基于FTA的低温热变换炉R6204失效分析

季尧杰，朱大胜，业 成，张伯君，王科伟

（1.南京工程学院机械工程学院，江苏 南京211167；2.南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京210002）

0 引言

近年来，长三角，珠三角及东北地区的化工园区规模及数量不断增加，随着生产力和人民对物质要求的逐渐提升，这导致了其向大规模，高参数和长周期运行模式的发展。降低生产设施事故风险已成为安全生产领域亟待解决的问题。

在化学反应罐的工作过程中，轻微的缺陷会引起火灾和爆炸事故，安全形势不容乐观。目前，为了防止化学反应罐在化工园中发生安全事故，目前的研究课题和方向主要是针对操作控制信息，结构优化方面的改进并不多[1]。

本文以金陵石化南京分公司R6204低温换热炉为研究对象，采用事故树安全分析方法，找出影响其在反应过程中失效的基本影响因素。根据事故树安全性分析的结果，对结构重要度进行排序，重要部分参数的策略和实时监控，以达到有效降低设备失效风险。

1 化工设备简介

中石化金陵分公司低温热变换炉（R6204）属于第三类压力容器，需要定期检验。该高温承压设备分为基材和内覆层两部分，基材为碳钢材质（Q345R），内覆层为不锈钢材质（S31603）。

本文研究对象低温热变换炉（R6204），其直径3.8 m，高16.6 m；工作压力最高可达3.6 MPa，需严格管理。通过设备的失效模式分析，可以看出R6204的失效模式可能是腐蚀变薄，环境开裂，机械损坏，焊接缺陷等。

变换气中主要是浓度小于1%（干基），温度为265℃的一氧化碳气体。变换气从中温变换炉（R6203）出来后，经过第二中变废热锅炉（E6205），此时变换气温度为217℃，进入低温变换炉（R6204）内反应，出口变换气中CO浓度小于0.41%（干基），温度升至230℃左右，外覆保温层[2]。由于变换气中含有硫化氢，氯离子，连多硫酸等腐蚀性介质，变换气中含有颗粒物质，长期冲刷罐壁也会导致失效，进而影响整个装置的长期运行。低温热变换炉基本参数见表1。

表1R6204基本参数

容器类别 Ⅲ类筒体材料 Q345R（基材）+S31603（内覆层）筒体壁厚/mm 60.0（基材）+3.0（内覆层）封头材料 Q345R（基材）+S31603（内覆层）封头壁厚/mm 40.0（基材）+3.0（内覆层）介质 变换气投用日期 2012年9月

2 低温热变换炉失效模式分析

2.1 故障树分析

故障树分析（Fault Tree Analysis），是一种预测复杂系统可靠性的方法。20世纪60年代初，故障树分析首先应用于民兵导弹发射控制系统的安全评估，后来扩展到核能工业和航空航天工业[3]。目前已进入通用电子、机械、化工、交通、土木工程等领域。在工程设计阶段，故障树分析可以帮助人们发现潜在的事故；在系统运行阶段，FTA可以用作故障预测或事故诊断的方法。因此FTA是一种针对系统或设备进行可靠性分析的强大工具[4]。

2.2 最小割集

假设故障树中有 n 个基本事件 x1，x2，…，xn，能导致顶事件发生的底事件集合如 C={xi1，xi2，…，xin}。则C为故障树的割集。若C中缺少任意一个底事件，就满足不了顶事件发生的条件，则将C称为最小割集。一个最小割集代表了顶上事件失效的一种可能性。最小割集中的基本事件同时发生，则必然发生顶部事件。因此，在故障树分析中找到最小割集至关重要的。针对最小割集的研究突出系统最薄弱的环节，对关键部分进行强化，以达到有效预防顶事件发生的目的。

2.3 重要度分析

重要度是指一个部件或者系统的割集发生失效时对顶事件概率的影响程度，它是时间、部件的可靠性参数以及系统结构的函数。概率重要度、结构重要度与关键性重要度均为基本事件（底事件）的常用重要度指标[5]。本文选择用结构重要度表示基本事件在故障树中对顶事件发生的影响程度。在分析中，不考虑基本事件的失效概率（或假设任意基本事件的发生概率相等），并且仅涉及故障树中每个基本事件的逻辑关系。

