基于模糊評(píng)價(jià)理論的硫回收過程氣余熱鍋爐系統(tǒng)失效可能性分析
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劉子方 司永宏 趙秋洪 王恒 蕭艷彤
（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 500192）
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了硫回收過程氣余熱鍋爐裝置在系統(tǒng)中的工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了裝置發(fā)生的損傷機(jī)理，主要包括：腐蝕減薄、環(huán)境開裂、機(jī)械與冶金失效等，并闡述了故障樹分析法計(jì)算失效可能性的主要實(shí)施步驟，通過將余熱鍋爐破壞作為頂事件來建立故障樹，并在此基礎(chǔ)上采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，計(jì)算了各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，最終計(jì)算結(jié)果顯示，余熱鍋爐破壞的失效可能性為Ⅱ級(jí)。
關(guān)鍵詞：硫回收過程氣余熱鍋爐失效可能性故障樹模糊評(píng)價(jià)
硫回收裝置是石油煉化企業(yè)的重要生產(chǎn)裝置，作用是回收上游物料中的硫元素，避免硫元素對(duì)下游生產(chǎn)設(shè)備造成腐蝕等破壞，以及減輕對(duì)環(huán)境造成污染。該裝置重點(diǎn)設(shè)備及部件為燃燒器、反應(yīng)器、余熱鍋爐、分液罐、脫氣塔、吸收塔等，其中余熱鍋爐通過將過程氣的熱量發(fā)生蒸汽來實(shí)現(xiàn)熱量的回收，達(dá)到節(jié)能減排的目的。余熱鍋爐裝置的管程介質(zhì)為過程氣，其中含有H2、H2S.H：O、N，、S02.S等，進(jìn)入余熱鍋爐的溫度高達(dá)1300℃，管程材質(zhì)為20G;殼程介質(zhì)為蒸汽和水，工作壓力達(dá)到4.4MPa，其材質(zhì)為16MnG。由于余熱鍋爐具有介質(zhì)成分復(fù)雜、工作溫度高、壓力大等特點(diǎn)，其安全性需予以特別關(guān)注。本文針對(duì)某石油煉化企業(yè)的硫回收過程氣余熱鍋爐，采用半定量的分析方法對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行了分析，然后在此基礎(chǔ)上以余熱鍋爐破壞失效為頂事件建立了故障樹，計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度，并由此進(jìn)行失效可能性的模糊綜合評(píng)價(jià)，確定其最終的失效可能性等級(jí)。
1余熱鍋爐的損傷機(jī)理分析
1.1腐蝕減薄
鍋爐水腐蝕：即鍋爐水系統(tǒng)中由于給水不良而引起的腐蝕，鍋爐水腐蝕較為復(fù)雜，主要分為氣體腐蝕、垢下腐蝕以及水堿度過大引起的堿性腐蝕。氣體腐蝕主要是溶解氧與二氧化碳而導(dǎo)致的腐蝕，溶解氧與二氧化碳濃度越高，腐蝕越嚴(yán)重。各種物質(zhì)沉積在鍋爐表面不僅能夠造成過熱破壞，而且也會(huì)引起嚴(yán)重的局部腐蝕破壞，鍋爐水水垢主要成分為Mg(OH)2和Ca(OH)2，所以鍋爐水一般均要進(jìn)行處理。
高溫硫化物腐蝕：余熱鍋爐管程中主要為高溫含硫過程氣，設(shè)備材質(zhì)為碳鋼，因此管箱進(jìn)口與換熱管前段存在高溫硫化物腐蝕，造成腐蝕減薄。
煙氣露點(diǎn)腐蝕：碳鋼設(shè)備介質(zhì)中的含硫介質(zhì)遇到水蒸汽凝結(jié)可產(chǎn)生亞硫酸和硫酸，在幾種腐蝕中共同作用下會(huì)造成腐蝕減薄，主要在開停車期間可能存在露點(diǎn)腐蝕。
1.2環(huán)境開裂
堿開裂：一般情況下，苛性堿濃度到達(dá)一定濃度才會(huì)發(fā)生堿開裂。但據(jù)某些文獻(xiàn)報(bào)道，在鍋爐水中，痕量的苛性堿會(huì)變濃，造成鍋爐管應(yīng)力腐蝕開裂，因?yàn)檫^度燃燒，這些鍋爐會(huì)處于干濕交替變化條件下，開裂的焊縫或發(fā)生泄漏的管子壓接頭能夠形成氣囊，使苛性堿在此增濃，引起堿蝕致脆。在換熱器沉積物下，發(fā)現(xiàn)苛性堿腐蝕或鑿削腐蝕，這是鍋爐水滲進(jìn)這些沉積物里，蒸發(fā)后留下濃的苛性堿造成的。
1.3機(jī)械冶金失效
蒸汽阻滯：介質(zhì)為蒸汽，蒸汽設(shè)備運(yùn)行中，熱能流經(jīng)過管壁時(shí)使得管道內(nèi)壁產(chǎn)生不連續(xù)的蒸汽泡，但當(dāng)熱流平衡受到干擾時(shí)，多個(gè)單氣泡會(huì)結(jié)成蒸汽膜，一旦形成蒸汽膜，管壁會(huì)短期過熱，從而形成快速開裂，因此也要考慮。
1.4其它損傷形式
廢熱鍋爐還會(huì)出現(xiàn)其它損傷形式。如換熱管過熱造成的爐管損壞，引起管壁過熱的因素有熱流強(qiáng)度過大、熱負(fù)荷不均勻、水質(zhì)不好等。操作過程中出現(xiàn)的水擊、管束震動(dòng)、熱沖擊等造成的機(jī)械損傷和非穩(wěn)定性熱應(yīng)力損壞。煙氣側(cè)還會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢和堵灰等問題。
2余熱鍋爐的故障樹分析
故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)，是研究系統(tǒng)或裝置發(fā)生故障的各種直接或間接原因的方法，它可以幫助人們尋找潛在事故或進(jìn)行事故的診斷，為改進(jìn)安全設(shè)計(jì)、事故分析、制定安全技術(shù)策略和采取安全管理措施提供依據(jù)。根據(jù)前面對(duì)該設(shè)備的損傷機(jī)理進(jìn)行的分析，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中的各種隱患，以余熱鍋爐破壞失效為頂事件建立故障樹，如圖1所示�？紤]鍋爐本體的腐蝕減薄、開裂、超溫變形以及附件失效為中間事件，逐層建立故障樹，并對(duì)其進(jìn)行分析，確定故障樹的最小割集及各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，分析余熱鍋爐破壞失效的原因和各基本事件對(duì)頂上事件發(fā)生的影響程度。
