蔣鳳易 田蒙奎 郝立通 邵珠花 楊 穎 羅祥麗

（1.貴州大學(xué) 貴陽(yáng) 550025）

（2.貴州蘭鑫石墨機(jī)電設(shè)備制造有限公司 福泉 550500）

石墨換熱器由于具有耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能高、傳熱性能好等一系列優(yōu)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(zhì)。除了主要用于酸堿生產(chǎn)處理等工業(yè)外，還廣泛地應(yīng)用于石油、化工、無(wú)機(jī)藥品、有機(jī)合成和食品等工業(yè)部門[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，換熱器在化工裝置中占30%～45%的總投資額，同時(shí)約占40%的總生產(chǎn)設(shè)備數(shù)[2]。石墨換熱器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)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(méi)式、螺旋板式、板式和套管式等，其中以列管式石墨換熱器應(yīng)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(chǎn)中重要的工藝設(shè)備，列管式石墨換熱器能否安全有效的運(yùn)行將直接影響到該裝置及后續(xù)裝置的生產(chǎn)周期和效率。根據(jù)石油化工設(shè)備損壞的統(tǒng)計(jì)資料顯示，換熱器在各類設(shè)備損壞的百分比中以27.2%的比例占列第一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以17.2%的比例占列第二位的儲(chǔ)槽和塔器[2]。因此，為保證列管式石墨換熱器的正常運(yùn)行，保障工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全[3-4]，查明失效事故的原因，減少各類失效事故的重復(fù)發(fā)生，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，對(duì)列管式石墨換熱器進(jìn)行綜合全面的失效分析[5-6]具有十分重要的指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。

隨著系統(tǒng)工程學(xué)科的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多既有各自特點(diǎn)又互為補(bǔ)充的系統(tǒng)安全分析方法[7]。目前主要的系統(tǒng)安全分析方法有系統(tǒng)可靠性分析（SRA）、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）、生命周期評(píng)價(jià)（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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量分析，而且還能對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行分辨和評(píng)價(jià)，針對(duì)安全問(wèn)題的研究具有預(yù)測(cè)性、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。本文應(yīng)用事故樹分析法對(duì)列管式石墨換熱器失效進(jìn)行定性的研究分析[7]，找出導(dǎo)致其失效的主要原因，從而提出切實(shí)可行的預(yù)防措施，保障列管式石墨換熱器能夠安全、有效的運(yùn)行。輯門符號(hào)把各個(gè)事件分層連接起來(lái)，“·”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(jiàn)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(jù)對(duì)我國(guó)歷年來(lái)列管式石墨換熱器失效事故原因進(jìn)行的文獻(xiàn)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)結(jié)合對(duì)貴州某化工廠用于濕法磷酸濃縮的現(xiàn)場(chǎng)失效列管式石墨換熱器裝置的事故分析，總結(jié)出導(dǎo)致列管式石墨換熱器失效的最主要原因[8-9]有3個(gè)：石墨管束泄漏、筒體破裂和結(jié)垢堵塞，并針對(duì)這3種原因盡可能準(zhǔn)確的找出了引起它們發(fā)生的13個(gè)主要因素和27個(gè)基本因素。然后根據(jù)各原因之間的邏輯關(guān)系，按照事故樹編制的規(guī)則和流程，以列管式石墨換熱器失效作為頂事件，通過(guò)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(jù)事故樹的結(jié)構(gòu)，從只考慮各基本事件發(fā)生和不發(fā)生兩種情況而不考慮它們發(fā)生的概率這個(gè)角度出發(fā)，來(lái)求取各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度和事故樹的最小割（徑）集[7]。通過(guò)定性分析可以明確各基本事件對(duì)頂事件的影響程度，從而采取有效的預(yù)防措施來(lái)保證設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，防止事故的再次發(fā)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(fā)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(shù)化簡(jiǎn)法、行列法等。其中布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法相對(duì)準(zhǔn)確和有效，運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)便，計(jì)算效率高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要布爾表達(dá)式，相當(dāng)于字符串，同時(shí)可克服丟失正確解的問(wèn)題，具有通用性，故選擇其作為求解最小割集的方法。根據(jù)上述建立的事故樹，有3種途徑可以導(dǎo)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(jié)垢堵塞。為了對(duì)該事故做詳細(xì)的分析，采用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求取該事故樹的最小割集，其中用布爾代數(shù)變量T、M和X分別表示系統(tǒng)的各失效事件和原因，并利用布爾代數(shù)的吸收律和分配律進(jìn)行計(jì)算，如下所示：