令Xi=1为基本事件发生；Xi=0为基本事件不发生，则定义结构函数为：

结构函数是基本事件状态变量的布尔表达式，它遵循布尔代数的运算法则。其中，φ（x）随xi取值变化，即：

结构函数从

变化到

φ =（x）=1，顶事件发生；φ =（x）=0，顶事件不发生。

当xi固定时，φ（x）最多有2n-1种可能的组合。假设nφ（i）为2n-1个状态中，发生从（2）到（3）的变化次数总和，则当基本事件Xi发生（xi取1）而引起顶事件发生的总次数。

由此可定义基本事件xi的结构重要度为：

如果用Iφ（i）表示基本事件xi的结构重要度系数，可通过公式（6）求解Iφ（i）。

式中：Iφ（i）为基本事件 xi的结构重要度系数；K 为最小割集的总数；ni为基本事件xi所在Ki的基本事件数。

3 低温热变换炉故障树分析

3.1 低温热变换炉失效故障树的建立

通过参考文献，工厂设备运行数据研究，结合技术人员的意见，选择低温换热炉的失效作为故障树的最高事件。综合分析了导致低温换热炉失效的可能因素，并建立了故障树模型，如图2～4所示。故障树给出了低温传热炉中可能发生的主要故障模式。本文共考虑了26个基本事件，基本事件（X）、中间事件（M）、顶事件（T）的含义见表2。

图2 低温热变换炉失效故障树（1）

图3 低温热变换炉失效故障树（2）

图4 低温热变换炉失效故障树（3）

表2 低温热变换炉故障树事件的含义

为便于分析和计算，本文对故障树定量分析中的以下问题进行了一些简化：基本事件彼此独立。在很短的时间内，认为不会同时发生两个以上的单元发生故障等。

3.2 低温热变换炉失效FTA分析

本项目采用下行法（Fussell法）对所建立的故障树进行定性分析，运用布尔代数进行逻辑运算，顶事件可表示如下：

在本文中，下行故障方法（Fussell方法）用于定性分析建立的故障树，布尔代数用于逻辑运算，顶事件如等式（7）。

从等式（7）中，故障树的最小割集为19，其中：

一阶最小割集五个：

三阶最小割集四个：

五阶最小割集三个：

最小割集定性的描述了低温热变换炉的薄弱环节。

通过对故障树的定性分析，可以找到R6204失效的可能原因。基本事件在最小割集中出现次数越多，表明该因素更可能达成顶事件；割集的阶数越小，其发生可能性越大，应对其格外重视[6]。因此，定性分析从宏观上给出了潜在风险的因素，为采取有效的措施控制风险、保证低温热变换炉的长周期运行提供了指南。

根据式（6），通过最小割集计算出各基本事件的结构重要度，得出因素权重，见表3。

表3 各基本事件结构重要度及因素权重

比较表3中的因素权重，可知X1和X4的权重远远高于其他基本事件，其次是X12、X13与X14的权重也较大，可知容易引起低温热变换炉失效的因素为罐内介质温度和材料牌号，其次为介质含氧量、介质PH值应力大小。

由低温热变换炉运行的实际情况可知，氯化物应力腐蚀开裂与连多硫酸应力腐蚀开裂是导致其失效的主要原因，而氯化物应力腐蚀开裂与连多硫酸应力腐蚀开裂是引起裂纹开裂与裂纹扩展的主要因素，罐内介质温度和内覆层材料性质起着决定性的作用，介质含氧量与介质PH值这两个因素权重也较高，且其是导致连多硫酸应力腐蚀开裂的因素之一[7]。为了保证低温热变换炉的安全长周期运行，应采取针对性措施严格监控。由此可见，实际运行情况与计算结果基本一致，导致氯化物应力腐蚀开裂与连多硫酸应力腐蚀开裂的两个基本事件因素权重极高，这是导致低温热变换炉焊缝处多处裂纹的主要因素。另外，基本事件 X19、X20、X21、X22 和 X23 的权重相同，表明介质流速、颗粒尺寸、颗粒硬度以及冲击角度等五个因素对低温热变换炉失效的影响程度基本上市相同的。

4 结论

本文通过FTA对低温热变换炉R6204失效进行全面的分析，结合历年检维修报告与设备基本参数，罗列了导致低温热变换炉失效的26个基本事件，根据因素权重，可得出介质温度、介质含氧量与介质PH值权重较高，易发生氯化物与连多硫酸应力腐蚀开裂，由于设备为高温设备且焊缝处在停车检修期间不易清洗，修补不到位，是裂纹的集中区域，需予以重视，重点监控，避免事故的发生。