（化工过程机械专业论文）焦炭塔定量风险评价.pdf

硕士学位论文 f | f i i i f | i i | i i f f | i j mj i | f 删川 y 2 0 8 4 2 0 9 摘要 焦炭塔是延迟焦化装置中的重要设备之一。自2 0 世纪6 0 年代开始使用延迟焦化 装置以来，已有半个世纪的历史。由于焦炭塔是延迟焦化装置的重要设备，一旦发生 失效将导致严重的后果，造成人员伤亡和巨大的经济损失。而从目前的使用状况来看， 多数焦炭塔已处于超期服役状态，因此为提高经济效益，防止事故发生，对焦炭塔进 行风险评价是十分重要的。 本文以石化公司炼油厂的焦炭塔为研究对象，对设计条件下焦炭塔的主要结 构进行了可靠度分析，并对其进行了定量风险评价，得出了焦炭塔当前状态下的风险 水平，为企业决策者提供决策依据。本文的主要研究内容及部分结论如下： ( 1 ) 遗传算法( g a ) 作为求解可靠度指标的一种方法，避开了一次二阶矩法( f o s m ) 对极限状态方程求偏导数的困难，也克服了蒙特卡罗法迭代次数多的不足。它在迭代 次数不多，运行参数可以控制的情况下，进行多参数模拟，寻求最优解。本文按照遗 传算法的应用步骤，编制了计算程序。 ( 2 ) 通过对塔设备主要结构所受载荷质量载荷、地震载荷和风载荷的分析，分别 建立等截面塔和变截面塔在设计条件下塔底、人孔截面、塔壳和裙座连接焊缝处等结 构的极限状态方程，为可靠度的分析提供计算依据。 ( 3 ) 通过对焦炭塔存在的问题及国内外失效案例的汇总分析，总结了其失效机理， 确定腐蚀减薄、应力腐蚀开裂、热棘轮效应和蠕变一疲劳交互为焦炭塔的主要失效模 式。并建立了各失效模式下对应的极限状态方程，为焦炭塔失效可能性的计算提供依 据。 ( 4 ) 本文按照a p l 5 8 l 介绍的风险等级评定方法，对炼油厂焦炭塔的损伤次因 子、通用次因子、机械次因子、工艺次因子进行了详细的分析计算。通过可燃后果的 计算，确定了焦炭塔失效的人员伤亡和财产损失，结合营业中断损失，得出焦炭塔当 前的使用风险。 关键词焦炭塔遗传算法可靠度风险评价 硕士学位论文 a b s t r a c t c o k ed r u mi so n eo fm ei n l _ p o r a 工1 te q u i p m e n tf o rn l ed e l a y e dc o k i l l gu i l i t nh a sa l o n g 扯s t o 巧o v e rh a l f ac e 呻s i n c eb e g 啦t 0 u s e 廿1 ed e l a y e dc o l 【i n gu i l i ti i lt 1 1 e1 9 6 0 s b e c a u s ec o k ed i 啪i sa 1 1 呻o r t a d te 叫p m e n to f 也ed e l a y e dc o l 【i n g1 1 i l i t ，也e 饭l 啪伽l r e s l l l ti i ls e r i o u sc o n s e q u e n c es u c h 硒p e r s o n a lc 硒u a h y 觚d 仃e i m e n d o l l se c o n o 面cl o s s e s a c c o r d i l l gt o 廿1 ep r e s e n to p e 洲o nc o n d i t i o i l ，m 锄yo ft 1 1 ec 0 k ed r 眦l l sa r ei nt h es t a t e0 f o v c i r s e r v i c c s o ，i i lo r d e rt 0i l p r 0 v ee c o n o 血cb e n e f i t sa n dt op r e v e n ta c c i d e n to c c u 【圩i n g ， i ti so f v i t a lf o rc o k e 血l i nt 0b ec 锄- i e dt l l r o u 曲r i s ke v a j 删o n m s p a p rt a 玉【e c o k e ：d r u l ho f xc o 印o r a ：t i o n s o i lr e 血q 鹊a ne x 锄p l e t h e r c l j a b i l 时o fc o k ed n 】i l 】sp r i i ：啷眵s t m c t u r ei nd e s i 弘c o n d i t i o nw a s 柚a l y z e d a n db y q u a n t i t a t i v ee v a j u a t i o n 吐l er i s kl e v e lo fc o k e 由吼w a so 比l i n e d t h em a i nc o n t e n t s 锄d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) g e n e t i ca l g o r i t l ni so n eo f l ee