（安全技术及工程专业论文）浮头式换热器失效分析及安全对策.pdf

浮头式换热器失效分析及安全对策 a b s t r a c t f 1 0 a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r i su s e da t1 a r g ei nt h ep e t r o l e u mi n d u s t r y a n dc h e m i c a lp l a n t t h eq u a l i t yo ft h eh e a te x c h a n g e ra f f e c t sd i r e c tt h e s a f e t ya n de c o n o m yb e n e f i to ft h ep e t r o l e u mi n d u s t r ya n dc h e m i c a lp l a n t a tp r e s e n t ，t h e f l o a t i n g h e a dh e a t e x c h a n g e r s f a u l tc a u s e db yv a r i o u s m a t t e r sh a sb r o u g h to nt h em a t e “a 1w a s t e ，a n dp o l 王u t e dt h ee n v i r o n m e n t a t t h es a m et i m e ，f a u l t sh a v ea f f e c t e dt h ep r o g r e s so ft h ee q u i p m e n ta n dt h e e c o n o m yb e n e f i t t h e r e o r e ，t h ef a i l u r eo ff l o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e rc a n n o tb en e g l e c t e di nt h em a n u f a c t u r e a p p l y i n g t of a u l ta n a l y s i s ，t h ep a p e ra d o p t sm o s t l ym e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i sa n dw r e c k a g ea n a l y s i st o f i n do u tb a s i cc a u s e so ff l o a t i n gh e a d h e a t e x c h a n g e r s ， f r o m d e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，s e t t i n g ，o p e r a t i n g ， e x a m i n i n ga n dr e p a i r i n g ， a n ds oo n t h u s ，t h ef a u l tt r e eh a sb e e nb u i l t o b j e c t i v e l yb yl i s t i n gb a s i cc a u s e s ，a n d ，t h ep a p e rh a sf o u n do u tt h em a i n f a u l t so ff l o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r sb yq u a l i t a t i v ea n a l y s i s a c c o r d i n g t ot h er e s u l to f q u a l i t a t i v ea n a l y s i s ， s o m ep e r t i n e n t m e a s u r e sw i l lb ea d o p t e d ，a n ds a f e t yc h e c kt a b l ea n ds a f e t yc o n t r o ls y s t e m w i l lb eb u i l t ，w h i c hw i l lo f f e rt h eb a s i so ff l o a t i n gh e a de x c h a n g e r s r u n n i n g m a i n t e n a n c ea n dr u n n i n gn o r m a l l y a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i s ，t h ed e s i g n e rw i l lf i n do u tt h es y s t e m w e a k n e s sa n df o c u st h e r eb a s i ce v e n t sd u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，t h u st h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ff