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可知該系統(tǒng)共有24個(gè)最小割集，即導(dǎo)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(gè)，二階最小割集1個(gè)和三階最小割集1個(gè)，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(fā)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(gè)基本事件的徑集，則每一個(gè)最小徑集指出了防止頂上事件發(fā)生的一個(gè)解決辦法。求解某個(gè)事故樹的最小徑集，即是求解該事故樹對(duì)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(duì)應(yīng)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(yùn)用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求解成功樹的最小割集：

式中：

Xi'——基本事件的補(bǔ)事件；

Mi'——中間事件的補(bǔ)事件；

T'——頂事件的補(bǔ)事件。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知成功樹有6個(gè)最小割集，則原事故樹有6個(gè)最小徑集，說(shuō)明控制列管式石墨換熱器失效發(fā)生的途徑有6條，如下所示：

2.3 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度分析[11]是在假設(shè)各基本事件的發(fā)生概率相等或不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度的情況下，僅從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件對(duì)頂事件的發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度，結(jié)構(gòu)重要度越大的基本事件對(duì)頂事件的影響程度就越大，反之越小。

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

式中：

I(i)——第i個(gè)基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的近似判別值；

Er——第r個(gè)最小割集；

ni——基本事件Xi所屬最小割集包含的基本事件數(shù)。

可知列管式石墨換熱器失效事故樹中各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排列如下所示：

3 結(jié)論

1）從事故樹的結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)致列管式石墨換熱器失效的基本原因有27個(gè)，這些原因相互組合都可導(dǎo)致事故的發(fā)生，同時(shí)事故樹中“或”門個(gè)數(shù)占83.3%，“與”門個(gè)數(shù)占16.7%，相對(duì)而言“或”門比較多，說(shuō)明在石墨管束泄漏、殼體破裂和結(jié)垢堵塞的情況下，列管式石墨換熱器失效很容易發(fā)生，因此必須對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性有充分的認(rèn)識(shí)，以便尋找經(jīng)濟(jì)、有效的防護(hù)措施。

2）系統(tǒng)的危險(xiǎn)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(fā)生的可能性越大，反之越??；同時(shí)最小割集中基本事件越少，說(shuō)明事故越容易發(fā)生。從求解最小割集的計(jì)算結(jié)果可知，該事故樹的最小割集有24個(gè)，其中22個(gè)一階最小割集，1個(gè)二階最小割集和1個(gè)三階最小割集，表明導(dǎo)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(gè)基本事件居多，說(shuō)明列管式石墨換熱器失效事故發(fā)生的可能性很大，系統(tǒng)比較危險(xiǎn)。

3）系統(tǒng)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(shuō)明系統(tǒng)的安全性越高，反之越低。通過(guò)對(duì)成功樹最小割集的計(jì)算可知該系統(tǒng)有6個(gè)最小徑集，表明使列管式石墨換熱器失效事故不發(fā)生的最小途徑有6條，只要保證每個(gè)最小徑集的基本事件都不發(fā)生或者每個(gè)最小徑集都不發(fā)生，就能防止頂事件的發(fā)生，從而提高系統(tǒng)的安全性。

4）通過(guò)結(jié)構(gòu)重要度的分析結(jié)果可知，殼體受介質(zhì)沖擊、運(yùn)輸安裝中發(fā)生碰撞、垢層未及時(shí)清洗等22個(gè)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(tǒng)中占首位，其次是急開急關(guān)閥門和循環(huán)泵突然停止。因此為了防止失效事故的發(fā)生，應(yīng)從避免石墨管束振動(dòng)、防止殼體破裂和結(jié)垢堵塞三個(gè)方面入手，控制各基本事件的發(fā)生，尤其是上述22個(gè)結(jié)構(gòu)重要度最大的基本事件，從而保證注意事項(xiàng)具有較強(qiáng)的理論依據(jù)和針對(duì)性。

