（化工过程机械专业论文）大化肥装置失效分析研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 大化肥装置失效分析研究 摘要 压力容器广泛应用于化肥行业，为了保证其安全、高效地运行， 各国都非常重视其先进的管理技术，风险评估就是其中的一种。本论 文的课题来源于国家质量监督检验检疫总局科技项目成套装置风险 评价技术研究及软件开发( 项目编号0 2 b k - 0 2 5 ) 。本论文针对大化肥 装置中的重要设备谢尔气化炉和尿素合成塔进行研究，对其可能 发生的失效进行分析，是成套装置风险评价技术研究的重要组成部分。 本文在查阅有关资料和现场调研的基础上，采用失效树分析法分 别建立了谢尔气化炉和尿素合成塔失效树，使用布尔代数化简法确定 了上述失效树的最小割集，通过结构重要度分析，结果表明：导致谢 尔气化炉失效的主要原因是烧嘴逆火和衬里脱落；导致尿素合成塔失 效的主要原因是衬里发生腐蚀。 本文在上述研究的基础上，进一步进行正交试验分析，以英国t w i 公司的砌s k w i s e 软件为工具，按照a p i5 8 1 提出的风险计算方法对谢 尔气化炉和尿素合成塔进行风险分析数值试验，以正交设计为手段安 排试验和分析试验数据。通过对试验结果进行直观分析和方差分析， 得到对每种失效模式影响最显著的因素。 通过本文的研究，基本确定了导致谢尔气化炉和尿素合成塔的主 要因素和影响其风险值的主要因素，提出了降低谢尔气化炉和尿素合 成塔事故率和风险的措施。 关键词：谢尔气化炉，尿素合成塔，失效树分析，风险评估，正 交试验设计 北京化工大学硕士学位论文 as t u d yo ne a r ea n a i y s i so f l f 堰g es c a l ef e r t i l i z e rp ia n t p r e s s u r ev e s s e l sa r ew i d e l yu s e di nf e n i l i z e rf i e l d r i s ka s s e s s m e n t ， w h i c hi sak i i l do fa d v a c e dm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yf o r t h e p r e s s u r e v e s s e l s ， i sn o t e db ym a i l lc o u n t r i e st oe n s u r et h es a f ea n de f i c i e n t o p e r a t i o n t h i sp 印e ri sc o m ef 如mt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t “r i s ka s s e s s m e n tr e s e a r c ha 1 1 ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rc o m p l e t ep l a n t ( p r o j e c tn o 0 2 b k - 0 2 5 ) ，w l l i c hi ss u p p o n e d b yg e n e r a la d 戚n i s t r a t i o no f q u a l i t ys u p e n ，i s i o n ，i n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n eo ft h ep e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep o t e n t i a lf a i l u r em o d e so fs h e l lg a s i f i e r sa i l d u r e as y n t h e t i cc o l u m n s ，w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n te q u i p m e n t si i ll a 玛es c a l e f e n i l i z e ，t os u p p o nt h er i s ka s s e s s m e n tr e s e a r c hf o rc o m p l e t ep l a i l t b a s e do nt h e