l o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r sw i l lb ei m p r o v e d e s s e n t i a l l yi nd e s i g np h a s e ，w h i c hi st h em a i np u r p o s eo ft h ep a p e r a tt h e s a m et i m e ，p e r f e c t i n gs a f e t yc h e c kt a b l ea n da d d i n ge m e r g e n c yp l a no f a c c i d e n tt os a f e t yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw i l lm a k et h es a f e t yc o n t r o ls y s t e m b eh i e r a r c h ya n dp e r t i n e n c e ，a c h i e v et h ea i mt oo p t i m i z i n gt h en o a t i n gh e a d e x c h a n g e r ，a n dd e c r e a s i n gt h ef a i l u r eo fn o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r s k e y w o r d s ：f l o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e r s ；f a u i tt r e e ；l e a k a g e ；f a i l u r e a n a l y s i s ；q u a l i t a t i v ea n a l y s i s ；e m e r g e n c yp l a no fa c c i d e n t ；m e t a l l u r g i c r e p i i c a n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：鸡为花 日期：沙a 眸石月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：c 1 5 埠月年日 日期：乃憎夕年，月如日 莓阮删 荔钉 名名签签 者师 作导 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 换热器是石油化工、化学工业、能源工业等生产领域中应用很广泛 的热量交换设备，尤其在炼油企业中，换热器更是其龙头装置一一常减压 装置的关键设备之一，它能否安全、连续、有效地运行，直接影响本装 置及后续装置的正常生产和经济效益。据石油化工设备损坏的统计资料， 在各类设备损坏的百分比中，换热器占的比例最高，为2 7 2 ，远远高于 占第2 位的塔、槽等设备总损坏的比例( 17 2 ) 。近年来，根据市场 需求和资源政策的导向，进口高含硫原油不断增加，国内生产原油的酸 值和含硫量也在上升。这类原油对设备的腐蚀，尤其是在役换热设备的 材质腐蚀非常普遍、严重，且难以控制，给装置的安全运行带来隐患。 主动采取措施，有计划地实施设备升级替换、改制再用，是保证装置安 全生产、提高企业竞争力，行之有效的措施。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、 石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。 在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的4 0 左右，占总投资的3o 4 5 。近年随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行 高温和低温热能回收带来了显着的经济效益。 目前，在换热器设备中，使用量最大的是管壳式换热器，约占换热 器设备量的7 0 【。管式换热器是一种传统的标准换热设备而在许多工业 部门得到保证。特点是适应性强、清洗方便、生产成本低、选材广。材 料一般为低碳钢、低合金钢以及不锈钢。 浮头式换热器是管壳式换热器的一种。由于浮头式换热器管束可以 抽出来，清洗方便，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不 会产生温差应力等优点，它的应用范围较广。 浮头式换热器广泛应用于石油、石化制药、食品等行业，由于管程 内外介质压力的不同、介质的腐蚀、冲刷、温度、焊接缺陷以及密封材 料的损坏，使得换热器故障不断，影响着生产装置的正常运行和工厂的 经济效益，造成了物料的浪费和环境的污染，已成为生产中不可忽视的 问题。 浮头式换热器失效分析及安全对策 1 2 课题的提出 浮头式换热器( 见图1 1 ) 是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖 等零部件组成。