壓力容器失效概率的計(jì)算方法

萬(wàn)林青，趙 磊

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，烏魯木齊830011）

一臺(tái)壓力容器從生到死一般要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維修改造、檢驗(yàn)以及最后的報(bào)廢等過(guò)程。所以各個(gè)環(huán)節(jié)中的質(zhì)量就決定了整臺(tái)設(shè)備的質(zhì)量，也影響著該臺(tái)壓力容器的失效概率。要想計(jì)算壓力容器的失效概率，必須找一個(gè)基準(zhǔn)進(jìn)行比較才能統(tǒng)一量化各個(gè)相關(guān)項(xiàng)。特種設(shè)備萬(wàn)臺(tái)事故率是從事故的角度來(lái)反映特種設(shè)備安全狀況的一個(gè)指標(biāo)，是指平均每萬(wàn)臺(tái)設(shè)備發(fā)生事故的次數(shù)，單位：次數(shù)／萬(wàn)臺(tái)。其定義為：

本文選萬(wàn)臺(tái)事故率這個(gè)參數(shù)作為基準(zhǔn)。通過(guò)查閱歷年的壓力容器事故數(shù)量以及設(shè)備保有量，統(tǒng)計(jì)出壓力容器近3年的平均萬(wàn)臺(tái)事故率GO。具體到特定某臺(tái)壓力容器，通過(guò)評(píng)價(jià)其從設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，在量化各個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出萬(wàn)臺(tái)事故率GO的修正系數(shù)go（為一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值）。GO與go的乘積G就是該臺(tái)設(shè)備的失效概率。

任何事物都有老化的過(guò)程，所以壓力容器的失效概率還與其使用年限息息相關(guān)，對(duì)于設(shè)計(jì)制造等各個(gè)環(huán)節(jié)都一樣的設(shè)備，加上年限修正系數(shù)就能更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)失效概率。自然環(huán)境也對(duì)設(shè)備的失效造成相當(dāng)大的影響，比如地震，臺(tái)風(fēng)等，計(jì)算壓力容器的失效必須考慮到自然環(huán)境的因素。通過(guò)分析，本文對(duì)影響壓力容器失效的原因分為以下幾項(xiàng)：

設(shè)計(jì)單位的影響系數(shù)：g1；制造單位的影響系數(shù)：g2；使用工況影響系數(shù)：g3；操作和管理（包括監(jiān)督檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)、安裝維修的影響）：g4；使用年限的修正系數(shù)：g5；外部環(huán)境修正系數(shù)：g6；失效概率修正系數(shù)：go。

1 影響失效概率的各個(gè)系數(shù)的量化及計(jì)算公式

1.1 設(shè)計(jì)單位的影響系數(shù)

設(shè)計(jì)單位是每臺(tái)設(shè)備出生的第1步，設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)整臺(tái)設(shè)備的質(zhì)量影響至關(guān)重要，通過(guò)查閱資料，調(diào)研等過(guò)程，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量影響最大的3個(gè)因素包括設(shè)計(jì)單位資質(zhì)，圖紙鑒定情況，以及其規(guī)模和信譽(yù)情況。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，已經(jīng)歷年事故原因分析以及專(zhuān)家意見(jiàn)，各個(gè)參數(shù)量化數(shù)據(jù)如下表：

表1 設(shè)計(jì)單位的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出設(shè)計(jì)單位的影響系數(shù)g1的計(jì)算公式：

1.2 制造單位的影響系數(shù)

制造單位是壓力容器的制造者，所以壓力容器的失效概率受制造單位的影響非常大。同樣，在分析事故原因和統(tǒng)計(jì)事故原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)征求專(zhuān)家意見(jiàn)，把制造單位的影響分為了制造單位資質(zhì)的影響系數(shù)g21，監(jiān)督檢驗(yàn)影響系數(shù)g22，以及規(guī)模和效益的影響系數(shù)g23。

根據(jù)多年的事故資料分析，以及專(zhuān)家意見(jiàn)，再綜合時(shí)代發(fā)展的影響，把各個(gè)系數(shù)如下量化：

表2 制造單位的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出制造單位的影響系數(shù)g2的計(jì)算公式：

1.3 使用工況的影響系數(shù)

按照設(shè)備（各部件）在正常使用條件下最?lèi)毫拥墓r確定使用工況得分，使用工況包括以下諸項(xiàng)，其各項(xiàng)之和是使用工況風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值。各項(xiàng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響系數(shù)見(jiàn)下表。

1）超溫工況g31（包括高溫超溫工況和低溫超溫工況）；2）超壓工況g32；3）粉塵及油氣爆炸工況g33；4）腐蝕工況g34；5）應(yīng)力腐蝕工況g35；6）疲勞工況g36；7）沖刷或磨損工況g37；8）非計(jì)劃停車(chē)g38。

表3 使用工況的影響系數(shù)

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出使用工況的影響系數(shù)g3的計(jì)算公式：

1.4 使用與管理影響系數(shù)

隨著設(shè)備制造質(zhì)量的逐年提高，設(shè)備的原始缺陷以及由于設(shè)備質(zhì)量造成的事故程逐年下降趨勢(shì)，使用管理方面出現(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越多，所以，使用與管理方面的影響不可忽視。使用與管理的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算方法和相關(guān)項(xiàng)如下：

