列管式石墨換熱器失效可能性分析

蔣鳳易 田蒙奎 郝立通 邵珠花 楊 穎 羅祥麗

（1.貴州大學 貴陽 550025）

（2.貴州蘭鑫石墨機電設備制造有限公司 福泉 550500）

石墨換熱器由于具有耐腐蝕性強、力學性能高、傳熱性能好等一系列優良的性能，被廣泛地用于處理磷酸、鹽酸和硫酸等腐蝕性介質。除了主要用于酸堿生產處理等工業外，還廣泛地應用于石油、化工、無機藥品、有機合成和食品等工業部門[1]。據統計，換熱器在化工裝置中占30%～45%的總投資額，同時約占40%的總生產設備數[2]。石墨換熱器的種類很多，按其結構形式可分為噴淋式、列管式、塊孔式（圓塊孔式和矩形塊孔式）、浸沒式、螺旋板式、板式和套管式等，其中以列管式石墨換熱器應用最多。列管式石墨換熱器[1]主要由石墨管束、鋼制筒體、折流板和防腐蝕材料或不透性石墨材料制成的封頭組成。

圖1 列管式石墨換熱器失效事故樹

作為化工生產中重要的工藝設備，列管式石墨換熱器能否安全有效的運行將直接影響到該裝置及后續裝置的生產周期和效率。根據石油化工設備損壞的統計資料顯示，換熱器在各類設備損壞的百分比中以27.2%的比例占列第一，遠遠高于以17.2%的比例占列第二位的儲槽和塔器[2]。因此，為保證列管式石墨換熱器的正常運行，保障工作人員的生命財產安全[3-4]，查明失效事故的原因，減少各類失效事故的重復發生，延長設備的使用壽命，對列管式石墨換熱器進行綜合全面的失效分析[5-6]具有十分重要的指導和現實意義。

隨著系統工程學科的快速發展，出現了許多既有各自特點又互為補充的系統安全分析方法[7]。目前主要的系統安全分析方法有系統可靠性分析（SRA）、預先危險性分析（PHA）、生命周期評價（LCA）、事故樹分析（FTA）、安全檢查表分析（SCA）、故障類型和影響分析（FMEA）等[7]，其中事故樹分析不僅能對系統進行定性、定量分析，而且還能對系統的危險性進行分辨和評價，針對安全問題的研究具有預測性、系統性和準確性的特點。本文應用事故樹分析法對列管式石墨換熱器失效進行定性的研究分析[7]，找出導致其失效的主要原因，從而提出切實可行的預防措施，保障列管式石墨換熱器能夠安全、有效的運行。輯門符號把各個事件分層連接起來，“·”表示與門，“+”表示或門，編制成列管式石墨換熱器失效事故樹，如圖1所示。列管式石墨換熱器失效事故樹事件代碼所代表事件見表1。

表1 列管式石墨換熱器失效事故樹事件代碼表

1 列管式石墨換熱器失效事故樹的建立

根據對我國歷年來列管式石墨換熱器失效事故原因進行的文獻調研和統計，同時結合對貴州某化工廠用于濕法磷酸濃縮的現場失效列管式石墨換熱器裝置的事故分析，總結出導致列管式石墨換熱器失效的最主要原因[8-9]有3個：石墨管束泄漏、筒體破裂和結垢堵塞，并針對這3種原因盡可能準確的找出了引起它們發生的13個主要因素和27個基本因素。然后根據各原因之間的邏輯關系，按照事故樹編制的規則和流程，以列管式石墨換熱器失效作為頂事件，通過邏

2列管式石墨換熱器失效事故樹的定性分析

事故樹的定性分析[10-11]是根據事故樹的結構，從只考慮各基本事件發生和不發生兩種情況而不考慮它們發生的概率這個角度出發，來求取各基本事件的結構重要度和事故樹的最小割（徑）集[7]。通過定性分析可以明確各基本事件對頂事件的影響程度，從而采取有效的預防措施來保證設備的安全性和穩定性，防止事故的再次發生。

圖2 列管式石墨換熱器失效事故樹的成功樹

2.1 最小割集

在事故樹中，筆者把最小割集[12]定義為引起頂事件發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陣法、布爾代數化簡法、行列法等。其中布爾代數化簡法相對準確和有效，運算過程簡便，計算效率高，數據結構簡單，只需要布爾表達式，相當于字符串，同時可克服丟失正確解的問題，具有通用性，故選擇其作為求解最小割集的方法。根據上述建立的事故樹，有3種途徑可以導致列管式石墨換熱器失效，它們分別是石墨管束泄漏、殼體破裂和結垢堵塞。為了對該事故做詳細的分析，采用布爾代數化簡法求取該事故樹的最小割集，其中用布爾代數變量T、M和X分別表示系統的各失效事件和原因，并利用布爾代數的吸收律和分配律進行計算，如下所示：

通過上述計算結果可知該系統共有24個最小割集，即導致列管式石墨換熱器失效的途徑有24種，其中一階最小割集22個，二階最小割集1個和三階最小割集1個，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 最小徑集