最大的特点是管束可以抽出来，管束在使用过程中由温 差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，其优点是：管束可以抽 出，以方便清洗管、壳程；介质问温差不受限制；可在高温、高压下 工作，一般温度小于等于4 5 0 ，压力小于等于6 4m p a ；可用于结垢比 较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。缺点是：小浮头易发生泄漏； 金属材料耗量大，成本要高出2 0 ；结构复杂。 f i g 1 1f i o a t i n gh e a dh e a te x c h a n g e rd i a g r a m 浮头式换热器两端管板只有一端管板与壳体固定，而另一端的管板 可以在壳体内自由移动，该端称为浮头。这类换热器壳体和管束对热膨 胀是自由的，故当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应 力。浮头端设计成可拆结构( 也有设计成不可拆的) 【2 】，使管束很容易 地插入或抽出，这样为检修、清洗提供了方便。 浮头式换热器腐蚀泄漏是主要的故障问题。第一，浮头式换热器适 用于管壳壁间温差较大的场合。因此，管程内外介质压力的不同，温差 热应力较大均会使管板承受较大的轴向载荷，产生弯曲变形，破坏狭窄 的密封面，造成介质的泄漏。第二，由于浮头式换热器清洗方便，它还 适用于易于腐蚀和易于结垢的场合，因此介质的腐蚀、冲刷，使壳程管 壁、管束管壁减薄、出现腐蚀坑，增加泄漏，降低设备寿命。并且，管 束和壳体的间隙较大，故有害旁流较严重，从而增加管束的振动，使得 壳程管壁、管束管壁减薄，增加泄漏。第三，由于浮头式换热器结构较 复杂，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以在安装时要特 别注意密封。第四，由于这类换热器结构复杂、笨重、材料耗量最大。 加工制造时如再遇上材料选择与工艺要求不符，加工制造中的焊接缺陷 等，这些均会使得设备密封性能降低，加速腐蚀泄漏。第五，操作过猛、 过快等不稳定操作，补充介质不及时等都会加剧管束振动，导致泄漏。 2 硕士学位论文 1 3 课题的研究意义和研究现状 通过比较系统全面的失效分析，优化浮头式换热器系统，为浮头式 换热器创造更好的运行条件，减少故障率。 有不少文献介绍了不同类型换热器的故障，但是针对浮头式的较少， 且没有运用事故树进行系统地分析总结，从而使得浮头式换热器故障不 断发生，面对每次发生的故障不能采取更有效的措施降低事故危害。 1 4 课题的理论依据和现有基础 1 4 1 失效分析 本文对浮头式换热器的失效分析，主要是( 1 ) 疲劳分析：压力的交 变引起突变的机械应力，温度的交变在某些情况下会引起交变的温差应 力；( 2 ) 腐蚀失效分析：换热器的腐蚀失效是指和介质接触的器壁受到 腐蚀介质的侵蚀而产生破坏。 失效树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，简称f t a ) 是安全系统工程的重 要分析方法，也称事故树或故障树分析。它是从一个可能的事故开始一 层一层地逐步寻找引起事故的触发事件、直接原因和间接原因，并分析 这些事故原因之间的相互逻辑关系，用逻辑树图把这些原因以及它们的 逻辑关系表示出来。失效树分析是一种演绎分析方法，即从结果分析原 因的分析方法。 1 4 2 现有的基础 浮头式换热器是管壳式换热器的一种，对管壳式换热器的分析研究 一般是如何采取高效传热，新材料的选择，以及焊接性能方面的内容。 但大都是从设计、制造、安装、使用等单个方面进行分析研究。没有针 对炼油厂这个特殊的环境，分析浮头式在可能发生事故时应如何采取有 效的措施，紧急避险，使事故不发生或降低事故的损失。 失效树在各个行业用于分析事故或进行危险预评等方面得到了广泛 的应用，但是针对炼油厂浮头式换热器进行全面分析的还没有。 1 5 课题的研究内容和创新之处 针对某炼油厂已报废的浮头式换热器，以及一些浮头式换热器事故， 采用失效分析查找导致浮头式换热器的普遍原因，然后采用基于可视化 的事故树分析程序对事故树编制和简单分析，并通过各个基本事件定性 分析，找出发生浮头式换热器故障的最小割集和避免事故发生的相应措 施。 浮头式换热器失效分析及安全对策 第2 章浮头式换热器的失效分析基础 产品丧失规定功能的现象称为失效。失效分析则是分析产品失效的 原因、研究采取补救和预防措施的技术和管理活动。广义的失效诊断应 该包括失效原因、失效模式和失效机理的诊断这三个层次。如果失效分 析是指事故后的分析，那么失效预测、安全评估、失效补救和失效预防 则是事先的分析。“事后的分析”要强调公正性、可行性和可靠性。“事后” 和“事先”相结合，统称为失效分析和预防。努力把“事后的分析”转变为“事 先的分析”则是广大失效分析工作者的重要任务之一。 失效分析在生产发展和技术进步中有重要作用。通过失效分析，可 以判明或预测发生失效、事故的原因，找出防范事故、提高产品质量与 可靠性的措施，避免同类事故的再次发生，保障生产安全及人民生命财 产安全，推动科技和社会进步。失效分析作为一门新兴学科、近年已越 来越受到社会各方面的关注。 2 1 失效分析的思路 失效分析在生产建设中极其重要，失效分析的限期往往要求很短， 分析结论要正确无误，改进措施要切实可行。导致零部件或系统失效的 因素往往很多，加之零部件相互间的受力情况很复杂，如果再考虑外界 条件的影响，这就使失效分析的任务更加繁重。