c o m p r e h e n s i v e l yi n v e s 埏a t i n ga n dal o to fr e l a t i v e d o c i l m e n t s ，t h ef 孤l tt r e e so fs h e l lg a s i 丘e r sa n du r e as y n t h e t i cc 0 1 u m n sa r e e s t a b l i s h e dw i t hf i am e t h o d t h e nt h e1 1 1 i n i m u mc u ts e t so ft 1 1 e s ef a l l l t t r e e sa r eo b t a i l l e dw i t ht h eb o o l e 蛆a l g e b r as i m p l 坶i n gm e t h o d 皿er e s u l t s o ft h es t m c t u r a l i m p o r t a n c e 锄a l y s i ss h o wt h a tt h em a i nf a c t o r sr e s u l t i i 培i i l s h e ug a s i f i e r sf a i l i n ga r eb u m e rb a c k | ! i r ea n d1 i n i n gf a l l i n go 皿t h em a i n f a c t o rr e s u l t i n gi nu r e as y n t h e t i cc o l u m nf a i l i n gi sl i n i n gc o r r o s i o n t h e n ，a c c o r d i n gt oi h er i s ka s s e s s m e n tm e t h o di na p i5 8 0 ，b ym e a n s o fr i s k w i s es o 脚a r ed e v e l o p e db y1 w ，t h eo r t h o g o n a lt e s t sa r ec a r r i e d o u tt of i n dt h em a i na k c t i n gf a c t o r st 0r i s ko fs h e l lg a s i f i e f sa n du r e a 北京化工大学硕士学位论文 s y n t h e t i cc 0 1 u 衄s t h r o u g hs i m p l ea n a l y s i sa n dv a r i a n c ea n a l y s i s ，t l l em o s t s i 驴i f i c a n tf a c t o r st h a ta c te a c hf a i l u r em o d ca r eo b t a i n e d 。 i nt h i s p a p e r ，t h em a i nf a c t o r s t h a tl e a ds h e u g a s i f i e r sa n du r e a s y n t h e t i cc o l u 衄st 0f a i l u r ea i l d 赶f b c tt h e r i s ko ft l l e s ee q u i p m e n t sa r e o b t a i n e d ，a n d 也es u g g e s t i o n st or e d u c et h er i s ka r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：s h e l lg a s i f i e r ，u r e as y n t h e t i cc 0 1 u 砌，f a l l l tt r e ea n a l y s i s ，r i s k a s s e s s m e n t ，o r t h 0 9 0 n a l t e s td e s i g n 北京化工大学硕士学位论文 符号 名称 r b i 鼢 符号说明 说明 r i s k b a s e di l l s p e c t i o n 基于风险的检验 失效树分析法 习中间事件在失效树中指出的由其它事件引起的某事件 或门 两 与门 l 一 下端事件之一发生即可导致上端事件发生的逻辑门 下端事件全部发生才导致上端事件发生的逻辑门； 