通常把徑集定義為不發生的基本事件的集合，最小徑集[13]定義為被任意去掉某一個基本事件的徑集，則每一個最小徑集指出了防止頂上事件發生的一個解決辦法。求解某個事故樹的最小徑集，即是求解該事故樹對偶的成功樹的最小割集，具體方法是將原事故樹的“或”門換成“與”門，“與”門換成“或”門，就可得原事故樹對應的成功樹[13]，列管式石墨換熱器失效事故樹的成功樹如圖2所示。

運用布爾代數化簡法求解成功樹的最小割集：

式中：

Xi'——基本事件的補事件；

Mi'——中間事件的補事件；

T'——頂事件的補事件。

通過計算結果可知成功樹有6個最小割集，則原事故樹有6個最小徑集，說明控制列管式石墨換熱器失效發生的途徑有6條，如下所示：

2.3 結構重要度

結構重要度分析[11]是在假設各基本事件的發生概率相等或不考慮各基本事件發生的難易程度的情況下，僅從事故樹結構上分析各基本事件對頂事件的發生所產生的影響程度，結構重要度越大的基本事件對頂事件的影響程度就越大，反之越小。

根據所求的最小割集，{X1}、{X2}、{X3}、{X4}…{X21}、{X24} 均為單個最小割集，則I（1）=I(2)=I(3)=I(4)…I(21)=I(24)最大，剩余兩個最小割集結合基本事件的結構重要度系數近似判別值的計算式（1）[14]：

式中：

I(i)——第i個基本事件Xi結構重要度系數的近似判別值；

Er——第r個最小割集；

ni——基本事件Xi所屬最小割集包含的基本事件數。

可知列管式石墨換熱器失效事故樹中各基本事件的結構重要度排列如下所示：

3 結論

1）從事故樹的結構分析，導致列管式石墨換熱器失效的基本原因有27個，這些原因相互組合都可導致事故的發生，同時事故樹中“或”門個數占83.3%，“與”門個數占16.7%，相對而言“或”門比較多，說明在石墨管束泄漏、殼體破裂和結垢堵塞的情況下，列管式石墨換熱器失效很容易發生，因此必須對系統的危險性有充分的認識，以便尋找經濟、有效的防護措施。

2）系統的危險性可以用最小割集表示：若事故樹的最小割集越多，表明頂事件發生的可能性越大，反之越小；同時最小割集中基本事件越少，說明事故越容易發生。從求解最小割集的計算結果可知，該事故樹的最小割集有24個，其中22個一階最小割集，1個二階最小割集和1個三階最小割集，表明導致列管式石墨換熱器失效的最小途徑有24條，且最小割集中所包含的基本事件很少，以1個基本事件居多，說明列管式石墨換熱器失效事故發生的可能性很大，系統比較危險。

3）系統的安全性可以用最小徑集表示：若事故樹的最小徑集越多，說明系統的安全性越高，反之越低。通過對成功樹最小割集的計算可知該系統有6個最小徑集，表明使列管式石墨換熱器失效事故不發生的最小途徑有6條，只要保證每個最小徑集的基本事件都不發生或者每個最小徑集都不發生，就能防止頂事件的發生，從而提高系統的安全性。

4）通過結構重要度的分析結果可知，殼體受介質沖擊、運輸安裝中發生碰撞、垢層未及時清洗等22個因素是影響列管式石墨換熱器失效的最重要因素，它們的重要性在系統中占首位，其次是急開急關閥門和循環泵突然停止。因此為了防止失效事故的發生，應從避免石墨管束振動、防止殼體破裂和結垢堵塞三個方面入手，控制各基本事件的發生，尤其是上述22個結構重要度最大的基本事件，從而保證注意事項具有較強的理論依據和針對性。

4 注意事項

根據事故樹結構和定性分析的結果，從列管式石墨換熱器的設計制造和維修使用考慮，應留意以下幾點注意事項：

1）根據不同的工藝條件，選擇耐腐蝕性強、相對膨脹系數小的殼體材料，同時采取在冷熱介質中加入適量緩蝕劑的方法來防止殼體因腐蝕導致的泄漏。

2）嚴格控制管程和殼程中介質的流速，在保證設備安全生產的前提下減少折流板間距，同時合理選擇直徑較大的石墨管束，達到降低管束振動的目的。

3）定期對設備進行檢查和維護，采用合理、規范的清管技術和除垢方法對管束進行周期性清洗，其中比較常用的除垢方法有噴射清洗法、機械清洗法和化學清洗法，以延長設備的使用壽命。

4）針對用于濕法磷酸濃縮[15]的石墨換熱器，嚴格控制磷酸濃度，減少濃縮系統中磷酸的循環周期，防止因磷酸濃度過高而使鉀鈉離子過量析出結垢[16]在石墨管束的內壁，導致石墨管結垢堵塞。

5）加強對操作人員和專職清理人員的技能培訓，以便于掌握規范的生產操作技能和管束堵塞規律，積累操作和疏通經驗，減少在操作和清洗石墨管束的過程中對其造成的損壞。

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