此外，大多数失效分析 的关键性试样十分有限只容许一次取样、一次观察和测量。在分析程序 上走错一步，可能导致整个分析的失败。由此可见，如果分析之前没有 一条正确的分析思路，要能如期得出正确的结论几乎是不可能的【引。 2 1 1 失效分析的内涵 世界上任何事物都是可以被认识的，没有不可以认识的东西，只存 在尚未能够认识的东西，机械失效也不例外。实际上失效总有一个或长 或短的变化发展过程，机械的失效过程实质上是材料的累积损伤过程， 即材料发生物理的和化学的变化。而整个过程的演变是有条件的、有规 律的，也就是说有原因的。因此，机械失效的客观规律性是整个失效分 析的理论基础，也是失效分析思路的理论依据。 失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线，是在思想中以机 械失效的规律( 即宏观表象特征和微观过程机理) 为理论依据，把通过调 查、观察和实验获得的失效信息( 失效对象、失效现象、失效环境统称为 4 硕士学位论文 失效信息) 分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体综合考 察，以获取的客观事实为证据，全面应用推理的方法，来判断失效事件 的失效模式，并推断失效原因。因此，失效分析思路在整个失效分析过 程中一脉相承、前后呼应，自成思考体系，把失效分析的指导思路、推 理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体，从而达到失效分析的根本 目的。 失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程，结果和原因 具有双重性，因此，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也 可以从失效的某个过程入手。本文对浮头式换热器的失效分析主要从结 果入手。 2 1 2 失效分析的基础 对重大或恶性失效事件的失效分析常用的分析思路主要有残骸分析 法、统计分析法和系统分析法等。残骸分析法是失效分析工作者常用的 方法之一，而统计分析法和系统分析法则常被管理专家和安全工程工作 者所采用。 残骸分析法最主要的关键技术是寻找首先破坏件、断裂源的位置， 诊断失效模式，分析断裂原因和影响因素，以及失效事故的综合分析等。 寻找首先破坏件的主要方法有残骸拼凑法、断口法、裂纹法和痕迹法等。 找到首先破坏件后，下一步的关键是从首先破坏件上寻找断裂源的位置。 一般地说，寻找断裂源的位置可以从放射线的“发源”地、起始疲劳弧线 的“几何中心”位置、纤维区的“几何中心”位置等方面来加以判断。寻找断 裂源位置是诊断失效模式及分析失效原因的前提条件。 失效模式的分析诊断要根据先粗后细的原则进行。即先诊断是断裂 型的失效还是非断裂型的失、塑性断裂还是脆性断裂等大的类别，然后 再各自得类、目进一步分析诊断。对腐蚀模式的诊断主要从介质气氛、 裂纹特征和腐蚀产物分析等方面入手；磨损模式的诊断主要从摩擦条件、 磨屑特征、摩擦表面的特征等方面入手。 断裂模式的诊断主要从变形情况、碎片情况、材质情况、应力情况、 环境情况和断口裂纹的特征等方面入手。 归纳起来，引起失效的原因主要有：设计原因：结构不合理，工 作压力太大；材质原因一一性能不合格，缺陷超标；制造原因：工艺 不合理，尺寸不合格，表面质量差，残余应力过大；使用原因：违章 操作，工作参数控制不当，环境作用和影响；设备或材料老化：“老化”、 “退化”和超期服役。 在失效分析中不可只针对上述其中任一项做分析研究诊断。单项专 门的分析诊断是整个事故分析的基础，但只有单项的分析诊断是不够的， 5 浮头式换热器失效分析及安全对策 还必须对整个事故进行综合的分析诊断。综合分析的要点是：收集所 有的现象、特征和实验数据，进行归纳、筛选，去伪存真和由表及里。 采用“排除法”或“求证法”，逐渐缩小“怀疑”圈，必要时还要做若干补充 实验。根据初步的分析结论、失效的模拟试验、加速试验或工程试验， 进一步得到证实，并对预防或补救方法也有所设想。对存疑的问题进 行进一步的分析和在失效机理上做进一步的研究，并得出公正的、准确 地和科学的结论。 2 2 残骸分析法 残骸分析法是从物理、化学的角度对失效零件进行分析的方法。如 果认为零件的失效是由于零件广义的“失效抗力”小于广义的“应力”的缘 故，而“应力”则与零件的服役条件有关，因此，失效残骸分析法总是以 服役条件、断口特征和失效的抗力指标为线索的【3 】。 零件的服役条件大致可以划分为静载荷、动载荷和环境“载荷”。以 服役条件为线索就是要找到零件的服役条件与失效模式和失效原因之间 的内在联系。但是，实践表明，同一服役条件下，可能产生不同的失效 模式；同样，同一种失效模式，也可能在不同的服役条件下产生，因此， 以服役条件为线索进行失效残骸的失效分析，只是一种初步的“入门”方 法，它只能起到缩小分析范围的作用。 断口是断裂失效分析重要的证据，它是残骸分析中断裂信息的重要 来源之一。但是在一般情况下，断口分析必须辅以残骸失效抗力的分析， 才能对断裂的原因下确切的结论。以失效抗力指标为线索的失效分析思 路，关键是在搞清楚零件服役条件的基础上，通过残骸的断口分析和其 它理化分析，找到造成失效的主要失效抗力指标，并进一步研究这一主 要失效抗力指标与材料成分、组织和状态的关系。