列管式石墨换热器失效可能性分析

2018-02-28蒋凤易田蒙奎郝立通邵珠花罗祥丽

中国特种设备安全 2018年1期

蒋凤易田蒙奎郝立通邵珠花杨颖罗祥丽

（1.贵州大学贵阳 550025）

（2.贵州兰鑫石墨机电设备制造有限公司福泉 550500）

石墨换热器由于具有耐腐蚀性强、力学性能高、传热性能好等一系列优良的性能，被广泛地用于处理磷酸、盐酸和硫酸等腐蚀性介质。除了主要用于酸碱生产处理等工业外，还广泛地应用于石油、化工、无机药品、有机合成和食品等工业部门[1]。据统计，换热器在化工装置中占30%～45%的总投资额，同时约占40%的总生产设备数[2]。石墨换热器的种类很多，按其结构形式可分为喷淋式、列管式、块孔式（圆块孔式和矩形块孔式）、浸没式、螺旋板式、板式和套管式等，其中以列管式石墨换热器应用最多。列管式石墨换热器[1]主要由石墨管束、钢制筒体、折流板和防腐蚀材料或不透性石墨材料制成的封头组成。

图1 列管式石墨换热器失效事故树

作为化工生产中重要的工艺设备，列管式石墨换热器能否安全有效的运行将直接影响到该装置及后续装置的生产周期和效率。根据石油化工设备损坏的统计资料显示，换热器在各类设备损坏的百分比中以27.2%的比例占列第一，远远高于以17.2%的比例占列第二位的储槽和塔器[2]。因此，为保证列管式石墨换热器的正常运行，保障工作人员的生命财产安全[3-4]，查明失效事故的原因，减少各类失效事故的重复发生，延长设备的使用寿命，对列管式石墨换热器进行综合全面的失效分析[5-6]具有十分重要的指导和现实意义。

随着系统工程学科的快速发展，出现了许多既有各自特点又互为补充的系统安全分析方法[7]。目前主要的系统安全分析方法有系统可靠性分析（SRA）、预先危险性分析（PHA）、生命周期评价（LCA）、事故树分析（FTA）、安全检查表分析（SCA）、故障类型和影响分析（FMEA）等[7]，其中事故树分析不仅能对系统进行定性、定量分析，而且还能对系统的危险性进行分辨和评价，针对安全问题的研究具有预测性、系统性和准确性的特点。本文应用事故树分析法对列管式石墨换热器失效进行定性的研究分析[7]，找出导致其失效的主要原因，从而提出切实可行的预防措施，保障列管式石墨换热器能够安全、有效的运行。辑门符号把各个事件分层连接起来，“·”表示与门，“+”表示或门，编制成列管式石墨换热器失效事故树，如图1所示。列管式石墨换热器失效事故树事件代码所代表事件见表1。

表1 列管式石墨换热器失效事故树事件代码表

1 列管式石墨换热器失效事故树的建立

根据对我国历年来列管式石墨换热器失效事故原因进行的文献调研和统计，同时结合对贵州某化工厂用于湿法磷酸浓缩的现场失效列管式石墨换热器装置的事故分析，总结出导致列管式石墨换热器失效的最主要原因[8-9]有3个：石墨管束泄漏、筒体破裂和结垢堵塞，并针对这3种原因尽可能准确的找出了引起它们发生的13个主要因素和27个基本因素。然后根据各原因之间的逻辑关系，按照事故树编制的规则和流程，以列管式石墨换热器失效作为顶事件，通过逻

2列管式石墨换热器失效事故树的定性分析

事故树的定性分析[10-11]是根据事故树的结构，从只考虑各基本事件发生和不发生两种情况而不考虑它们发生的概率这个角度出发，来求取各基本事件的结构重要度和事故树的最小割（径）集[7]。通过定性分析可以明确各基本事件对顶事件的影响程度，从而采取有效的预防措施来保证设备的安全性和稳定性，防止事故的再次发生。

