基于模糊评价理论的硫回收过程气余热锅炉系统失效可能性分析

刘子方 司永宏 赵秋洪 王 恒 萧艳彤（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

基于模糊评价理论的硫回收过程气余热锅炉系统失效可能性分析

刘子方 司永宏 赵秋洪 王 恒 萧艳彤
（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

摘 要：本文简要介绍了硫回收过程气余热锅炉装置在系统中的工艺特点，重点分析了装置发生的损伤机理，主要包括：腐蚀减薄、环境开裂、机械与冶金失效等，并阐述了故障树分析法计算失效可能性的主要实施步骤，通过将余热锅炉破坏作为顶事件来建立故障树，并在此基础上采用二级模糊综合评价法进行了数学建模，计算了各基本事件的结构重要度，最终计算结果显示，余热锅炉破坏的失效可能性为Ⅱ级。

关键词：硫回收过程气 余热锅炉 失效可能性 故障树 模糊评价

硫回收装置是石油炼化企业的重要生产装置，作用是回收上游物料中的硫元素，避免硫元素对下游生产设备造成腐蚀等破坏，以及减轻对环境造成污染。该装置重点设备及部件为燃烧器、反应器、余热锅炉、分液罐、脱气塔、吸收塔等，其中余热锅炉通过将过程气的热量发生蒸汽来实现热量的回收，达到节能减排的目的。余热锅炉装置的管程介质为过程气，其中含有H2、H2S、H2O、N2、SO2、S等，进入余热锅炉的温度高达1300℃，管程材质为20G；壳程介质为蒸汽和水，工作压力达到4.4MPa，其材质为16MnG［1］。由于余热锅炉具有介质成分复杂、工作温度高、压力大等特点，其安全性需予以特别关注。本文针对某石油炼化企业的硫回收过程气余热锅炉，采用半定量的分析方法对其损伤机理进行了分析，然后在此基础上以余热锅炉破坏失效为顶事件建立了故障树，计算结构重要度，并由此进行失效可能性的模糊综合评价，确定其最终的失效可能性等级。

1　余热锅炉的损伤机理分析

1.1腐蚀减薄

锅炉水腐蚀：即锅炉水系统中由于给水不良而引起的腐蚀，锅炉水腐蚀较为复杂，主要分为气体腐蚀、垢下腐蚀以及水碱度过大引起的碱性腐蚀。气体腐蚀主要是溶解氧与二氧化碳而导致的腐蚀，溶解氧与二氧化碳浓度越高，腐蚀越严重。各种物质沉积在锅炉表面不仅能够造成过热破坏，而且也会引起严重的局部腐蚀破坏，锅炉水水垢主要成分为Mg（OH）2和Ca（OH）2，所以锅炉水一般均要进行处理［2］。

高温硫化物腐蚀：余热锅炉管程中主要为高温含硫过程气，设备材质为碳钢，因此管箱进口与换热管前段存在高温硫化物腐蚀，造成腐蚀减薄。

烟气露点腐蚀：碳钢设备介质中的含硫介质遇到水蒸汽凝结可产生亚硫酸和硫酸，在几种腐蚀中共同作用下会造成腐蚀减薄，主要在开停车期间可能存在露点腐蚀。

1.2环境开裂

碱开裂：一般情况下，苛性碱浓度到达一定浓度才会发生碱开裂。但据某些文献报道，在锅炉水中，痕量的苛性碱会变浓，造成锅炉管应力腐蚀开裂，因为过度燃烧，这些锅炉会处于干湿交替变化条件下，开裂的焊缝或发生泄漏的管子压接头能够形成气囊，使苛性碱在此增浓，引起碱蚀致脆。在换热器沉积物下，发现苛性碱腐蚀或凿削腐蚀，这是锅炉水渗进这些沉积物里，蒸发后留下浓的苛性碱造成的［2］。