通过材料工艺变革， 提高这一主要的失效抗力指标，最后进行机械的台架模拟试验或直接进 行使用考验，达到预防失效的目的。 很明显，以失效抗力指标为线索的失效分析思路是一种材料工作者 常用的、比较综合的方法。它是工程材料开发、研究和推广使用的有效 方法之一。 值得指出的是，在不同的服役条件下，要求零件( 或材料) 具有不同 的失效抗力指标的实质是要求其强度与塑性、韧性之问应有合理的配合。 因此，研究零件( 或材料) 的强度、塑性( 或韧性) 等基本性能及它们之间 的合理配合与具体服役条件之间的关系就是这一思路的核心。而进一步 研究失效抗力指标与材料( 或零件) 的成分、组织、状态之间的关系是提 高其失效抗力的有效途径。 6 硕士学位论文 本文针对某炼油厂已报废的浮头式换热器，及2 0 0 6 年发生的两次事 故的残骸，采用残骸分析法进行分析、研究事故原因。 该换热器为1 回4 管程浮头式换热器，设备类别为二类，设备号为a e s 4 0 0 2 5 15 3 2 5 4 i ，换热器的工艺参数为： 设计压力：管程2 5 m p a ，壳程2 5 m p a ；设计温度：管程1o o ，壳 程2 0 0 ；操作压力：管程1 35 m p a ，壳程0 32 m p a ；操作温度：管程8 0 ， 壳程18 3 ；介质：管程加氢碳四，壳程1 o m p a 蒸汽凝结水。 换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀，固定管板与浮动管板均采 用16 m n r ，换热器管束选用较高级冷拔无缝钢管，折流板为左右排列， 缺圆方位均以靠近固定管板的第一块弓形折流板缺圆为准，依次错排。 该换热器采用钩圈式封头，垫片为缠绕垫。 2 3 金相分析法及应用实例 金相分析是研究金属及其合金内部组织及缺陷的主要方法之一，它 在金属材料研究领域中占有很重要的地位。利用金相显微镜在专门制备 的试样上放大10 0 15 0 0 倍来研究金属及合金组织的方法称为金相显微 分析法，它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。显微分析 可以研究金属及合金的组织与其化学成分的关系；可以确定各类合金材 料经过不同的加工及热处理后的显微组织；可以判别金属材料的质量优 劣，如各种非金属夹杂物一一氧化物、硫化物等在组织中的数量及分布情 况以及金属晶粒度的大小等。由于金相显微分析常常带有主观性，重现 性、精确性不高，图像分析仪以先进的电子光学和电子计算机技术代替 人眼观察和统计计算，可以迅速而准确地进行有统计意义的测定及数据 处理，一致性好，精度高，而且大大提高了工作效率。因此目前主要借 助图像分析仪已成为金相组织分析中不可缺少的手段【4 】。 锦州石化公司催化裂化装置油浆蒸汽发生器换热器，为浮头式换热 器。油浆换热器在投入使用半年多就发现管板封头处有多处裂纹。故障 处理小组从管板上分别切取金相试样，经磨光、抛光、侵蚀后，在金相 显微镜下对其焊缝热影响区、融合区及母材的显微组织进行了分析，对 裂纹形貌走向与显微组织的关系进行了分析【5 】。 7 浮头式换热器失效分析及安全对策 图2 1 管板上的裂纹形貌5 f i g 2 1 t h ec r a c ks u r f a c em o r p h o l o g yo ft u b ep l a t e 图2 2 管板材料的夹杂物10 0 x 【5 j f i g 2 2t h ei n c l u s i o no ft u b ep l a t em a t e r i a l s 图2 2 为管板材料的夹杂物。其中，铝硅酸盐的夹杂物等级为2 级， 呈细小球状均匀分散分布。氧化物夹杂的等级为4 级，呈粗大颗粒状均 匀分散分布；总的来说，管板材料的夹杂物等级为6 级，标准的夹杂物 等级为5 5 级。所以，此材料的夹杂物超标。并且管板材料未经锻造正火 缺陷等缺陷存在，从而降低了材料本身对应力腐蚀开裂的抵抗性。 瓣簿隧骥 硕士学位论文 图2 3 管板裂纹的穿晶形貌5 0 0 【5 】 f i g 2 3t r a n s g r a n u l a rm o r p h 0 1 0 9 yo ft u b ep l a t ec r a c k5 0 0 从图2 3 可看出，该管板裂纹形貌为树枝状分叉，且尾部尖锐，其 特征为典型的应力腐蚀裂纹特征。发生应力腐蚀有两个必要条件，一是 腐蚀介质，二是拉应力。腐蚀介质主要来源于壳程中的水和管程中的油 浆，壳程的水是工业用水，在高温下形成硫化氢。管程在发生泄漏后， 于壳程中水蒸汽形成硫化氢。 应力主要是工作应力和焊接残余应力。由于壳程中上部分是水蒸汽， 下部分是水，上下部分有一定的温差，使上下管束膨胀程度不一样，使 管束产生弯曲应力。并且此管板材料采用堆焊，焊接残余应力很大。由 于焊缝及热影响区存在淬硬倾向和焊接残余应力，且焊接残余应力和工 作应力是迭加的，在油浆中腐蚀介质的腐蚀下，导致了管板及管壳裂纹 的发生。 因此，通过残骸分析法，金相组织检测等一系列方法可以帮助调查 小组更快、更准确地找到发生故障或事故的根本原因，从而为设计、制 造、安装、使用等环节提供相应的措施，达到避免或减少事故的目的。 2 4 事故树的系统分析程序 事故树分析法在求解事故树顶上事件发生概率时，除建树以外，还 要运用塞曼德尔( se m a n d e r e s ) 法或富塞尔( f u s s e l l ) 法等求割集、最小割集 及不交化等，直到计算顶上事件发生的概率。