c t i v em e m o d st 0b el l s e di nr e l i a b i l i t y n a v o i d st h ep r o b l e mo fs e e k i n g p a r t i a l d e r i v a t i v ef o rl i 血t e ds t a t ef 蛐c t i o n sa n d m o n t e c a r l o sd e f i c i e n c y o p t i m 啪s 0 1 u t i o n sc a i lb eo b t a i n e dt i 鹏u 曲c 0 n t r o l l i n g 劬c t i o n p a r a m e t e r s a p p l i c a t i o ns t e p so fg e n e t i ca l g o r i t h m w e r ei n t r o d u c e d 甜l dc a l c u l a t i o n p r o g r a l 、糨c 撕e do u tb ya u t h o ri nm i sp 印e r ( 2 ) n 啪u 曲t h ea j l a l y s i so ft o w e r sm a s sl o a d ，w i n dl o a da n de a n l l q u a k el o a d ，t h e l i m i t e ds t a ：t e 矗m c t i o n so fc o n s l ：锄tc r o s s s e c t i o na n dv 撕a 【b l ec r o s s s e c t i o no ft o 、v e r s p r i 】 n a 巧蛐r u c t u r e s ，s u c h 笛t o w e rb o t t o m ，m a n h o l ec r o s s - s e c t i o na n dw e l dj o i n to fs k i r t a n dt o w e rs h e l l 谳邪e s t a b l i s h e d ，w l l i c hp r o v i d ec a l 叫a l i o nb a s e s 如rr e l i a b i l 时a n a l y s i s ( 3 ) t h ee ) 【i s 劬c ep r o b l e m s 锄d 雠筋l w ec a s e so fc o k e 妇w e r e c o l l e c t e di nt h i s p a p e lt l l i o u g ht h ea n a j y s i so f 筋l u r em e c h a i l i s l s ，t l l i n l l i i 培，劬r e s sc 0 玎o s i o nc r a c k i i l 岛 t 1 1 e 删r a t c h e t i n ga n dc r e 印一f a t i 磬l ew e r cc o n s i d e r e d 嬲m em a j nf 砬l u r em o d e s e 撕l l 砌t e ds t l 钯劬舐0 nw 勰e 比l b l i s h e d ，w m c h 、v 嬲i n l p o n a 咀tf o rc a l c u l a t i n gc o k ed m m s 缅l u r ep r o b a b i l i 够 ( 4 ) t h ed a m a g ef 弛0 r ，u n i v e r s a l 触o r ，m e c h a n i c a l 胁0 r 缸dp r 0 c e s sf ；砝o ro fc o k e d 1 1 j mw t i r ec a l c u l 删a c c o r d i n gt 0t l l ea p l 5 81 触s 0 ，t l l e 筋l u r ec o n s e q u e n c e so fm ec o k e a b s t r a c t d r u mi n c l u d i n gp o t e n t i a li o s so fh f e ，l o s so fp r o p e r t i e s 锄db u s i i l e s si n t e 】n l 砸o nw e r e 砌c u l a t e d a tl 戤位r i s k1 e v e lo f t h ec 0 k ed r u mi so 比l i n e db y 也er i s km a 缸衩 y w o r d sc o k ed r 吼；g e n 硝c 以9 0 r i n 皿；r e l i a b i l 毋；对s ke v a l u a t i o n n 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 延迟焦化装置是炼油厂处理重质油的重要装置之一，在国外已有7 0 年的发展历 史，我国从6 0 年代开始使用延迟焦化装置。