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基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型安全評價分析

文檔作者：陳仙鳳趙星波蒲建忠文檔來源：紹興市特種設備檢測院		點擊數：	更新時間： 2022年03月19日
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基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型
安全評價分析
陳仙鳳，趙星波，蒲建忠
(紹興市特種設備檢測院，浙江紹興312071)
摘要：故障樹分析(F11A)是進行故障診斷和可靠性分析的有效手段。在不銹鋼管殼式換熱器失效
案例統計和分析的基礎上，建立不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型，對模型定性分析、定量計算分
析系統可靠性，找出系統關鍵環節。以服役5年的不銹鋼管殼式換熱器為例，采用模型計算出的失
效概率與實際樣本統計值基本吻合。
關鍵詞：故障樹分析；不銹鋼管殼式換熱器；失效模型；定量分析
中圖分類號：TH128；TQ051．5 文獻標志碼：B 文章編號：1001-4837(2015)11—0064一O5
doi：10．3969／j．issn．100l一4837．2015．11．011
Research on Failure M odel of Stainless Shell and Tube
Heat Exchanger Based on FTA
CHEN Xian—feng，ZHAO Xing—bo，PU Jian—zhong
(Shaoxing Inspection&amp;amp;Testing Institute of Special Equipment，Shaoxing 3 1 207 1，China)
Abstract：FTA(fault tree analysis)is an effective tool of fault diagnosis and reliability analysis．The fail—
ure model of stainless shell and tube heat exchanger was established based on the failure case—studies．
Then，system reliability was studied by qualitative and quantitative analysis of this model and the key parts
of the system were pointed out．Moreover，the failure probability of failure model was calculated on stain—
less shell and tube heat exchangers which were used for 5 years．The result showed that good agreement of
failure probability was obtained between failure model and statistical samples．
Key words：fault tree analysis(FTA)；stainless shell and tube heat exchanger；failure model；quantitative
analysis
0 引言
不銹鋼管殼式換熱器因適應性強、選材廣等
優點廣泛應用于印染、醫藥、石油、化工與制冷行
業，但其結構復雜、使用工況多樣，易發生局部失
基金項目：浙江省質量技術監督局重大科研計劃項目(20120257)
· 64·
效，破壞系統長周期運行，輕則影響生產，重則造
成事故。本文在前期大量不銹鋼管殼式換熱器失
效案例統計和分析的基礎上，采用故障樹分析
(Fault Tree Analysis，以下簡稱FTA)建立不銹鋼
管殼式換熱器失效模型，對模型進行定性、定量分
析，找出系統關鍵環節。以服役5年的不銹鋼管