在这些基本步骤中，当所 分析的事故树比较复杂时，计算量是巨大的，即产生所谓的“组合爆炸” 问题【6 1 。 对大型系统的安全分析，人们往往借助计算机进行辅助事故树分析， 其中事故树数据的输入是首要问题。传统的解决办法是输入事故树的字 符数据1 7j ，这种字符输入方法由于不直观，往往难以理解，且易出错， 数据输入量一般也比较大，这样就限制了采用字符输入法的计算机辅助 9 浮头式换热器失效分析及安全对策 事故树分析系统在现场的应用。文献【8 】提出计算机辅助事故树分析中事 故树数据的图形输入法，详细讨论了数据采集过程中数据结构的采用和 算法设计，方便地实现计算机事故树绘图，并在绘图的同时得到事故树 的全部数据，进而可对事故树进行全部定性和定量分析。这种方法是对 绘图和数据输入方法的重要补充，也有益于其他类型树及图的绘制和分 析【8 1 。 文献 6 】中，对事故树进行可靠性模拟的原理是建立在蒙特卡罗思想 的基础上。所谓蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ) 方法即概率模拟法，其基本思想 是：当求解的问题为某个出现的概率时，可通过大量抽样试验得到该事 件出现的频率，以频率代替概率。模拟的步骤一般是采用蒙特卡罗方法 对底事件进行抽样，然后根据抽样结果，按照故障树事件间的逻辑关系 逐级判断其上层事件的状态，直至顶上事件的状态，从而完成一次模拟 过程。经过多次模拟过程，统计项上事件的发生次数，与总模拟次数的 比值即为顶上事件的模拟发生概率。在此过程中，无须知道事故树的割 集、最小割集，并且整个模拟过程是一个动态再现事故发生情况的过程， 更接近事件发生的真实情况。 在文献 9 】中，介绍了基于可视化的事故树分析系统的建立和研究， 该系统的根本目的是为了实现事故分析和安全评价的目标，该系统具有 比较完善的功能，可以实现图形生成与事故动态分析的集成。 因此，本文采用事故树分析程序进行事故树的绘制及其计算。因此， 对施式亮教授和卢本陶所编写的事故树分析程序系统【9 】进行了较为详细 的介绍。 2 4 1 系统的建立背景与运行环境 应用于实际工程的事故树结构复杂且庞大，传统的事故树分析方法， 其结构的设计、生成、分析等环节依据人工方法进行。在计算机应用推 广后，借助计算机进行事故树分析获得较大进展，但是大多是在事先编 制好程序的基础上进行，整个过程处于“黑箱”之中，只有在获得结果后 才可以进行分析、判断前期工作的合理性和准确性，不能实现事故树构 造、分析、修改、再分析过程的“透明作业”，给事故分析和控制过程带 来很大的困难，而且效率低下。计算机科学技术发展的重要分支学科一一 可视化理论与技术的诞生f l 引，为开发基于可视化的事故树分析系统提供 了良好的前提条件。 2 0 世纪8 0 年代末出现的科学计算可视化，将科学计算的过程和结果 转化为图像，使人与数据、人与人之间实现图像通信，对计算过程实现 引导与控制并观察其影响，极大地提高了数据处理的速度和质量，实现 了科学计算工具和环境的现代化。可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c l o 硕士学位论文 c o m p u t i n g ，v is c ) 是计算机科学、计算机图形学、图形用户界面以及面 向对象的程序设计技术有机结合的产物。 美国自然科学基金会( n s f ) 于19 8 6 年为此专门召开了学术研讨会， 并在会上提出了科学计算可视化，l9 8 7 年形成了正式的v i s c 报告，从 此诞生了一门崭新的交叉学科，解决对客观世界仿真、预处理、映射、 绘制和解释的问题，它使得研究人员能够观察模拟和计算过程，并实现 人机交互控制，从而使得该学科在诸多工程领域得到广泛的应用，而且 应用研究方兴未艾1 引。 该系统开发的关键问题是构造集事故树图形生成与事故树动态分析 于一体的集成分析可视化环境。随着计算机科学技术的不断发展，其强 大的功能已成为人们共识，使用计算机对事故树进行分析，具有效率高、 准确度高、使用方便、直观等特点，但必须解决好系统开发的关键问题， 如系统安全特性和过程分析、安全分析方法选择、事故树分析理论模型 确定、可视化实现的条件和步骤等，这些问题是开发基于可视化的事故 树分析计算机软件系统的前提。该系统是应用v i s u a ib a s i c6 0 f 1 3 1 语言作 为开发平台。基于v i s u a lb a s i c6 0 对运行环境的要求，并根据大多数用 户所拥有计算机硬件设备的实际情况，系统选择w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 中文版 作为系统开发、测试和运行的平台；硬件环境适应4 8 6 或以上、内存16 m 以上以及硬盘空间10 0 m 以上的各类微型机。 2 4 。2 系统运行及分析实例 根据系统开发的模型、原则和流程，进行软件程序的开发，并实现 了系统的功能目标，并结合某化工企业的爆炸事故进行实际工程分析和 应用。图2 。4 为系统主界面，即系统在可视化集成环境下的运行界面，也 是事故树图形生成的主窗口；在图2 4 所示窗口内完成事故树图形构造 后，根据图2 5 所示进行实时分析并获得事故树定性分析结果，即事故树 的最小割集( 图2 6 ) 、最小径集及结构重要度等。