由于延迟焦化技术具有把价值低的劣质 油转化成价值较高的汽油和中馏分油，装置投资少，操作费用低，效率高的特点，对 提高炼油厂的经济效益具有重要的意义。焦炭塔是该装置中的关键设备之一，由于延 迟焦化工艺的特点，使焦炭塔受到循环往复热载荷和压力载荷的作用，产生了下部筒 节鼓胀变形、局部鼓凸、焊缝开裂等现象，影响焦炭塔的安全长周期运行。 所谓装置长周期运行【1 1 ，是指通过延长装置运行周期，增加装置的有效生产时间， 多生产合格产品，同时又节约检修费用，减少停开工造成的直接和间接经济损失，提 高企业经济效益。在原油涨价和各种减利因素增加的情况下，延迟焦化装置实现安全 平稳的长周期运行，既可以减少检修费用，增加开工天数，又可以减少不必要的开支， 使企业增加经济效益，是企业在国内外市场竞争中的必由之路，也是企业降低生产成 本的一项重要措施。 因此，焦炭塔的可靠运行对于现代石化企业的安全生产起着至关重要的作用。为 确保焦炭塔装置的长周期安全运行，提高经济效益。分析焦炭塔的失效机理，针对其 失效模式计算其失效可能性和失效后果，得出风险等级，采取有效措施降低焦炭塔的 风险是非常重要的。： 1 2 风险评价 1 2 1 风险评价概述 风险评价是风险工程学的重要组成部分，是针对具有危险源发生的概率和可能造 成后果的严重程度、性质等进行定性或定量的风险评价【2 】。它在估计系统发生严重事 故的同时，分析了事故发生的原因和造成的后果，全面反映出系统的安全性。风险分 析和评价技术的实施，在减少事故发生，保证生产长周期、安全运行的同时，也起到 了保护资源与环境的作用，随着地球资源日益紧缺，风险分析和风险评价的意义将更 为突出。进行风险评价时，一般情况分五个步骤完成，即风险辨识、风险分析、风险 第1 章绪论 评价、风险控制和风险管理。 风险辨识就是辨识潜在的各种危险因素、可能存在的危险事件、可能发生的事故 类型、事故发生原因和机制等，为风险分析提供必须的信息，是进行风险评价和风险 控制的前提和基础。 风险分析包括可能引起多种危害的定义以及与该种危害有关风险的估计【3 】。其任 务一般是失效原因分析、失效机理的探索和寻求主要影响因素和对失效后果进行估计 【4 】。它主要用于确定分析范围、找出风险、分析风险，估计风险发生的可能性以及由 风险而引起的系统潜在的损失，是对不确定事件所引起的潜在损失进行定量或定性的 测量，主要的分析方法有定性分析和定量分析。 风险评价是针对具体危险源发生的概率和可能造成后果的严重程度、性质等进行 定量的评价，它涉及工程系统或装置的个性问题【4 1 。它在分析事故发生可能性和事故 后果的基础上，评价风险程度的大小，确定危险源以及系统的危险等级。 风险控制是通过对风险的辨识、评估、控制和转移，以最小的费用获得最大收益 ( 或最大安全保障) 的管理方法【副。它可以帮助企业对潜在风险做出科学分析，做出 成本和效益的分析，以降低风险所导致的各种损失，节约费用的同时，也能获得较大 的安全保障。风险识别和评价后，对在可接受风险范围内的装置，建立监测措施，防 止该部分装置的风险随生产条件的变化而增大；对具有较高风险的设备，应通过制定 风险消除措施，降低危险源对系统的影响程度，从而降低系统的风险等级。对危险性 较高的、不可排除的风险，应做出进一步分析，寻求降低风险的途径，将其控制在可 接受范围内。 风险管理是依据风险评价的结果，结合各种经济、社会及其它有关因素对风险进 行管理决策并采取相应控制措施的过程【6 】。其目标是在风险排序的基础上，对控制风 险的技术措施进行损一益分析，进而对控制风险所采取的措施进行决策，并对其控制 效果进行评价做出相应调整，从而尽可能地减少风险的经济损失。 1 2 2 国内外研究现状 风险评价技术最早应用于金融、保险、投资等领域，是经济学的一项决策技术【7 】， 产业革命后工业过程中重大事故的不断发生推动了风险评价工作的开展【q 。2 0 世纪 7 0 年代，随着核电技术的迅速发展，公众对核电站的安全性要求越来越高，促使风 险评价技术在该领域的研究迅速兴起。 2 硕士学位论文 1 9 7 2 年，受美国总统委托，麻省理工学院n i 己嬲m u s s e n 教授等1 4 名专家用两年 时间，耗资近3 0 0 万美元，完成了核电站风险评估【8 】。1 9 7 4 年，美国原子能委员会发 布了r a s 删l s s e i l 报告，即反应堆安全研究：美国商用核电站风险评估( r e 砒r s 砾舸 s t u d y ： a na s s e s s m e n to fa c c i d e n t 慰s ki nu s c o m m e r c i a ln u c l e 盯p o w e rp l 粕t s ， w a s h - 1 4 0 0 ) 。该报告中所使用的事件树、故障树、频率分析和后果分析等方法和概 念是现代安全与风险分析的基础，也奠定了概率风险分析方法在现代风险评估中的主 导地位。自此，概率风险评价技术广泛应用于核工业领域，随后在航空、航天、石化、 压力容器、交通等工业领域里推广应用1 7 】。 另外，除概率风险评估外，在化工行业中还发展了指数法风险评估方法【9 】。