接失效作为一级中间事件，模型共有29项各级中间事件（见表1）和32项基本事件（见表2）。

1.3不锈钢管壳式换热器失效模型

采用与、或门自顶向下规范建树［10-11］，不锈钢管壳式换热器失效故障树如图3所示。

图3　不锈钢管壳式换热器失效故障树

2　不锈钢管壳式换热器失效模型分析

2.1不锈钢管壳式换热器失效模型定性分析

用最小割集、最小径集及结构重要度对建立的失效模型进行定性分析。最小割集是顶事件发生的最低限度基本事件的集合，不锈钢管壳式换热器失效故障树经布尔代数计算后得到29个最小割集:（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），其中一阶割集26个，二阶割集1个，四阶割集2个。

最小径集在失效故障树中是防止顶事件发生最低限度基本事件的集合。该系统经计算后得到4个最小径集如下:

最小径集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）

最小径集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）

最小径集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）

最小径集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）

该失效模型结构重要度: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，割集阶数越少，顶事件发生概率越大；最小径集越多，每个最小径集含有的基本事件数越少，系统越安全。该模型中一阶割集较多，导致不锈钢管壳式换热器失效的影响因素较多；最小径集较少，每个最小径集中涉及的基本事件较多，不锈钢管壳式换热器系统安全性不高，易发生失效事故；基本事件结构重要度较平均，提升管壳式换热器系统整体安全性的成本较高。

2.2不锈钢管壳式换热器失效模型定量分析［12］

用顶事件发生概率、临界重要度和概率重要度对不锈钢管壳式换热器失效模型进行定量分析。本文采用专家自然情况指标分配表（见表3）按式（1）得到10位专家权重指标（见表4），利用专家权重判断法结合基本事件失效经验模糊数、按式（2）确定服役5年的不锈钢管壳式换热器基本事件的发生概率（见表5）。

专家权重值计算如下:

式中Wn——第n位专家的权重值

an——第n位专家的自然情况得分

基本事件的发生概率计算如下:

式中IXn——Xn发生概率

Wk——第k位专家权重

Mnk——第k位专家对Xn给出的发生概率经验值

表3　专家自然情况指标分配表

表4　专家构成及权重

表5　服役5年不锈钢管壳式换热器基本事件的发生概率

通过失效模型计算得到服役5年的不锈钢管壳式换热器失效顶事件的发生概率为17.36%，与以3748台服役5年左右的不锈钢管壳式换热器为样本统计出的失效率19.48%基本吻合。由于建模时排除了极少出现的影响失效的因素，所以模型计算得到的失效概率比实际统计失效概率偏低。X21，X1，X18，X19，X26，X32，X24，X25，X16，X23这10个基本事件的临界重要度、概率重要度排名前十。临界重要度、概率重要度高的基本事件就是不锈钢管壳式换热器失效中应重点控制和管理的对象。从定量分析结果可以看出，温差热应力，胀、焊连接，选材，介质，防腐措施，管束设计等是影响不锈钢管壳式换热器可靠性的主要因素。

3　结语

不锈钢管壳式换热器失效FTA模型是进行故障诊断和可靠性分析的有效手段。通过模型最小割集和最小径集、结构重要度的定性分析可分析系统失效模式、失效薄弱环节；通过确定基本事件失效概率，定量计算临界重要度、概率重要度可分析出影响系统可靠性的主要因素，得到不锈钢管壳式换热器失效发生概率，对检验和故障维修及预防等具有重要的参考价值。

［1］钱颂文.换热器设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2008:1-10.

［2］GB/T 151—2014，热交换器［S］.

［3］GB/T 30579—2014，承压设备损伤模式识别［S］.

［4］吴金星，董其伍，刘敏珊，等.管壳式换热器失效分析、预防及在线检测［J］.压力容器，2001，18（6）:57-60.

［5］宋晓磊，王斌，郑晓娜.管壳式换热器管-管板的连接及失效形式［J］.科技情报开发与经济，2007，17（24）:276-287.

［6］熊金平，左禹，胡定铸.不锈钢换热器失效分析［J］.腐蚀与防护，2001，22（2）:83-84.

［7］滕海洋.换热器管束失效分析方法与应用研究［D］.大庆:东北石油大学，2013:3-8.

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［9］杨锋平，赵新伟，罗金恒，等.换热器管束完整性评价技术研究及应用现状［J］.压力容器，2012，29（3）:43-48.

［10］陈新轩，潘清水，赵彦武.工程机械故障树分析初探［J］.筑路机械与施工机械化，1997，14（1）:25-27.

［11］罗航.故障树分析的若干关键问题研究［D］.成都:电子科技大学，2011:9-38.

［12］高顺川.动态故障树分析方法及其实现［D］.长沙:国防科学技术大学，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

陈仙凤（1980-），女，工程师，总师办副主任，研究方向:失效分析、特种设备检验与管理、金相检验，通信地址:312071浙江省绍兴市袍江新区世纪东街17号质监大院特检院，E-mail:353908779@qq.com。

浙江省质量技术监督局重大科研计划项目（20120257）