不发展事件不需要进一步分析原因事件； 基本事件不可能继续分析的原因事件； 转换 底事件 转到失效树的其他部分 第底事件( 包括不发展事件和基本事件) ； 中间事件第一中间事件； 总变差平方和； 因素主效应变差平方和； 试验误差效应的变差平方和： 显著性水平 因素单次试验测定值 舻m函如 口 北京化工大学硕士学位论文 f ，比值 总平均值： 某因素在水平的重复测定次数； 总测定次数： 某因素在水平测定值的总和 全部测定值的总和 因素主效应变差平方和的自由度 因素的方差估计值； 因素爿的水平数 因素+ 的方差估计值与试验误差效应的方差估计值的 比值； 工 m a 产 口 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 2 0 7 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：i ；：亟堑 日期： 趋! ：笸：z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：益：玉垃 日期：洫6 ，6 ：仝 导师签名：滏丝簋1 日期： 北京化工太学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题来源及研究意义和目的 本课题大化肥装置失效分析研究，是国家质量监督检验检疫总局科技 项目成套装置风险评价技术研究及软件开发( 项目编号0 2 b k 0 2 5 ) 的重要组 成部分，是进行成套装置风险评价技术研究的基础内容。 压力容器广泛应用于石油、化工、化肥、冶金、电力等行业，其中的介质往 往具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀性及高温高压的性质，一旦发生泄漏或断裂将 有可能引发火灾、爆炸及中毒事故，使生产和经济遭受严重破坏，生命和财产蒙 受重大损失。另一方面，随着中国加入、 o ，我国企业面临日益加剧的国际竞争， 为了增加企业的核心竞争力，压力容器必须长周期运行，并且维护和检验成本必 须最小化。为了兼顾承压设备的安全性和经济性，必须采用先进的管理技术，风 险评估就是其中的一环。 通过风险评估，企业能将设备的风险排序，按照风险程度合理配置检验检测、 维修维护等资源，针对可能的损伤或劣化模式确定有效、适用的检测监测技术和 方法，从而经济且有效地达到控制风险的目的。因此，压力容器的风险评估技术 得到了普遍的关注。风险评估的前提条件就是进行风险来源辨识，这通常是通过 对设备的失效分析来实现的。因此，失效分析是风险评估的重要基础之一。同时， 由于长期以来的历史原因，我国压力容器还存在超期服役，带“病”运行的现象， 这些设备若盲目的使用，而不及时采取措施、进行监控，必将发生事故。因此， 治理和预防事故已刻不容缓，必须十分重视失效分析的研究及应用方面的工作。 本课题的研究成果，可以为提高谢尔气化炉和尿素合成塔的管理技术水平、 延长现有大化肥装置的使用寿命、避免或减少其突发性失效事故奠定基础。同时， 我国有很多各种规模的化肥厂，这些装置的工作环境和失效形式和本课题所研究 的装置有许多相似之处，所以只要对本专题成果稍加调整，就可以在其它化肥厂 得到推广运用。 本课题针对大化肥装置中两种重要的设备：谢尔气化炉和尿素合成塔，对其 可能发生的失效进行分析，确定其失效原因和失效模式，通过失效树的建立和定 北京化工大学硕士学位论文 性及定量分析，确定失效的主要影响因素；通过正交试验进行风险分析数值试验， 得到对主要失效模式有显著影响的因素，并研究相应的预防措施，从而为保成套 装置风险评价技术研究的顺利进行提供基础条件。 在本课题中，分别对谢尔气化炉和尿素合成塔进行失效分析研究，两部分内 容相对独立，与对大化肥装置的其它设备的失效分析研究共同组成成套装置风 险评价技术研究及软件开发的基础内容。 1 2 本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况 本课题的关键技术包括失效分析技术、风险评估技术和正交实验技术。上述 技术领域的情况简介如下： 1 2 1 失效分析 一般把失效分析的发展历史分为三个阶段，即失效分析的初级阶段、近代失 效分析阶段及现代失效分析阶段【1 】。 第一次世界工业革命前是失效分析的初级阶段，这个时期是简单的手工生产 时期，金属制品规模小且数量少，其失效不会引起重视，失效分析基本上处于对 事故现象进行描述和根据经验确定事故原因的阶段。 