1 9 6 4 年美国道化学公司首先开创了化工生产危险度量安全评估的先河；1 9 6 6 、1 9 7 2 、1 9 7 6 、 1 9 8 0 年先后修订发表了第二、三、四、五版，并于1 9 8 7 年提出了第六版：于1 9 9 4 年提出了第七版。道化学公司的火灾爆炸指数法在世界上推出后，各国竞相研制，推 动了这项技术的发展，在它的基础上提出了一些不同的评价法。如英国帝国化学公司 蒙德分公司吸收了道化学公司评估方法的优点，于1 9 7 6 年推出了“m o n d 评价法； 同时，日本劳动协会提出了“六阶段评估法”，俄罗斯化工行业也研制了一些危险评 价法，等等。这些评价法均为指数法，至今仍在发展之中，主要是针对化工行业风险 的评估【l o 】。 随着风险评价技术的发展，到2 0 世纪9 0 年代欧美等发达国家开始基于风险检验 技术( 硒s k - b a s e di n s p e c t i o n ，r b i ) 的研究，编制了一些规范和标准，如美国石油学会 ( a m 嘶c a l lp e 仃o l e 姗i i l s t i t u t e ，a p i ) 颁布的基于风险检验规范，a p l 5 8 1 【l l 】、美国 机械工程师学会的管线完整性管理系统，a s m eb 3 1 8 s 【1 2 】、以及机械完整性风 险管理系统f 1 3 】；法国b v 回( b i 瓜e a uv e t a s ) 公司的设备资产完整性管理( a s s e t h i t e g r i t ) rm a i l a g e m e 吐削m ) 方法和r b - e y e 软件等。亚洲的韩国、新加坡等国家也 相继将i m i 技术应用于石油化工领域【1 4 1 。 我国于八十年代初期开始风险分析与评价的研究工作。1 9 8 1 年，原劳动人事部 组织人员进行安全评价的研究工作【1 5 】；1 9 8 8 年，原机械电子工业部颁布了机械工 厂安全评价标准【1 6 】；1 9 9 0 年，贵州省冶金防护研究所联合完成了工业企业安全 性评价全面安全管理的事故隐患评价法【1 7 1 ；1 9 9 2 年，原化工部制订了化工厂 危险程度分级方法嗍；1 9 9 5 年，原劳动部、北京理工大学完成易燃、易爆、有 重大危险源的安全评价技术f 1 9 】；1 9 9 6 年，中国石油天然气总公司炼化局提出炼 3 一 第l 章绪论 油( 化工) 厂安全性综合评价办法【2 0 】；2 0 0 2 年我国安全生产法颁布并实施， 这更将促进我国风险评价等工作的开展【2 1 1 。 与此同时，我国的一些科研院校、企业也相继开展了风险分析研究工作。北方交 通大学、南京工业大学、武汉环保院、鞍山钢铁公司等提出了一些有价值的风险评价 理论及方法，如指数法、模糊综合评判法、概率法、安全检查表等。计算机数据库、 安全控制理论等也得到了应用。 随着理论研究的逐步深入，风险评价技术在工程应用方面也进行着探索。例如南 京工业大学戴树和教授提出风险评价的概念并将其运用到压力容器与管道方面【2 2 捌； 鞍钢化工总厂对精苯系统的风险测评：油气长输管线的定量风险评估【2 5 】：海洋平 台定量风险评价口6 j 等。 目前我国对安全风险分析的研究方兴未艾，科研院所及有关企业正进行深层次的 探讨研究，以便更准确地对本领域的系统进行定性、定量安全风险分析与评价。 1 2 3 风险评价方法 风险评价是对事故发生的可能性以及事故后果的严重程度进行评价。根据其评价 结果的类型可将风险评价方法分为：定性评价和定量评价两种方法。 ( 1 ) 定性风险评价 定性风险评价( q u a l i t a t i v er i s ka s s e s s m e n t ) 由于其操作简单、直观、容易 掌握，并且只需要较少的数据，就可以对生产工艺、化工设备、防范措施、环境、资 产管理以及人员配置等多方面做出定性分析，从主观角度对风险进行排序，因此是风 险评价者在风险评价初期通常采用的评价方法。定性评价主要依据专家经验对评价对 象进行风险分析，常用的方法有【2 7 1 ：安全检查表( s c l ) 、预危险分析法( p h a ) 、危险 可操作性研究( h a z o p ) 、故障类型和影响分析法( f m e a ) 以及基于风险检验( r b i ) 的定性风险分析法。 定性风险评价一般适用于装置或系统的筛选评价，由于其评价结果很大程度上依 赖于专家的经验，对事故发生的可能性和事故后果的严重程度不能做出量化，因此， 进行定性风险评价了解相对风险等级后，需进一步进行定量的风险分析。 ( 2 ) 定量风险评价 定量风险评价( q u a n t i t a t i v er i s ka s s e s s m e n t ) 也称为概率风险评价( p r a ) ， 是在定性评价的基础上，对系统或设备失效概率和失效后果的严重程度进行评价的方 4 硕士学位论文 法，它能够从数量上说明被评对象的危险等级，精确地描述系统的危险性，因此在风 。 险评价中得到广泛应用。定量风险评价根据危险性量化方法的不同，可分为火灾爆炸 危险指数法、故障树分析法、事件树分析法、故障类型和影响分析法以及基于风险检 验( r b i ) 的定量风险分析法。