1.3机械冶金失效

蒸汽阻滞：介质为蒸汽，蒸汽设备运行中，热能流经过管壁时使得管道内壁产生不连续的蒸汽泡，但当热流平衡受到干扰时，多个单气泡会结成蒸汽膜，一旦形成蒸汽膜，管壁会短期过热，从而形成快速开裂，因此也要考虑。

1.4其它损伤形式

废热锅炉还会出现其它损伤形式。如换热管过热造成的炉管损坏，引起管壁过热的因素有热流强度过大、热负荷不均匀、水质不好等。操作过程中出现的水击、管束震动、热冲击等造成的机械损伤和非稳定性热应力损坏。烟气侧还会出现结垢和堵灰等问题［2］。

2　余热锅炉的故障树分析

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）［3］，是研究系统或装置发生故障的各种直接或间接原因的方法，它可以帮助人们寻找潜在事故或进行事故的诊断，为改进安全设计、事故分析、制定安全技术策略和采取安全管理措施提供依据。根据前面对该设备的损伤机理进行的分析，结合实际运行中的各种隐患，以余热锅炉破坏失效为顶事件建立故障树，如图1所示。考虑锅炉本体的腐蚀减薄、开裂、超温变形以及附件失效为中间事件，逐层建立故障树，并对其进行分析，确定故障树的最小割集及各基本事件的结构重要度，分析余热锅炉破坏失效的原因和各基本事件对顶上事件发生的影响程度。

图1　余热锅炉破坏失效故障树

表1　顶事件、中间事件、基本事件表

2.1故障树最小割集的求取

对泄漏故障树进行最小割集计算，运用Fussell算法［3］得到10个最小割集，即：

2.2结构重要度的计算结果

结构重要度的计算不考虑基本事件的失效概率，仅涉及到各基本事件在故障树中的逻辑关系，可以利用结构重要度近似判别式进行计算。

式中：

K——最小割集的总数；

表2　基本事件的结构重要度

2.3结构重要度的计算结果分析

由结构重要度分析结果可知，基本事件结构重要度的大小关系为：

3　余热锅炉失效可能性模糊综合评价

采用二级模糊综合评价法对该余热锅炉的失效进行模糊综合评价的数学建模：首先建立综合评价的因素集和备择集，其次根据故障树分析得出的结构重要度计算因素权重，然后确定隶属函数，建立评价矩阵，最后进行模糊变换得到综合评价结果，进行综合评价［2，3］。

3.1建立因素集

构造余热锅炉综合评价模型，在选定评价因素时，以故障树中的基本事件作为评价因素集，即，

=｛锅炉水腐蚀，高温硫化物腐蚀，疲劳开裂，苛性碱腐蚀开裂，高温，隔热衬里破坏，水循环异常，阀门及接管破坏，安全阀失灵，液位计破坏，压力表破坏｝

上述各因素的因素等级根据有关标准和各因素的特点进行划分，见表3～表8。

表3　腐蚀的失效可能性因素等级

表4　腐蚀开裂的失效可能性因素等级

表5　疲劳开裂的失效可能性因素等级

表6　运行温度的失效可能性因素等级

表7　隔热衬里的失效可能性因素等级

表8　各附件的失效可能性因素等级

3.2建立备择集

备择集是对余热锅炉失效可能性严重程度的模糊描述。根据余热锅炉的实际情况、相关的风险分析报告数据以及各因素备择等级的划分依据，确定故障树各基本事件的备择集等级，见表3～表8。

其中Ⅰ级表示锅炉发生失效的可能性小，Ⅱ级表示锅炉发生失效的可能性较小，Ⅲ级表示锅炉发生失效的可能性一般，Ⅳ级表示锅炉发生失效的可能性较高，Ⅴ级表示锅炉发生失效的可能性高。