使用和管理影響系數(shù)g4包括以下幾項(xiàng)：

1）安全管理制度g41；2）安全管理機(jī)構(gòu)和人員配備g42；3）防止誤操作的措施g43；4）維護(hù)保養(yǎng)g44；5）日常檢查g45；6）對(duì)安全監(jiān)察的重視程度g46；7）定期檢驗(yàn)g47；8）技術(shù)檔案g48；9）安全保衛(wèi)措施g49；10）安裝維修的影響g410。

表4 使用和管理影響系數(shù)表

根據(jù)以上結(jié)果，總結(jié)出使用和管理影響系數(shù)g4的計(jì)算公式如下：

1.5 使用時(shí)間的影響系數(shù)

任何事物都有衰老的過(guò)程，壓力容器也不例外，實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率是時(shí)間的函數(shù)，典型故障曲線稱(chēng)之為浴盆曲線（Bathtub curve，失效率曲線），曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個(gè)階段：早期故障期，偶然故障期，耗損失效高風(fēng)險(xiǎn)期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報(bào)廢為止的整個(gè)壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。因該曲線兩頭高，中間低，有些像浴盆，所以稱(chēng)為“浴盆曲線”。根據(jù)調(diào)研結(jié)果、數(shù)據(jù)分析、經(jīng)驗(yàn)以及壓力容器的規(guī)律，本文給出如下使用年限影響系數(shù)計(jì)算公式：

0＜n＜3 g5＝8－2n 早期高風(fēng)險(xiǎn)期

3≤n＜m g5＝（6n＋2 m－24）／（n－3） 偶然失效低風(fēng)險(xiǎn)期

m≤n g5＝3（n－m）＋8 耗損失效高風(fēng)險(xiǎn)期

設(shè)計(jì)年限m

使用年限n

早期高風(fēng)險(xiǎn)期和偶然失效低風(fēng)險(xiǎn)期的交點(diǎn)選在投入使用的第3年，是根據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》3a內(nèi)進(jìn)行首次檢驗(yàn)的要求制定的，第2個(gè)拐點(diǎn)是由壓力容器設(shè)計(jì)年限確定的。因?yàn)閴毫θ萜饕坏┏^(guò)了設(shè)計(jì)年限，其失效風(fēng)險(xiǎn)將大幅度的提高。所以分段函數(shù)的第2個(gè)交點(diǎn)選擇在設(shè)計(jì)年限上。

1.6 外部環(huán)境對(duì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響因素設(shè)計(jì)細(xì)則

任何一臺(tái)壓力容器都處在特殊的環(huán)境中，既然在環(huán)境中，就要受到環(huán)境各種不可抗力的影響，比如臺(tái)風(fēng)，地震，泥石流，火山等。

外部環(huán)境的影響因素包括以下各項(xiàng)：

地震的影響因素g61；臺(tái)風(fēng)的影響因素g62；泥石流的影響因素g63；火山的影響因素g64；其他不可抗力因素g65；

通過(guò)以上的分析，了解了自然環(huán)境對(duì)設(shè)備失效概率影響因素，結(jié)合以上的統(tǒng)計(jì)方法，給出g6的計(jì)算公式：

由于中國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)和環(huán)境復(fù)雜，各個(gè)地區(qū)影響的主要因素和嚴(yán)重程度各不相同，本文沒(méi)有給出參考數(shù)據(jù)，使用單位或者風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單位可以根據(jù)具體情況酌情賦值。

2 壓力容器失效概率的計(jì)算公式

根據(jù)以上論述，總結(jié)給出壓力容器失效概率G的計(jì)算公式：

國(guó)內(nèi)近三年的萬(wàn)臺(tái)平均事故率G0（G0可以從國(guó)家質(zhì)檢總局網(wǎng)站上公布的數(shù)據(jù)查出）；

個(gè)別情況下如果選擇數(shù)據(jù)偏保守，有可能出現(xiàn)G值大于1的情況，這是因?yàn)轭A(yù)測(cè)概率的數(shù)據(jù)不足夠多，為了更安全，更好的區(qū)分各個(gè)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)比較值所用的方法，在出現(xiàn)G值大于1的時(shí)候，調(diào)整G值為1即可。在本文中G的范圍是0＜G≤1。

3 結(jié) 語(yǔ)

充分考慮了專(zhuān)家意見(jiàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)以及工程實(shí)踐，提出了壓力容器失效概率的計(jì)算方法，給出多個(gè)計(jì)算公式，雖然各個(gè)系數(shù)有待進(jìn)一步完善，但是本文提出的方法以及研究方向都對(duì)壓力容器快速檢驗(yàn)和安全評(píng)價(jià)具有積極的意義；有利于預(yù)測(cè)壓力容器風(fēng)險(xiǎn)，幫助使用單位和安全監(jiān)察單位確定重點(diǎn)防范目標(biāo)，為壓力容器能更好更安全的服務(wù)社會(huì)社會(huì)生產(chǎn)。

［1］特種設(shè)備安全監(jiān)察條例［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則［S］.北京，2009.

［3］吳宗之，高進(jìn)東.重大危險(xiǎn)源辨識(shí)與控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］GB 18218－2000重大危險(xiǎn)源辨識(shí)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［5］Jo Y D，Ahn B J.Analysis of hazard areas associated with highpressure natural－gas pipelines［J］.Journal of Loss Prevention In the Process Industries，2002，15：179－188.