目前，基于a p l 5 8 1 的r b l 分析技术在国内外得到了广 泛的应用。 基于r b i 的定量风险评价是一个复杂的过程，是用具体数值来量化装置风险的 一种评价方法，它从失效可能性和失效后果两方面进行分析，得出设备的风险等级， 如图卜1 所示。 x 失效后果( c o f ) 概率 图卜1 风险分析 f i g 1 - lr s k 锄a l y s i s 1 3 课题的工程背景 1 3 1 焦炭塔服役现状 焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置中的重要设备，其主要用途是在石化炼油企业生产 的最后一个环节，使重油在经过一系列的馏分反应过程之后，最后在焦炭塔中进行焦 化反应而生产焦炭。焦炭塔一般为板焊结构的薄壁塔式容器，它是一种处于温度和载 荷同时做周期性变化的高温设备，塔内壁温度变化约为3 0 4 6 0 ，塔外壁温度变化 约为3 0 4 3 0 ，在4 7 0 的操作温度下，每4 8 h 进行1 次从常温至操作温度的循环， 反复进行加压和卸压，压力周期波动为0 o 2 5 m p a 。除焦时高压水对塔壁有猛烈冲 5 第l 章绪论 击，从上往下钻孔，再从下往上除焦，塔呈头重脚轻的受力状态；塔上段为泡沫段， 其空塔高达6 7 m ；塔内反应是一个从液态进料到吹汽冷却变成固态焦炭的相变过 程。由此可见，焦炭塔的操作条件是十分苛刻的。焦炭塔的生产周期时间分布及温度 分布如表1 1 所示。- 。 衾1 14 8 小时焦炭塔生产周期时间分配及温度分布【2 8 】 t a b 1 - lt c m p e 咖r ed i s t r j b u t i o nf o r4 8h o u r sc y c l e 1 3 2 焦炭塔存在的问题 在延迟焦化装置的作业过程中，由于焦炭塔的作业工况苛刻，受力状况十分复杂， 经受着高温常温的热循环过程，致使焦炭塔在运行若干年后存在以下几方面的问题。 焦炭塔的开裂 焦炭塔的摆动、倾斜和弯曲 焦炭塔的塔体变形 塔壁的局部凹凸变形、简体的鼓胀变形、简体的葫芦状变形和筒体横截面的蛋形 或椭圆形等非圆形变形 焦炭塔塔体焊缝开裂、裙座焊缝开裂、简体的环缝及锥体焊缝裂纹、接管焊缝开 裂等 焦炭塔的跳动 焦炭塔材质劣化 6 硕士学位论文 。 以上所述焦炭塔的这些缺陷，严重影响焦炭塔的安全运行，带来的经济损失是相 ”当可观的。 一 ： 1 3 3 国内外研究现状及其发展趋势 ( 1 ) 国外失效案例 7 0 年代以前，美国焦炭塔常出事故，因此美国石油协会分别于1 9 8 6 年和1 9 7 9 年对焦炭塔的破裂情况进行了考察。考察结论是：不论是合金钢塔还是碳钢塔，都有 鼓凸变形和开裂现象，当壳体发生破裂时，碳钢塔显示比碳钼钢更严重的鼓凸，有一 台碳钢塔，径向增长5 寸。 1 9 9 6 年美国石油学会( a p i ) 对5 4 座焦炭塔的调查结果【2 9 】：筒节鼓胀占6 1 ；塔体 环焊缝开裂占9 7 ( 主要发生在下端盖以上第3 、4 、5 环焊缝上) ；裙座开裂占7 8 。 ( 2 ) 国内失效案例 延迟焦化装置中的焦炭塔是炼油厂中的重要设备之一，在国外已有半个世纪的发 展历史。我国从6 0 年代开始投产使用延迟焦化装置。目前，中国石化总公司所属的 炼油厂共拥有1 2 套延迟焦化装置【3 0 】。国内除了近年来新建的塔以外，大部分焦炭塔 都处于超期服役状态，在常年累月的循环热应力的作用下，不可避免的都出现了筒体 鼓胀变形和焊缝裂纹等缺陷。 表1 2 国内焦炭塔变形情况【3 u t a b 1 。2d i s t o n i o nc a s e so fn a t i o n a lc o k ed r u m s 7 第1 章绪论 石油二厂裂纹长1 5 0 0 姗 3 号全部开裂，塔体下沉 胜利炼油厂8 0 7 衄，向西倾3 9 5 咖 4 号塔裂纹长6 9 7 0 删 内、外焊缝开裂，垂 直焊缝向母材延伸 内开裂，垂直焊缝向 四个塔东侧塔顶立柱 母材延伸，长3 0 一 的底板与塔壁焊缝全 2 0 0 咖，宽0 2 一 部开裂 0 5 m m 2 号塔裙裂开长4 0 6 0 衄顶钻焦口加强板开 外加强板周向开裂， 南京炼油厂 l 号塔裙裂开长1 9 2 0 聊 裂。顶立柱连接板开 内壁横裂 3 号塔裙裂开长1 5 4 2 衄裂 贯穿裂纹2 5 0 衄，外壁长 独山子炼油厂1 8 8 0 咖，泄漏总长8 条， 3 6 7 0 m m 贯穿裂纹6 0 咖，另7 条开裙座裂纹补焊后，又 茂名炼油厂 裂，总长6 8 0 0 册 有新的裂纹产生 荆门炼油厂裂纹长4 0 0 m m 。 项立柱连接板开裂 乌鲁木齐炼油厂未发现裂纹未发现裂纹 1 号塔严重，总长9 4 6 7 衄，外壁：周向开裂 大庆炼油厂立柱支撑板开裂 最长一条3 4 0 0 衄 内壁：横裂 ( 3 ) 焦炭塔的研究现状概述 鉴于焦炭塔在石油化工行业中的重要作用。国内外对焦炭塔的研究都十分重视。 