CPVT 基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型安全評價分析
確定不銹鋼管殼式換熱器失效FI?A模型的
頂事件( )、中間事件( )和基本事件( )，理清
各事件之間的邏輯關系。以最不期望發生的“不
銹鋼管殼式換熱器失效”作為頂事件，以管束失
效、管束與管板連接處泄漏、管箱失效、法蘭連接
失效作為一級中間事件，模型共有29項各級中間
事件(見表1)和32項基本事件(見表2)。
1．3 不銹鋼管殼式換熱器失效模型
采用與、或門自頂向下規范建樹 ，不銹
鋼管殼式換熱器失效故障樹如圖3所示。
圖3 不銹鋼管殼式換熱器失效故障樹
2 不銹鋼管殼式換熱器失效模型分析
2．1 不銹鋼管殼式換熱器失效模型定性分析
用最小割集、最小徑集及結構重要度對建立
的失效模型進行定性分析。最小割集是頂事件發
生的最低限度基本事件的集合，不銹鋼管殼式換
· 66·
熱器失效故障樹經布爾代數計算后得到29個最
小割集：(X1)，(X5)，(X6)，( )，(X9)，(X10)，
( l1)，(X12)，(X13)，(X14)，(X15)，(X16)，
(X17)，(X18)，(X19)，(X2，X3，X4，X8)，(X21)，
(X23)，(X24)，(X25)，(X26)，(X27)，(X28)，
(X29)，(X3，X20)，(X3，X4，X8，X22)，(X30)，
(X31)，(X32)，其中一階割集26個，二階割集1
第32卷第11期 壓 力 容 器 總第276期
個，四階割集2個。
最小徑集在失效故障樹中是防止頂事件發生
最低限度基本事件的集合。該系統經計算后得到
4個最小徑集如下：
最小徑集1：( 1， ， ， ， ，X9，XIO，
X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，
X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，
X29，X30，X31，X32)
最小徑集2：( 1， ， ， ， ，X9，XIO，
X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，
X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，
X31，X32)
最小徑集3：(X1，X4，X5，X6，X7，X9，XIO，
X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，
X20，X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，
X30，X31，X32)
最小徑集4：( 1，X5，X6，X7，X8，X9，XIO，
XI1，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，
X20，X21，X23，X24，X25， 6， 7， 8， 9，
X30，X31，X32)
該失效模型結構重要度：X1=X5=X6：X7=
X9=X10= 11= 12： 13=X14=X15= 16=
17 =X18=X19 =X21=X23=X24 =X25 =X26 =
27=X28=X29=X30=X3l=X32>X20>X3>
2(8=X4 > 2=X2
割集越多，割集階數越少，頂事件發生概率越
大；最小徑集越多，每個最小徑集含有的基本事件
數越少，系統越安全。該模型中一階割集較多，導
致不銹鋼管殼式換熱器失效的影響因素較多；最
小徑集較少，每個最小徑集中涉及的基本事件較
多，不銹鋼管殼式換熱器系統安全性不高，易發生
失效事故；基本事件結構重要度較平均，提升管殼
式換熱器系統整體安全性的成本較高。
2．2 不銹鋼管殼式換熱器失效模型定量分析¨
用頂事件發生概率、臨界重要度和概率重要
度對不銹鋼管殼式換熱器失效模型進行定量分
析。本文采用專家自然情況指標分配表(見表3)
按式(1)得到10位專家權重指標(見表4)，利用
專家權重判斷法結合基本事件失效經驗模糊數、
按式(2)確定服役5年的不銹鋼管殼式換熱器基
本事件的發生概率(見表5)。
專家權重值計算如下：
=口 ／ fl, (1)
k=1
式中 ——第n位專家的權重值
口 ——第1,位專家的自然情況得分
基本事件的發生概率計算如下：
10
Ix = M (2)
式中 發生概率
— — 第k位專家權重
— — 第k位專家對 給出的發生概率
經驗值
表3 專家自然情況指標分配表
類別 類別分 級別 級別分
教授級高工 6
職稱 4 高級工程師 4
工程師 3
助理工程師 1
30年以上 5
20—30年 4
工齡 3 10
— 2O年 3
5～lo笠 2
博士 4
學歷 2 研究生 3
本科 2
大專 1
5O歲以上 4
年齡 1 40—50歲 3
30—40歲 2
30歲以下 1
表4 專家構成及權重
專家序號 職稱分 工齡分 學歷分 年齡分 權重
1 4 5 2 4 0．116418
2 4 5 2 4 O．116418
3 4 5 3 4 o．122389
4 4 5 2 4 0．116418
5 3 2 4 2 o．083582
6 3 4 2 3 O．o9l2537
7 3 3 3 2 0．086567
8 3 4 2 3 o．092537
9 3 3 3 2 o．086567
lO 3 3 3 2 0．086567
CPVT 基于FTA的不銹鋼管殼式換熱器失效模型安全評價分析 Vo1．32 No．1 1 2015
表5 服役5年不銹鋼管殼式換熱器基本事件的
發生概率 3 結語
基本事件 發生概率 基本事件 發生概率
1 0．025 17 0．0o3
0，O2 18 O．02
船 0．O15 姍9 O．O2
0．02 胞0 0．015
艏 0．001 1 0．03
0．002 2 0．006
0．001 3 0．0o8
船 O．02 4 0．009
鶿 O．0o6 5 O．oo9
l0 0．002 |]lf26 O．01
l1 0．001 ．]!f27 0．0o2
l2 0．002 8 0．()01
13 O．oo5 9 O．oo8
X14 0．oo2 船0 O．0o1
l5 0．002 1 0．0ol
16 0．008 船2 0．01
通過失效模型計算得到服役5年的不銹鋼管
殼式換熱器失效頂事件的發生概率為17．36％ ，
與以3748臺服役5年左右的不銹鋼管殼式換熱
器為樣本統計出的失效率19．48％基本吻合。由
于建模時排除了極少出現的影響失效的因素，所
以模型計算得到的失效概率比實際統計失效概率
偏低。X21，X1， 18，X19，X26，X32，X24，X25，
X16，X23這10個基本事件的臨界重要度、概率重
要度排名前十。臨界重要度、概率重要度高的基
本事件就是不銹鋼管殼式換熱器失效中應重點控
制和管理的對象。從定量分析結果可以看出，溫
差熱應力，脹、焊連接，選材，介質，防腐措施，管束
設計等是影響不銹鋼管殼式換熱器可靠性的主要
因素。
· 68 ·
不銹鋼管殼式換熱器失效FTA模型是進行
故障診斷和可靠性分析的有效手段。通過模型最
小割集和最小徑集、結構重要度的定性分析可分
析系統失效模式、失效薄弱環節；通過確定基本事
件失效概率，定量計算臨界重要度、概率重要度可
分析出影響系統可靠性的主要因素，得到不銹鋼
管殼式換熱器失效發生概率，對檢驗和故障維修
及預防等具有重要的參考價值。
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收稿日期：2015—08—12 修稿日期：2015—10—21
作者簡介：陳仙鳳(1980一)，女，工程師，總師辦副主任，
研究方向：失效分析、特種設備檢驗與管理、金相檢驗，通
信地址：312071浙江省紹興市袍江新區世紀東街17號質
監大院特檢院，E—mail：353908779@qq．corn。

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