由于篇幅所限制，无法 对系统运行和分析的所有过程和界面进行说明。 浮头式换热器失效分析及安全对策 最秘毫进 事敞捌分斩摹绕 i 膨! l ! i 矗一一t ja = 三t 到多多多- 骘铂受0 囊 最小径曩 结构重厦 定量分析 图2 4 事故树分析系统主界面 f i g 2 4m a i nw i n d o w so ff t as y s t e m x z 事件的名称是： x 1 1 事件的名称是： x 7 事件的名称是： x 5 事件的名称是： x 1 5 事件的名称是： x 2 0 事件的名称是： x 1 8 事件的名称是： x 2 1 事件的名称是： 材料选用错误； 预紧力过小； 制造缺陷； 服役环境恶劣； 加工面不光滑； 频繁开停机； 蠕变造成的泄漏失 紧急停车温度巨变、， 口以后不显示摹件的名祢 渣险互蠢i 。_ 7 j ? l j ，羞团窗旦 图2 5 系统分析算法选择窗口图2 6 事故分析结果 f i g 2 5s e l e c to fa r i t h m e t i cf i g 2 6a n a l y s i sr e s u l t so ff t a 1 2 锡誉淼曼 硕十学位论文 2 4 3 系统的特点 ( 1 ) 从系统开发完成后运行及实际应用过程和获得的分析结果来 看，系统实现了设计的功能目标，实现了可视化环境下的事故分析和安 全性评价，有方便、实用、高效以及准确性高等特点，具有推广应用价 值。 ( 2 ) 系统具有较强的实用性。事故树可视化分析系统除了实现传统 方法所要求的对事故树进行定性、定量分析功能外，最为关键的是实现 了可视化环境下的事故树生成、修改和完善过程，实现图形生成与系统 分析的集成功能，大大提供了事故分析的准确性，强化了事故的过程控 制，为安全管理、监督部门和企业用户提高了先进的分析技术和手段。 ( 3 ) 系统在w i n d o w s 环境下开发完成，大部分功能用鼠标即可完成， 操作方便，即使不懂计算机的用户也可按提示完成操作。系统还提供了 完善的在线帮助功能，用户可以在使用过程中随时获得系统帮助。 浮头式换热器失效分析及安全对策 第3 章浮头式换热器的事故树分析 3 1 事故树的基本概念 3 1 1 概述 失效树分析法是一种逻辑分析方法。逻辑分析法包括事件树分析法 ( 简称e t a ) 、管理失误和风险树分析法( 简称m o r t ) 和失效树分析法( 简 称f t a ) 等。这里只介绍失效树分析法，也就是事故树或故障树分析法。 事故树分析【1 4 1 ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，简称f t a ) 是安全系统工程中常 用的一种分析方法。19 6 2 年，美国贝尔电话研究所的维森( h a w a t s o n ) 首创了f t a 并应用于研究民兵式导弹发射控制系统的安全性评价中，用 它来预测导弹发射的随机故障概率。接着，美国波音飞机公司的哈斯尔 ( h a s s l e ) 等人对这个方法又作了重大改进，并采用电子计算机进行辅助 分析和计算。l9 7 4 年，美国原子能委员会应用f t a 对商用核电站进行了 风险评价，发表了拉斯姆逊报告( r a s m u s s e nr e p o r t ) ，引起世界各国的关 注。目前事故树分析法已从宇航、核工业进入一般电子、电力、化工、 机械、交通等领域，它可以进行故障诊断、分析系统的薄弱环节，指导 系统的安全运行和维修，实现系统的优化设计。迄今，f t a 法在国外已 被公认为当前对复杂安全性、可靠性分析的一种好方法。 事故树分析法是在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各 种因素( 包括软件、硬件、环境、人为因素等) 进行分析，画出逻辑框图( 即 事故树) ，从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率，以 计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设 计分析方法。 由于事故树分析法具有能详细找出系统各种固有的潜在的危险因 素；简洁、形象地表示出事故和各种原因之间因果关系和逻辑关系；既 可定性分析也可定量分析等优点。因此我国在航空、机械、冶金、化工 等工业部门都得到了普遍的推广和应用。 f t a 法具有以下特点【l5 】：事故树是一种图形演绎方法，可以就某 些特定的故障状态作逐层深入分析，直观、便捷、有效地分析各层次、 各因素间的相互关系。事故树分析能对导致灾害或功能故障的各种因 素及逻辑关系做出简单、全面、形象的描述。事故树可以分析某些元 部件、单元对系统的影响以及导致这些元部件、单元故障的特殊原因。 可对系统和元部件进行定性分析，也可对参数数据定量分析。 1 4 硕+ 学位论文 事故树分析还存在许多不足之处，主要是：f t a 需要花费大量的人力、 物力和时间；f t a 的难度较大，建树过程复杂，需要经验丰富的技术人员 参加，即使这样，也难免发生遗漏和错误；f t a 只考虑完全处于正常或不 正常状态的事件，而大部分系统存在局部正常、局部故障的状态，因而 建立数学模型时，会产生较大误差；f t a 虽然可以考虑人的因素，但人 的失误很难量化。 