图2 列管式石墨换热器失效事故树的成功树

2.1 最小割集

在事故树中，笔者把最小割集[12]定义为引起顶事件发生的各基本事件最低限度的集合，求取最小割集常用的方法有矩阵法、布尔代数化简法、行列法等。其中布尔代数化简法相对准确和有效，运算过程简便，计算效率高，数据结构简单，只需要布尔表达式，相当于字符串，同时可克服丢失正确解的问题，具有通用性，故选择其作为求解最小割集的方法。根据上述建立的事故树，有3种途径可以导致列管式石墨换热器失效，它们分别是石墨管束泄漏、壳体破裂和结垢堵塞。为了对该事故做详细的分析，采用布尔代数化简法求取该事故树的最小割集，其中用布尔代数变量T、M和X分别表示系统的各失效事件和原因，并利用布尔代数的吸收律和分配律进行计算，如下所示：

通过上述计算结果可知该系统共有24个最小割集，即导致列管式石墨换热器失效的途径有24种，其中一阶最小割集22个，二阶最小割集1个和三阶最小割集1个，如下所示：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19}、{X20}、{X21}、{X24}、{X22，X23}、{X25，X26，X27}。

2.2 最小径集

通常把径集定义为不发生的基本事件的集合，最小径集[13]定义为被任意去掉某一个基本事件的径集，则每一个最小径集指出了防止顶上事件发生的一个解决办法。求解某个事故树的最小径集，即是求解该事故树对偶的成功树的最小割集，具体方法是将原事故树的“或”门换成“与”门，“与”门换成“或”门，就可得原事故树对应的成功树[13]，列管式石墨换热器失效事故树的成功树如图2所示。

运用布尔代数化简法求解成功树的最小割集：

式中：

Xi'——基本事件的补事件；

Mi'——中间事件的补事件；

T'——顶事件的补事件。

通过计算结果可知成功树有6个最小割集，则原事故树有6个最小径集，说明控制列管式石墨换热器失效发生的途径有6条，如下所示：

2.3 结构重要度

结构重要度分析[11]是在假设各基本事件的发生概率相等或不考虑各基本事件发生的难易程度的情况下，仅从事故树结构上分析各基本事件对顶事件的发生所产生的影响程度，结构重要度越大的基本事件对顶事件的影响程度就越大，反之越小。

根据所求的最小割集，{X1}、{X2}、{X3}、{X4}…{X21}、{X24} 均为单个最小割集，则I（1）=I(2)=I(3)=I(4)…I(21)=I(24)最大，剩余两个最小割集结合基本事件的结构重要度系数近似判别值的计算式（1）[14]：

式中：

I(i)——第i个基本事件Xi结构重要度系数的近似判别值；

Er——第r个最小割集；

ni——基本事件Xi所属最小割集包含的基本事件数。

可知列管式石墨换热器失效事故树中各基本事件的结构重要度排列如下所示：

3 结论

1）从事故树的结构分析，导致列管式石墨换热器失效的基本原因有27个，这些原因相互组合都可导致事故的发生，同时事故树中“或”门个数占83.3%，“与”门个数占16.7%，相对而言“或”门比较多，说明在石墨管束泄漏、壳体破裂和结垢堵塞的情况下，列管式石墨换热器失效很容易发生，因此必须对系统的危险性有充分的认识，以便寻找经济、有效的防护措施。

2）系统的危险性可以用最小割集表示：若事故树的最小割集越多，表明顶事件发生的可能性越大，反之越小；同时最小割集中基本事件越少，说明事故越容易发生。从求解最小割集的计算结果可知，该事故树的最小割集有24个，其中22个一阶最小割集，1个二阶最小割集和1个三阶最小割集，表明导致列管式石墨换热器失效的最小途径有24条，且最小割集中所包含的基本事件很少，以1个基本事件居多，说明列管式石墨换热器失效事故发生的可能性很大，系统比较危险。

3）系统的安全性可以用最小径集表示：若事故树的最小径集越多，说明系统的安全性越高，反之越低。通过对成功树最小割集的计算可知该系统有6个最小径集，表明使列管式石墨换热器失效事故不发生的最小途径有6条，只要保证每个最小径集的基本事件都不发生或者每个最小径集都不发生，就能防止顶事件的发生，从而提高系统的安全性。

4）通过结构重要度的分析结果可知，壳体受介质冲击、运输安装中发生碰撞、垢层未及时清洗等22个因素是影响列管式石墨换热器失效的最重要因素，它们的重要性在系统中占首位，其次是急开急关阀门和循环泵突然停止。因此为了防止失效事故的发生，应从避免石墨管束振动、防止壳体破裂和结垢堵塞三个方面入手，控制各基本事件的发生，尤其是上述22个结构重要度最大的基本事件，从而保证注意事项具有较强的理论依据和针对性。