失效分析受到真正重视是从以蒸汽动力和大机器生产为代表的世界工业革命 开始，生产大发展，金属制品向大型、复杂、多功能开拓，但当时人们尚未掌握 材料在各种环境中使用的可行性，因此，锅炉爆炸、桥梁倒塌、车轴断裂、船舶 断裂等事故频繁出现，给人类带来了前所未有的灾难。失效的频繁出现引起了人 们的重视，促进了失效分析技术的发展。但限于当时的分析手段主要是材料的宏 观检验及倍率不高的光学金相观测，还不能从微观上揭示失效的本质。此为失效 分析的第二阶段，此阶段一直延至2 0 世纪5 0 年代末，又称为近代失效分析阶段。 2 0 世纪5 0 年代以后，随着电子行业的兴起，微观观测仪器的出现，特别是分 辨率高、放大倍率大、景深长的透射及扫描电子显微镜的问世，使失效分析扩大 了视野，可以对失效的微观机制进行研究，随后大量现代物理测试技术的应用， 如电子探针x 射线显微分析、x 射线及紫外线光电子能谱分析、俄歇电子能谱分 析等，从而促使失效分析的水平上了新的台阶。失效分析现处在第三阶段的历史 发展时期，这是现代失效分析阶段。 北京化工大学硕士学位论文 这一阶段已经走过近半个世纪，并取得了重大的成就。目前失效分析已经是 集断裂特征分析、力学分析、结构分析、材料抗力分析及可靠性分析为一体，已 发展成为跨学科的、综合的和相对独立的专门学科，不再是材料科学技术的一个 附属部分。 失效分折的发展，主要表现为以下三个方面： 一是对失效分析技术的研究和应用。失效分析的研究，主要集中在缺陷危害 严重程度、材料损伤度、可靠度、剩余寿命和安全性等预测方法方面，已经取得 了较大的进展，并在工程应用取得了明显成效吼目前，对于化肥装置涉及到各种 类型的机械设备，已经进行了许多失效分析，例如，建峰化工总厂化肥厂合成氨 二段转化废热锅炉的失效分析【3 】、四川泸天化公司合成氨高压废热锅炉环缝泄漏性 裂纹成因分析【4 l 、贵阳化肥厂c 0 2 吸收塔严重腐蚀的分析与修理【5 l 、某化肥厂尿素 生产中二段蒸发加热器管束腐蚀失效原因分析等【6 j 。 二是建立失效案例库和失效研究系统，使失效分析和预防向优化、动态和系 统安全的方面发展【9 1 。失效分析的耳的是为了防止类似事故的再次发生。通过建立 失效案例库，可以更好地总结事故的教训。在此基础上，结合生产实践和传统理 论，制定强制性安全措施和技术规范、改进用材、设计制造与检验技术，加强新 投用设备质量控制和在役设备的更新与定期检验防范，可以使事故率大幅度下降。 三是失效分析的标准化建设，使失效分析过程具有更严密的科学性【埘。通过 标准化，失效分析的知识将成为完整同一的体系，便于学习和更新。同时，标准 化报告编制软件和设备接口会使失效分析报告更加统一。 目前失效分析有多种方法，可以分为残骸分析法、统计图表法和文字表格法 三类。对压力容器等的失效分析通常采用文字表格法，这类方法包括r 凡 1 ) 特性因素图法，又称因果图法或“鱼刺图”法，从多种错综复杂的的失效 因素中，采取逐渐缩小“包围圈”的方式，找出导致失效的主要因素，多用于质 量管理和失效分析的规划； 2 ) 失效模式影响和致命度分析法( f 砸c a f a j l u r cm o d e 卸de 虢c t sa 1 1 d c r i t i c a i i t ya n a l y s i s ) ，通过研究可能发生的失效及其系统的影响来鉴定设计产品可 靠性的一种技术，是确定失效原因的一种系统方法，多用于可靠性设计； 3 ) 失效树分析法( f 1 t a h i l l l r et r c e a n a l v s i s ) ，是一种逻辑分析方法，通过 对可能造成系统失效的各种因素进行分析，画出逻辑框图，从而确定系统失效的 北京化工大学硕士学位论文 各种方式，以采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种分析方法。 失效树分析法是2 0 世纪6 0 年代初，美国贝尔电话研究所在研究民兵式导弹 发射控制系统的安全性时提出来的。后经改进，对预测导弹发射偶然事故作出了 贡献。其后波音公司对该法又进行了重大改进并应用。1 9 7 4 年美国原子能委员会 利用失效树分析法对核电站的危险性进行了评价，并发表了著名的拉斯姆逊报告， 引起世界各国关注【8 】。 由于失效树分析法具有能详细找出系统各种固有的潜在的危险因素；简洁、 形象地表示出事故和各种原因之间因果关系和逻辑关系；既可定性分析也可定量 分析等优点。因此在航空、机械、冶金、化工等行业得到了普遍的推广和应用。 本课题也将使用失效树分析法进行分析研究。 1 2 2 风险评估 风险就是对不希望发生的事物的危险性的量度，其基本要素为：事故的可能 性和事故的后果两个方面。