事故树分析仍处在发展和完善中。目前，事故树分析在自动编制、 多状态系统f t a 、相依事件的f t a 、f t a 的组合爆炸、数据库的建立及 f t a 技术的实际应用等方面尚待进一步分析研究，以求新的发展和突破。 3 1 2 事故树分析的步骤 1 确定和熟悉系统：在分析前首先要确定分析系统的边界和范围，例 如化工装置分析道哪一个设备、哪一个阀门为止。之后则要详细了解分 析的系统，包括工艺、设备、操作环境及控制系统和安全装置等。同时 还要广泛搜集国内外同行业已经发生的事故。 2 确定顶上事件：根据系统的工作原理和事故资料确定一个或几个事 故作为顶上事件进行分析。顶上事件一般选择那些发生可能性大且能造 成一定后果的事故进行分析。项上事件可以是已经发生的事故，也可以 预想。 3 详细分析事故的原因：顶上事件确定之后，就要进一步分析与之有 关的各种原因，包括设备元件等硬件故障、软件故障、人的差错以及环 境因素，凡与事故有关的各种原因都找出来。原因事件定义也要明确、 不能含糊不清。 4 确定不予考虑的事件：有些与事故有关的原因发生的可能性很小， 如飓风、龙卷风等，编事故树时可不予考虑，但要事先说明。 5 确定分析的深度：在分析原因事件时，分析到哪一层为止，需事先 明确。分析得太深，事故树过于庞大，定性定量都有困难；分析得太浅， 容易发生遗漏。具体深度应视分析对象和分析目的而定。对于化工生产 系统来说，机械设备一般只有分析到泵、管道故障、阀门为止。 6 编事故树：从顶上事件开始，采取演绎分析方法，逐层从下找出直 接原因事件，直到所有的最基本事件为止。每层事件都按照输入( 原因) 与输出( 结果) 之间逻辑关系用逻辑门连接起来，得到的图形就是事故 树。要注意，编树时任何一个逻辑门都有输入与输出事件，门与门之间 不能直接相连。 7 定性分析：事故树编好之后，不仅可以直观地看出事故发生的途径 及相关因素，还可进行多种计算。事故树定性分析是从事故树结构上求 出最小割集和最小径集，进而确定每个基本事件对顶上事件的影响程度， 浮头式换热器失效分析及安全对策 为制定安全措施的先后次序，轻重缓急提供依据。 8 定量分析：定量分析就是计算出顶上事件的发生概率，并从数量上 说明每个基本事件对项上事件的影响程度，从而制定出最经济、最合理 的控制事故方案，实现系统最佳安全的目的。 事故树分析程序可简化如图3 1 图3 1 事故树分析程序 f i g 3 1a n a l y s i sp r o g r a m m eo ff t a 以上步骤不一定每步都做，可根据需要和可能确定。而要进行定量 分析，必须有各种元件故障率和人失误率数据，否则无法计算。 3 1 3 事故树的符号及意义 事故树是由一些符号构成的图形。这些符号根据功能可分为三种类 型，即事件符号、逻辑门符号和转移符号。表3 1 列出的是一些常用符号 及意义。 1 6 硕士学位论文 表3 1 事故树分析法常用符号及意义 t a b l e3 1t h ec o m m o ns y m b 0 1 sa n dm e a n i n go ff t a 种 符号名称意义 类 口 顶上事件或 表示由许多其他事件相互作用而引起的事件。 中间事件 这些事件都可进一步往下分析，处在事故树的 顶端或中间 事 事故树中最基本的原因事件，不能继续往下分 件o基本事件 析，处在事故树的底端 符 由于缺乏资料不能进一步展开或不愿继续分 号 省略事件 析而有意忽略的事件，也处在事故树的底部 八 正常事件 正常情况下应该发生的事件，位于事故树的底 1 _ j 部 表示下面的输入事件都发生，上面输出事件才 a 与门 l r j 能发生 j 表示下面输入事件只要有一个发生，就会引起 龠或门 逻 叶一 上面输出事件发生 辑 门 佾 条件与门 输入事件都发生还必须满足条件a ，输出事件 符h 才能发生 号 亡p 条件或门 任何一个输入事件发生同时满足条件a ，上面 叮下 输出事件就会发生 人 下面一个输入事件发生同时条件a 也发生，输 i 蛔限制门 y 出事件就会发生 转 转入符号 表示此处与有相同字母或数字的转出符号相 移连接 符 o 转出符号 表示此处和有相同字母或数字的转入符号相 号 连接 1 7 浮头式换热器失效分析及安全对策 3 2 浮头式换热器故障分析 浮头式换热器在使用过程中，会出现各种故障，如管箱内泄漏、管 束及其连接处泄漏、法兰泄漏、腐蚀泄漏、堵塞等。建国以来化工系统 所发生的重大泄漏事故案例，大部分是由于密封失效、密封件设计或安 装不合理造成的【i6 1 。本节将对这些主要故障逐一分析。 3 2 1 浮头式换热器管箱内泄漏 浮头式换热器管箱内泄漏主要是管板与隔板间连接不紧密、管程与 管箱盖板之间密封泄漏、隔板与壳体连接处泄漏。这里主要指管板变形 失效和管束与管板连接处密封失效导致的泄漏。 1 管板变形失效导致的泄漏【1 7 】 换热器一般经过壳体下料、滚圆、焊接与管板下料、加工、钻( 铰) 孔 等工序，最后完成组装。由于管壳式换热器大都是管板兼作法兰与壳体 直接焊在一起的结构，管板直径与板厚之比往往很大，在加工、组焊、 列管与管板的连接过程中，不可避免地产生管板密封面的变形。变形严 重时，将直接影响密封效果，导致恶性循环，使承受过大预紧力的螺栓( 柱) 断裂或加大管板的局部变形，最终使密封失效。因此，采用合理的制造 工艺，避免管板密封面产生过大的变形，是管壳式换热器制造过程中不 容忽视的重要内容。 管板制