4 注意事項(xiàng)

根據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)和定性分析的結(jié)果，從列管式石墨換熱器的設(shè)計(jì)制造和維修使用考慮，應(yīng)留意以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1）根據(jù)不同的工藝條件，選擇耐腐蝕性強(qiáng)、相對(duì)膨脹系數(shù)小的殼體材料，同時(shí)采取在冷熱介質(zhì)中加入適量緩蝕劑的方法來(lái)防止殼體因腐蝕導(dǎo)致的泄漏。

2）嚴(yán)格控制管程和殼程中介質(zhì)的流速，在保證設(shè)備安全生產(chǎn)的前提下減少折流板間距，同時(shí)合理選擇直徑較大的石墨管束，達(dá)到降低管束振動(dòng)的目的。

3）定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，采用合理、規(guī)范的清管技術(shù)和除垢方法對(duì)管束進(jìn)行周期性清洗，其中比較常用的除垢方法有噴射清洗法、機(jī)械清洗法和化學(xué)清洗法，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

4）針對(duì)用于濕法磷酸濃縮[15]的石墨換熱器，嚴(yán)格控制磷酸濃度，減少濃縮系統(tǒng)中磷酸的循環(huán)周期，防止因磷酸濃度過(guò)高而使鉀鈉離子過(guò)量析出結(jié)垢[16]在石墨管束的內(nèi)壁，導(dǎo)致石墨管結(jié)垢堵塞。

5）加強(qiáng)對(duì)操作人員和專職清理人員的技能培訓(xùn)，以便于掌握規(guī)范的生產(chǎn)操作技能和管束堵塞規(guī)律，積累操作和疏通經(jīng)驗(yàn)，減少在操作和清洗石墨管束的過(guò)程中對(duì)其造成的損壞。

[1] 許志遠(yuǎn)．石墨制化工設(shè)備[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[2] 秦叔經(jīng)，葉文邦．換熱器[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2005．

[3] 杜紅巖，王延平，盧均臣．2012年國(guó)內(nèi)外石油化工行業(yè)事故統(tǒng)計(jì)分析[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9(06)：184-188．

[4] 侯茜，秦潔璇，李翠平．安全生產(chǎn)預(yù)警綜合分析與研究[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（06）：92．

[5] 孔文彬，馬小明，江楠．板式換熱器板片失效分析 [J]．壓力容器，2011，28（09）：93-96．

[6] 鐘群鵬，張崢，傅國(guó)如，等．失效學(xué)的哲學(xué)理念及其應(yīng)用探討[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（02）：25-30．

[7] 孔文彬．板式換熱器失效分析研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2011．

[8] 朱小峰，劉仍禮，錢圓，等．列管式石墨換熱器失效原因及改進(jìn)[J]．化工管理，2014（33）：84．

[9] 張志勛，齊廣輝，周坤，等．管殼式石墨換熱器及其泄漏原因分析[J]．石油化工設(shè)備，2010，39（02）：84-87．

[10] 葛菊花．浮頭式換熱器失效分析及安全對(duì)策[D]．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008．

[11] 滕海洋．換熱器管束失效分析方法與應(yīng)用研究[D]．大慶：東北石油大學(xué)，2012．

[12] 陳述，望運(yùn)龍．基于事故樹分析的腳手架作業(yè)安全評(píng)價(jià)[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2015（05）：82-85．

[13] 王文才，張世明，周連春，等．大型露天金屬礦爆破的事故樹分析[J]．金屬礦山，2010，39（04）：163-166．

[14] 楊?yuàn)Z，王珊珊．礦井內(nèi)因火災(zāi)事故的事故樹分析[J]．煤炭技術(shù)，2010，29（10）：97-99．

[15] 李濤，徐麗．磷酸濃縮石墨換熱器結(jié)垢清洗方法研究 [J]．廣東化工，2015，42（15）129-129．

[16] 田蒙奎，姜穎，王軍，等．合成氨壓縮機(jī)級(jí)間換熱器結(jié)焦超聲清洗的研究[J]．化工進(jìn)展，2016，35（08）：2604-2608．