风险评估又称危险评价，也称安全评价，是对系统发 生事故的危险性进行定性或定量分析，评价系统发生危险的可能性及其严重程度， 以寻求最低的事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。风险评估是安全管理 和决策科学化的基础，是依靠现代科学技术预防事故的具体体现。 风险评估方法可以分为以下三类【1 l 】： 1 ) 定性方法。这类方法主要根据经验对系统的工艺、设备、环境、人员、管 理等各方面进行定性的评价。这类方法简单易行，评价过程和结果直观，但含有 相当高的经验成份，带有一定的局限性，而且不同评价对象的评价结果之间没有 可比性。 2 ) 半定量方法。这类方法以系统中的危险物质和工艺为评价对象，将影响事 故频率和事故后果的各种因素指标化，用一定的数学模型综合处理这些指标，从 而评价系统的危险程度。这类方法操作简单，应用很广，但各种指标的层次关系 和综合方法缺乏足够的数学依据，并且使用了主观意识和经验成份较重的评分方 法来确定指标的取值。 3 ) 定量方法。这类方法以系统的事故发生概率来评价其危险程度。这类方法 要求数据准确、充分，能充分描述系统的不确定性，但通常要耗费大量的人力物 力。 北京化工大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代初期，安全系统工程引入我国，受到许多大中型企业和行业管 理部门的高度重视。通过消化和吸收国外评价方法，1 9 8 7 年原机械电子部首先提 出了在机械行业内开展机械工厂安全评价，并于1 9 8 8 年颁布了第一个部颁安全评 价标准机械工厂安全性评价标准。此后，原化工部劳动保护研究所提出了化 工厂危险程度分级方法。有关部门还相继颁布了医药工业企业安全性评价通 则、航空航天工业工厂安全性评价规程、石化企业安全性综合评价办法、 电子企业安全性评价标准、兵器工业机械工厂安全性评价方法和标准等【1 2 1 。 尽管国内外已研究开发出几十种风险评估方法和商业化的风险评估软件包， 但由于风险评估不仅涉及技术科学，而且涉及管理学、伦理学、心理学、法学等 社会科学的相关知识。另外，风险评指标及其权值的选取与生产技术水平、安全 管理水平、生产者和管理者的素质以及社会和文化背景等因素密切相关。因此， 每种评估方法都有一定的适用范围和限度。 近年来，一些发达国家开始在管道工业和化工装置上应用风险评估( 或称风 险分析) 的方法寻求减少风险需要投入的资金量和改进管理的方向，并已取得了 积极的成效【1 1 ，”】。在风险评估的研究上，大部分研究者主要考虑内压、温度、外部 载荷、壁厚减薄、新缺陷的生成等多种因素共同作用下的失效可能性。此外，也 有研究者对不确定性的风险因素做评估，例如，对操作者人的可靠性的研究， 自然灾害等方面的研究，及对变化规律和与时间有关的失效因素的研究【。7 】。目 前，我l 虱积极吸取外国风险评估方法中的适用部分，发展了我国成套装置、长输 管道和城市燃气管道的风险评估方法，并在工程实践中大力推广应用。 近年来，在成套装置方面，基于风险的检验( r b i ) 技术方兴未艾。r b i 以设 备破坏而导致的介质泄漏为分析对象，以设备检验为主要手段的风险评估和管理 过程。它主要关注因为材料劣化而引起的设备破坏，主要通过检验来控制设备的 风险【1 8 t 1 9 】。风险在各设备中不是均匀分布的，几乎所有的设备风险( 约为设备总 风险的9 0 ) 由少量设备( 不足设备数量的2 0 ) 承担。传统意义上的检验方法 较为保守，并没有考虑设备的风险。而r b i 技术通过辨识设备潜在失效机理、失 效的可能性、潜在的破坏后果严重程度，合理的配置检验资源，可以把检验和管 理的重点集中于少量的高风险的设备，从整体上减少了检验和维护成本，提高了 设备的安全性和可靠性，真正降低了设备的潜在风险。 本课题将应用r b i 风险分析技术来计算谢尔气化炉和尿素合成塔的风险以及 北京化工大学硕士学位论文 剩余寿命。 1 2 3 正交设计 在生产和科学研究中，经常要做许多试验，试验是要花费人力、物力和时间 的。如果试验之前不对试验进行合理的设计，不仅会造成浪费，而且即使试验次 数进行的较多，结果却不一定会令人满意，因此，如何合理地安排一定数量的试 验，就可获得足够的信息，试验设计是数理统计的一个重要分支。试验设计的种 类很多，其中正交试验设计法是通过事先设计好的一套“正交表”来安排试验的。 借助正交表可以选出具有代表性的试验，以较少的试验次数所取得的数据进行统 计分析，而能得到满意的结剿捌。 