2.1故障樹最小割集的求取
對(duì)泄漏故障樹進(jìn)行最小割集計(jì)算，運(yùn)用Fussell算法得到10個(gè)最小割集，即：
2.2結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算結(jié)果
結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算不考慮基本事件的失效概率，僅涉及到各基本事件在故障樹中的邏輯關(guān)系，可以利用結(jié)構(gòu)重要度近似判別式進(jìn)行計(jì)算。
2.3結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算結(jié)果分析
由結(jié)構(gòu)重要度分析結(jié)果可知，基本事件結(jié)構(gòu)重要度的大小關(guān)系為：
3余熱鍋爐失效可能性模糊綜合評(píng)價(jià)
采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該余熱鍋爐的失效進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)建模：首先建立綜合評(píng)價(jià)的因素集和備擇集，其次根據(jù)故障樹分析得出的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算因素權(quán)重，然后確定隸屬函數(shù)，建立評(píng)價(jià)矩陣，最后進(jìn)行模糊變換得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
3.1建立因素集
構(gòu)造余熱鍋爐綜合評(píng)價(jià)模型，在選定評(píng)價(jià)因素時(shí)，以故障樹中的基本事件作為評(píng)價(jià)因素集，即，
={鍋爐水腐蝕，高溫硫化物腐蝕，疲勞開裂，苛性堿腐蝕開裂，高溫，隔熱襯里破壞，水循環(huán)異常，閥門及接管破壞，安全閥失靈，液位計(jì)破壞，壓力表破壞}
上述各因素的因素等級(jí)根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和各因素的特點(diǎn)進(jìn)行劃分，見表3~表8。
3.2建立備擇集
備擇集是對(duì)余熱鍋爐失效可能性嚴(yán)重程度的模糊描述。根據(jù)余熱鍋爐的實(shí)際情況、相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告數(shù)據(jù)以及各因素備擇等級(jí)的劃分依據(jù)，確定故障樹各基本事件的備擇集等級(jí)，見表3~表8。
V={v1，v2，v3，v4，v5}={I級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，V級(jí)}
其中I級(jí)表示鍋爐發(fā)生失效的可能性小，Ⅱ級(jí)表示鍋爐發(fā)生失效的可能性較小，Ⅲ級(jí)表示鍋爐發(fā)生失效的可能性一般，Ⅳ級(jí)表示鍋爐發(fā)生失效的可能性較高，V級(jí)表示鍋爐發(fā)生失效的可能性高。
3.3確定因素權(quán)重集
根據(jù)故障樹各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算結(jié)果（見表2），確定各基本事件的因素權(quán)重。
3.4確定模糊評(píng)價(jià)矩陣
每個(gè)因素的各個(gè)等級(jí)對(duì)該因素的隸屬度根據(jù)具體評(píng)定的在役壓力容器的實(shí)際情況而來確定。具體方法有：模糊實(shí)驗(yàn)法和等級(jí)評(píng)分值法。如何確定隸屬度，目前還沒有一個(gè)完全客觀的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇柯西分布確定隸屬度等級(jí)，見圖2。圖中橫坐標(biāo)1、2、3、4、5級(jí)分別表示評(píng)價(jià)級(jí)V={I級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，v級(jí)}中的五個(gè)級(jí)別，縱坐標(biāo)為隸屬函數(shù)的在{0，l}上的取值。由于各因素的等級(jí)都是按照其影響可能性的一致趨勢(shì)來排列，因此各因素的等級(jí)評(píng)判矩陣都是相同的。
則余熱鍋爐的二級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為
所以用模糊語言表達(dá)的失效可能性為
V{0.2271／I級(jí)，0.2842／Ⅱ級(jí)，0.2368／Ⅲ級(jí)，0.1570／Ⅳ級(jí)，0.0948／V級(jí)}
該硫回收過程氣余熱鍋爐破壞的失效可能性，按照最大隸屬度原則判斷為Ⅱ級(jí)，即失效可能性較小。
4結(jié)論
本文簡(jiǎn)要分析了某石油煉化企業(yè)的硫回收過程氣余熱鍋爐的失效模式和損傷機(jī)理，采用故障樹方法計(jì)算了各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，并在此基礎(chǔ)上采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了計(jì)算，得到了該硫回收過程氣余熱鍋爐破壞的失效可能性。