表9　因素等级划分结果

3.3确定因素权重集

根据故障树各基本事件的结构重要度计算结果（见表2），确定各基本事件的因素权重。

表10　因素权重集

3.4确定模糊评价矩阵

每个因素的各个等级对该因素的隶属度根据具体评定的在役压力容器的实际情况而来确定。具体方法有：模糊实验法和等级评分值法。如何确定隶属度，目前还没有一个完全客观的评定标准。本文选择柯西分布确定隶属度等级，见图2。图中横坐标1、2、3、4、5级分别表示评价级V=｛Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级｝中的五个级别，纵坐标为隶属函数的在｛0，1｝上的取值。由于各因素的等级都是按照其影响可能性的一致趋势来排列，因此各因素的等级评判矩阵都是相同的［4］。

各个因素等级的隶属度确定：

Ⅰ级=｛1，0.5，0.2，0.1，0.0588｝；

Ⅱ级=｛0.5，1，0.5，0.2，0.1｝；

Ⅲ级=｛0.2，0.5，1，0.5，0.2｝；

Ⅳ级=｛0.1，0.2，0.5，1，0.5｝；

Ⅴ级=｛0.0588，0.1，0.2，0.5，1｝

图2　柯西分布函数图

归一化后，各因素等级的隶属度：

Ⅰ级=｛0.5380，0.2690，0.1076，0.0538，0.0316｝；

Ⅱ级=｛0.2174，0.4348，0.2174，0.0870，0.0434｝；

Ⅲ级=｛0.0833，0.2083，0.4168，0.2083，0.0833｝；

Ⅳ级=｛0.0434，0.0870，0.2174，0.4348，0.2174｝；

Ⅴ级=｛0.0316，0.0538，0.1076，0.2690，0.5380｝

3.5模糊综合评价

则余热锅炉的二级综合评价结果为

所以用模糊语言表达的失效可能性为

该硫回收过程气余热锅炉破坏的失效可能性，按照最大隶属度原则判断为Ⅱ级，即失效可能性较小。

4　结论

本文简要分析了某石油炼化企业的硫回收过程气余热锅炉的失效模式和损伤机理，采用故障树方法计算了各基本事件的结构重要度，并在此基础上采用二级模糊综合评价法进行了计算，得到了该硫回收过程气余热锅炉破坏的失效可能性。

参考文献

［1］赵秋洪，司永宏，刘子方，等.RBI技术在过程气余热锅炉系统中的应用［J］.中国化工装备，2015（1）：20-22.

［2］司永宏，赵秋洪，王恒，等.制氢装置余热系统RBI技术应用［J］.化学工程与装备，2012（7）：73-75.

［3］戴树和，王明娥.可靠性工程及其在化工设备中的应用［M］.北京：化学工业出版社，1987：15-18.

［4］汪培庄.模糊集合理论及其应用［M］.上海：上海科学技术出版社，1981：45-50.

中图分类号：X933.2

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）02-0020-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.005

作者简介：刘子方（1964～），男，本科，高级工程师，从事压力容器检验检测工作。

收稿日期：（2015-05-26）

The Failure Possibility Analysis of Sulfur Recovery Process Gas Waste Heat Boiler System Based on the Fuzzy Evaluation Theory

Liu Zifang Si Yonghong Zhao Qiuhong Wang Heng Xiao Yantong
（Tianjin Special Equipment Inspection Institute Tianjin 300192）

AbstractThis paper briefly describes the technological features of the sulfur recovery process gas waste heat boiler，analyzes the damage modes may occurred including corrosion thinning，environmental cracking，mechanical and metallurgical failure etc.，and describes the main steps for the failure probability calculation by fault tree analysis and establishes the fault tree using the failure of waste heat boiler as the top event. On the basis of the mathematical modeling using the method of two grade fuzzy comprehensive evaluation，we calculate the structural importance of the basic events get the result that the failure possibility of waste heat boiler system is Level II.

KeywordsProcess gas of sulfur recovery Waste heat boiler Possibility of failure Fault tree Fuzzy evaluation