纵观国内外对焦炭塔的研究，其内容主要集中在焦炭塔失效形式及故障机理【3 2 硼、焦 炭塔变化温度场及其应力分布的计算方法【3 & 4 、延迟焦化装置焦炭塔的热损伤机理 f 4 2 】、运行过程中的安全可靠性分析【4 3 4 5 1 、以及剩余寿命评估【拍】等一些方面。下面简 略加以介绍。 国内外对焦炭塔失效形式缺陷机理等方面的研究已经开展了多年，积累了大量的 g 硕士学位论文 经验。人们根据焦炭塔的使用经验，焦炭塔在使用过程中，普遍存在着塔体鼓凸变形、 裙座焊缝开裂、塔体环焊缝和堵焦阀接管部位出现裂纹等常见故障。8 0 年代中期， 国内过关使用单位和科研单位合作，就焦炭塔的变形开裂机理进行了初步分析，取得 了一定的理论研究成果。如北京航空部6 2 1 所和南京炼油厂合作，使用高温强度理论 来研究焦炭塔的塔体变形及焊缝开裂问题，得出塔体变形失效原因有蠕变、低周疲劳 及热应力而导致最终断裂等造成。 研究人员根据焦炭塔实际操作条件，通过使用动态坐标建立塔壁二维温度模型方 法，计算了焦炭塔塔壁的径向温差和轴向温度梯度，进而计算出其产生的应力【4 7 1 。根 据焦炭塔的进料口结构和流体力学理论分析了介质进塔过程的流态，建立了焦炭塔周 向温度场模型及其理论，研究了焦炭塔在外载荷与温度耦合作用下应力及其寿命分析 方法【4 8 】。这些理论和方法对于分析焦炭塔的失效缺陷结构设计，寿命评估都有重要作 用。 为了使焦炭塔能够安全运行，提高经济效益，防止事故发生，开展对焦炭塔失效 形式的研究，分析其继续运行的安全性与可靠性，对每台焦炭塔来说都十分重要。中 国石油化工总公司对焦炭塔运行的安全可靠性十分重视，经常举办关于焦炭塔安全可 靠运行方面的学术交流会议。本文将在此基础上分析焦炭塔失效机理，确定其失效模 式，为焦炭塔的定量风险分析提供依据。 1 4 本课题的研究意义 焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置中的关键设备，由于生产工艺的要求，焦炭塔的操 作条件特别苛刻，其生产工艺过程为升温一进油结焦一冷却一出焦，每一生产周期需 经历一个冷热循环过程，交替变化，造成塔体鼓凸变形，裙座焊缝、塔体环焊缝和堵 焦阀接管部位开裂等问题，影响焦炭塔的安全长周期运行。为此，国内外开展了大量 的试验、研究和分析工作，主要工作集中在对焦炭塔失效案例的分析，失效原因的探 讨，焦炭塔温度场和应力分析以及焦炭塔失效防止措施的研究。目前，还没有对焦炭 塔定量风险评价方面的研究，因此本文将开展这方面的研究，针对其风险水平，找出 薄弱环节，采取有效的防范措施，进行风险控制与管理，使焦炭塔达到长周期运行的 目的。 9 第1 章绪论 1 - 5 本课题的研究内容 本课题的研究对象是炼油厂的焦炭塔。研究的主要内容是：首先按结构型式 将该焦炭塔分为上封头、下封头、简体及裙座，然后按壁厚将筒体进行划分，分成若 干个截面，分别进行设计条件下的可靠性分析。针对焦炭塔各个部位的失效机理，确 定其失效模式，建立相应的极限状态方程，以便进行失效概率的预测，确定失效可能 性等级。最后进行失效后果的计算，确定失效后果等级，利用a p l 5 8 l 中的风险矩阵， 确定该焦炭塔各部分的风险等级。提出针对性的方案，降低焦炭塔的风险水平，达到 该装置长周期运行的目的。 参考文献 【l 】陶运良，吴继梅延迟焦化装置长周期运行的措施及设想闭化学工业与工程技 术，2 0 0 2 ，2 3 ( 6 ) ：4 4 【2 】杨林娟，沈士明工业风险分析与评价方法综述( 一) 明压力容器，2 0 0 5 ，2 2 ( 7 ) ： 4 5 4 9 ，5 6 【3 】周丹，y a d i n ，d ，朱晓纬基于风险评价的设备管理 j 中国医院管理，2 0 0 0 ， 2 0 ( 9 ) ：4 2 - 4 3 【4 】戴树和风险分析技术( 二) 典型装置上的工程应用 j 】压力容器，2 0 0 2 ， ( 0 3 ) ：1 6 【5 】吕刚企业风险管理阴石油化工技术经济，1 9 9 8 ，( 0 3 ) ：3 3 _ 4 0 【6 】汪晶风险评估技术的原理与发展叨环境科学，1 9 9 8 ，1 9 ：9 5 9 6 7 】h e l r b i c hj b o 魅h o r cp 耻l i n ed e s 洒e l 锄e 幽m n e wy o r k ：恹c hd e l 沁r 跗c ，1 9 8 1 【8 】约翰b 赫比希海底管线的设计原理【嗍北京：石油工业出版社，1 9 8 8 【9 】夏兰廷，黄桂桥，张三平，等金属材料的海洋腐蚀与防护 m 】北京：冶金工业 出版社，2 0 0 3 【1 0 】杨筱蘅油气管道安全工程 m 】北京：中国石化出版社，2 0 0 5 【1 1 】马良海底油气管道工程 m 】北京：海洋出版社，1 9 8 7 【1 2 】芬克fw ，博伊德wk 海洋环境中金属的腐蚀 m 】北京：科学出版社，1 9 7 6 1 0 项士擘位论文 【1 3 】陆玲，陈国明，戴扬水下结构物表面缺陷的自动检测与识别叨计算机测量与 控制，2 0 0 4 ，1 2 ( 1 2 ) ：1 1 2 5 “4 7 。 1 4 】曲文卿，张彦华等油气管道缺陷评定方法的发展叨油气储运，2 0 0 2 ，2 1 ( 7 ) ： 3 8 。 