正交试验设计法又称正交试验法、正交设计法，是一种安排和分析多因素试 验的科学方法，它是以人们的生产实践经验、有关的专业知识和概率论与数理统 计为基础，利用一套根据数学上的“正交性”原理而编制并已标准化了的表格一 一正交表，来科学地安排试验方案和对试验结果进行计算、分析，找出最优或较 优的生产条件或工艺条件的数学方法。正交设计方法的理论有许多新发展，其中 的些便于应用的结果有：回归分析在正交设计中的应用、均匀正交设计、正交 设计的d 最优性，以及正交设计的投影性质等【2 1 1 。 我国于6 0 年代末期开始普遍使用正交设计，在7 年代，其应用达到高潮【功。 正交设计方法多用于农业、医药、化学工艺方面试验的研究，应用在机械产品上 也有一些应用，例如，为了获得最佳的切削条件，以便预测切削力，控制加工质 量，利用多因素正交试验建立了含有前角因子的切削力经验公式【纠；在获得 高强度耐磨合金化学成分与性能的试验数据的基础上，利用二次正交回归设计建 立数学模型，采用最优解的约束可变多面体法进行合金成分与性能的最优化计算， 使合金设计定量化、最优化【刎；在现代机械设计中，采用正交设计法进行机构设 计参数优化，用较少的计算次数获得基本上反映全面情况的分析资料，通过计算、 观察和分析，迅速找到在全设计域上的最优解【删，但在机械产品的失效分析试验 方面的应用则非常少见。 1 3 本课题所作的主要工作 本课题主要在查阅有关资料和现场调研的基础上，运用风险评估基本原理， 6 北京化工大学硕士学位论文 首先采用失效树分析法分别建立谢尔气化炉和尿素合成塔失效树，并对其进行最 小割集分析( 定性分析) 和结构重要度分析( 定量分析) ，确定失效的主要因素。 然后按照a p i5 8 1 中规定的风险计算方法，以英国t w i 公司开发的风险评估软件 鼬s k w i s e 为工具，对谢尔气化炉和尿素合成塔进行风险分析数值试验，用正交试验 设计方法安排试验和分析试验数据。通过对试验结果进行直观分析和方差分析， 得到对每种失效模式影响最显著的因素。 本课题针对谢尔气化炉和尿素合成塔，进行以下研究： 1 ) 调研分析可能的失效原因和失效模式 2 ) 建立失效树 3 ) 进行失效树最小割集分析 4 ) 进行失效树重要度分析 5 ) 采用正交设计法进行试验设计 6 ) 根据r b i 风险分析方法进行风险分析，分析主要因素对设备失效的影响 7 ) 对试验结果进行分析总结 8 ) 提出相应的预防措施 北京化工大学硕士学位论文 2 1 失效树分析法 第二章基本原理 2 1 1 失效树分析法概述 如前所述，失效树分析法( f 1 1 a f a i l u r et r e ea n a l y s i s ) ，是一种逻辑分析方法， 通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析，画出逻辑框图，从而确定系统失 效原因的各种方式，采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种分析方法。 f i a 法的步骤，因评价对象、分析目的、精细程度等而不同，其主要步骤包 括【2 6 】： a ) 失效树的建立 b ) 失效树的最小割集分析 c ) 失效树的重要度分析 迄今为止，f 1 1 a 已经被国内外公认为对复杂系统的安全性、可靠性进行分析 的成熟方法，本课题也是应用失效树分析法来进行大化肥装置的失效可能性分析。 2 1 2 失效树的建立 失效树的建立是失效树分析法的关键，因为所建立的失效树的完善程度将直 接影响定性分析和定量计算结果的准确性。失效树的建立工作十分庞大烦杂，必 须十分慎重、仔细、并广泛地掌握设计、使用等各方面地经验和知识才能完成。 建树的过程就是对系统仔细、透彻分析的过程。不同的人从不同的角度所建的失 效树是不相同的，目前还没有一种有效的统一的建树方法。一般的建树方法可分 为两大类：演绎法和计算机辅助建树的合成或决策表法。本课题采用演绎法，演 绎法建立失效树一般可以按以下步骤进行【韧： ( 1 ) 对系统进行分析、理解、掌握 确实了解掌握被分析系统的情况，如工作系统的工作程序、各种重要参数、 作业情况及环境状况等。 ( 2 ) 调查事故、查明原因 应尽量广泛地了解所有事故，不仅要包括过去已发生的事故，而且也要包括 北京化工大学硕士学位论文 未来可能发生的事故；不仅包括本系统发生的事故，也包括同类系统发生的事故。 查明能造成事故的各种原因，包括机械故障、设备损坏、操作失误、管理和指挥 错误、环境不良因素等等。 ( 3 ) 确定顶事件( 第一层次) 顶事件，即所要分析的失效事件( 人们所不期望的事件) 。