【1 5 】沈士明，周剑伙，朱利洪压力管道缺陷评定方法的现状与发展【j 】南京化工大 学学报，1 9 9 9 ，2 l ( 1 ) ：俸7 8 【1 6 】沈士明，赵建平压力管道安全评定技术的进展 j 】压力容器，1 9 9 9 ，6 ：5 8 6 【1 7 】陈国华结构完整性评估【m 】北京：科学出版社，2 0 0 2 18 】武淮生结构完整性概率r 6 评定方法的研究 d 】北京：北京航空航天大学， 1 9 9 6 【1 9 】陈国华结构完整性评定技术进展与展望川石油化工技术设备，2 0 0 l ，2 2 ( 6 ) ： l 5 【2 0 】李淑欣油气长输管道剩余强度评价研究p 】兰州：兰州理工大学，2 0 0 3 【21 】m i l n ci ，a i 蜘，0 r mr a ，d o w l i n ga 民e t c a s s e s 锄e n to f m ei n t e 鳓ro fs t r u c t u r e s c o n t a 嘶n gd e f - e c t s 四i n t e m a t i o n a lj o 嘲lo f p r e s s u r ev r e s s e l sa n dp i p i n g ，1 9 9 8 ，3 2 ( 1 4 ) ： 3 1 0 4 【2 2 】b s ib s 7 9 1 0 一l9 9 9 g u i d eo nm e t h o d sf o ra s s e s s i n gt h ea c c 印t a b i l i 够o ff l 鲫v si n m e t a l l i cs t r u c t u r e s 【s 】 2 3 】s t e p h e nw ，a d 锄b s t r u c t u r a li n t e 西t ya s s e s s m e n tp r o c e d u r ef o re u r o p e o fm e s 玳t 仙p r o 鲫姗eo v e i e w j 】f r i l ei n t e m a t i o n a l b u n l a lo f p r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p i i l g ， 2 0 0 0 ，7 7 ( 1 4 一1 5 ) ：8 5 5 8 6 7 【2 4 】a p i5 7 9 r e c o m m e n d e dp m c t i c ef o rf i n l e s s - f o r - s e n ，i c e 【s 】 【2 5 】周剑秋，沈士明失效评定图在含缺陷压力管道断裂评定中的应用阴化工机 械，1 9 9 7 ，2 4 ( 2 ) ：8 8 9 1 【2 6 】c v d a 1 9 8 4 压力容器在役评定规范【s 】 【2 7 】鼬a nfi ，a b b a s isa 融h n i q u e s 锄dm e 也o d 0 1 0 西e sf o r 斑s ka n a l y s i si nc h 础c a l p r o c e s si n d u s t r i e s 田j o 衄1 a 1o fl o s sp r e l 嘲l t i o ni n 廿1 ep r 0 c e s si n d u s t r i e s ，19 9 8 b ，1 1 ， 2 6 1 2 7 7 2 8 】谭奥，陈柏暖防止焦炭塔失效的若干措施忉化工装备技术，2 0 0 3 ，2 4 ( 5 ) ：3 6 3 7 【2 9 】l e s l i e pa n t a l 厨咖1 h m o v a t i o 璐i nd e l a y c dc o k i i l gc o k ed n 珊d e s i 盟p v p 1 1 第1 章绪论 v b l 3 8 8 a s 卫以e ，1 9 9 9 ：2 0 7 2l 7 【3 0 】张文孝等焦炭塔的热机械疲劳剩余寿命分析 j 】压力容器，1 9 9 5 ，1 2 ( 1 ) ：6 9 7 3 【3 l 】吕运容焦炭塔筒体变形及焊缝开裂机理研究【d 】广州：华南理工大学，2 0 0 1 【3 2 】陈孙艺焦炭塔防变形设计骤冷因数失效分析 j 】：化工装备技术，1 9 9 8 ，1 9 ( 3 ) ： 1 4 1 7 【3 3 】陈吉成防止焦炭塔简体“糖葫芦变形 的方法阴炼油，1 9 9 8 ，( 3 1 ) ：5 9 6 3 【3 4 】林建鸿，陈孙艺，魏学安焦炭塔变形防治对策的研究总结报告 r 】上海：华东理 工大学化工机械研究所，1 9 9 7 【3 5 】陈孙艺焦炭塔防变形设计的数值分析方法及应用阴石油机械，2 0 0 3 ，3 1 ( 1 0 ) ： 2 9 3 2 3 6 】长岭炼油化工厂延迟焦化装置焦炭塔出现失效问题的分析和处理中的认识( 内 部资料) 【3 7 】朱永安，王瑶j 刘人怀支座位置上移对焦炭塔塔体变形的影响暨南大学学报( 自 然科学版) ，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：1 2 3 1 2 6 【3 8 】陈孙艺，林建鸿，吴东棣等焦炭塔塔壁温度场特性的研究( 一) 塔壁二维瞬 态温度场及弹塑性有限元计算分析阴压力容器，2 0 0 1 ，1 8 ( 5 ) ：1 7 1 8 3 9 】陈孙艺，林建鸿，吴东棣等焦炭塔塔壁温度场特性的研究( 二) 周向温度场 模型及其实测分析【j 】压力容器，2 0 0 1 ，1 8 ( 5 ) ：5 9 【4 0 】陈孙艺等焦炭塔塔壁温度场特性的研究( 三) 周向温差对塔体垂直度的影响 j 】压力容器，2 0 0 l ，1 8 ( 6 ) ：8 1 1 【4 1 】陈孙艺等焦炭塔塔壁温度场特性的研究( 四) 周向温差对非圆形变形的影响 叨压力容器，2 0 0 2 ，1 9 ( 1 ) ：6 8 【4 2 】陈吉成焦炭塔筒体的鼓胀变形及其防止方法阴石油化工设备j1 9 9 8 ，2 7 ( 3 ) ： 4 9 5 1 【4 3 】王正，游进，王磊，张西义，吕胜杰，任迅焦炭塔瞬态传热过程的数值模拟及 应力特性分析【j 】压力容器，2 0 0 5 ，2 2 ( 1 0 ) ：2 3 2 7 【4 4 】清华大学工程力学系长岭炼油化工延迟焦化装置焦炭【t 2 0 2 】应力场有限元计算 报告 r 】北京：清华大学，1 9 9 3 【4 5 】长岭炼油化工厂长岭炼油化工延迟焦化装置焦炭 ，r 2 0 2 】焦炭塔安全性分析及寿 命评估报告 1 2 硕士学位论文 【4 6 】傅继阳，王瑶，刘人怀，徐加初基于改进b p 神经网络的焦炭塔热机械疲劳剩 余寿命预测川压力容器，2 0 0 5 ，2 2 ( 5 ) ：4 7 【4 7 】陈孙艺焦炭塔的变化温度场及其应力分析明石油化工设备，1 9 9 6 ，2 5 ( 5 ) ： 1 1 2 5 【4 8 】蒋朝阳延迟焦化装置一焦炭塔的安全分析与寿命评估【d 】大连：大连理工大学， 2 0 0 3 1 3 第2 章可靠度计算方法一遗传算法的应用 第2 章可靠度计算方法一遗传算法的应用 。 。 ， 在可靠度分析中，目前常用的方法有一次二阶矩法( f i r s to r d e rs e c o n dm o r n e 咄 f o s m ) 、j c 法、几何法等。这些方法对于极限状态方程是线性的，各随机变量服从 正态分布，得到的可靠度指标和设计验算点是精确的，否则就要采用线性化和当量正 态化等方法，结果是近似的，甚至还会出现不收敛现象。鉴于此，一些学者开始寻求 其他的数值方法。定量风险评价中失效可能性计算涉及各种设备失效机理，如腐蚀减 薄、应力腐蚀开裂、外部损伤、高温氢腐蚀及脆性断裂等等。而任何模式的失效都依 赖于相应的输入随机变量，如最大工作压力、最大缺陷尺寸、屈服强度或者断裂韧度 等，这些变量的分布形式各异。不同模式的失效常用极限状态函数少俐来表示，用y 御 及其联合密度函数计算失效概率常常比较困难。因此，在用j ，俐描述的失效模式确定 失效概率时，常采用一次二阶矩法来预测设备的失效概率。一次二阶矩法对于极限状 态方程是线性的、且各随机变量服从正态分布时，得到的可靠性指标和设计验算点是 精确的。而对于非正态变量和非极限状态方程，计算结果存在一定的误差，因此，本 文尝试采用遗传算法计算设备失效概率。 2 1 可靠度的基本定义 可靠度指的是系统装置或零部件在规定时间内能够完成规定功能的概率，其值在 0 ，1 之间，记作r ( t ) 。规定的时间是指设计使用年限，即结构或构件不需要大修即 可按其预定目的的使用时间；规定的条件为“三个正常 ，即正常设计、正常施工和 正常使用；预定功能即安全性、适用性和耐久性。 2 2 可靠度指标 r 夕为可靠度指数，它的表达式为 夕2 告2 嚣 q 山 o y _ o ：+ o ： 它是基于当时应力i 强度服从正态分布时推导出的一个参量。 当服从对数正态分布时，表达式为： 硕士学位论文 。2 告2 嚣 o y 0 c ：+ c ： 又尺( ，) = 1 一( 一) = 中) ( 2 3 ) 弓= 9 ( _ ) ( 2 4 ) 由以上四个式子可知，是结构可靠度或失效概率的量度。对于某一固定的概率 密度函数) 而言，值越大，( 一) 越小，也就是结构具有更大的可靠度。 可靠度指数被用作衡量结构的可靠程度，在国外已在反应堆海上采油平台等结 构设计中应用。美国国家标准局制定的有关标准，以及其他国家颁布的标准f 1 】中，根 据不同的材料和结构，对卢提出了建议数值。我国的建筑结构设计同一标准等文 件中也采用了以可靠度指数作为结构可靠度的度量尺度。 2 3 可靠度计算方法 结构可靠度的计算方法是可靠度理论中的一个重要内容，它涉及到结构可靠度理 论在工程实际中的应用，以及结构的安全性和可靠性的正确评价。可靠度的计算方法 从研究的对象来说可分为点可靠度计算方法和体系可靠度计算方法。由于可靠度研究 本身的复杂性，目前对结构体系可靠度的研究还不很成熟，仍处于探索阶段，而结构 点可靠度的计算方法已较成熟。主要有一次二阶矩法、高次高阶矩法、响应面法、帕 罗黑莫法、蒙特卡罗法及随机有限元法等。 2 3 1 一次二阶矩法 在实际工程中，占主流的一次二阶矩法应用相当广泛，已成为国际上结构可靠度 分析和计算的基本方法。其要点是非正态随机变量的正态转换及非线性功能函数的线 性化。由于将非线性