顶事件的确定可依 据所需分析的目的直接确定或在调查事故的基础上提出。顶事件用一矩形表示， 且放置于失效树的最上层。 ( 4 ) 列出造成定事件的直接原因事件( 第二层次) 在顶事件之下，并列写出造成顶事件的所有直接原因事件，这些事件被称为 中间事件。然后依据上下层各事件的逻辑关系，用“逻辑门”把它们连接起来。 如果下层事件必须全部发生顶事件才发生，就用“与门”连接，如果下层任一事 件发生顶事件就发生，则用“或门”连接。 在本课题中造成顶事件的直接原因主要从环境不良因素，机械设备故障或损 坏，人的差错( 操作、管理、指挥) 三方面加以考虑。 ( 5 ) 写出往下其它层次 当第二层确定出来后，接下去把第二层各事件的所有直接原因写在对应事件 的下面( 第三层次) ，用适当的逻辑门把二、三层事件连接起来。这样层层往下， 直至底事件。底事件包括基本事件和不发展事件，基本事件是不可能继续分析的 事件，不发展事件是不需要继续分析的事件。这样就构成了一株以顶事件为根、 中间事件为节、底事件为叶子的失效树。 2 1 3 失效树最小割集分析 所谓最小割集指包含于其中的全部基本事件发生是造成顶事件发生的必要充 分条件的集合。它表示系统的危险性，每一个最小割集都是顶事件发生的一种可 能，即最小割集表示的那些故障和差错同时发生时，顶事件就发生。失效树中有 几个最小割集，顶事件的发生就有几种可能。最小割集越多，系统越危险。确定 最小割集是一种重要的定性分析手段。其目的是为了寻找系统的最薄弱的环节， 即发现系统最容易发生失效的环节，以便集中力量解决这些薄弱环节，提高系统 的可靠性。 本课题采用布尔代数化简法确定失效树的最小割集。 北京化工大学硕士学位论文 布尔代数化简法是将失效树从顶事件开始逐级按失效树上的逻辑关系写出事 件函数，即从失效树得第一层事件开始，“或门”的事件用逻辑和表示，“与门” 的事件用逻辑积表示；再用第二层事件代替第一层，第三层入事件代替第二层， 直到所有事件函数均用基本事件表示，就得到失效树的失效函数。然后利用逻辑 代数的幂等律、吸收律、交换律运算法则，予以简化成具有最小项数的积之和表 达式，就可得出构成失效树的各组最小割集i 蜊。 用布尔代数化简的几个主要运算定律有： ( 1 ) 分配律 口( 6 + c ) - ( 口6 ) + ( 口c ) ( 2 。1 ) 口+ ( 6 c ) 一0 + 6 ) 0 + c ) ( 2 2 ) ( 2 ) 幂等律 口+口t口(23) 口4 一口 ( 2 2 ) ( 3 ) 吸收律 n + d 6 一口 ( 2 - 2 ) 口( 口+ 6 ) _ 4( 2 2 ) 2 1 4 失效树结构重要度分析 失效树的重要度分析是一种定量分析，是分析各因素对失效的“贡献”程度。 重要度分析包括结构重要度分析、概率重要度分析和临界重要度分析。结构熏要 度分析是从失效树的结构上分析各因素的重要程度：概率重要度分析是考察各因 素发生概率的变化对顶事件概率的影响程度；临界重要度是从各因素发生概率的 变化对顶事件发生概率的影响程度( 即概率重要度) 和因素自身发生概率的双重 角度来衡量各因素的重要性。由于确定所研究设备的每种失效模式的发生概率存 在一定困难，所以本课题采用结构重要度分析的方法对建立的失效树进行定量分 析。 在一棵失效树中，不同的基本事件所处的地位不同，则其对上层事件的影响 也不同。所以了解掌握各基本事件的发生对上层事件发生所产生的影响程度，有 助于人们获得系统的重要信息。 本文利用最小割集法来分析失效树中各基本事件的结构重要度，即给每一个 北京化工大学硕士学位论文 最小割集都赋予值1 ，而最小割集中的每个底事件都得到相等的一份，然后计算每 个底事件的累计得分，根据得分多少，排列出其结构重要度顺序。 2 2 风险数值试验 2 2 1 试验方法概述 在失效树分析中找到了导致设备失效的主要失效模式和主要原因事件，为了 进一步深化研究，选择可能影响设备风险的因素进行风险数值试验，考察已选定 的因素对设备风险的贡献，寻找导致高风险的主要因素，以找出降低风险的有效 措施。 本课题中的试验是根据失效树分析的结论，选定要考察的对设备风险影响较 大的多个因素，应用正交设计法将各因素的多种变化情况排列组合构成多种工况， 根据a p i5 8 1 基于风险的检验基础资源文件( r b h i s k b a s e di n s p e c t i o n ) 中介绍的风险分析原理对所研究设备的多种工况进行风险分析，以r i s k 、v i s e 为计 算工具进行试验，并根据正交设计法来进行试验结果分析。 2 2 2 风险概述1 3 ，2 9 l 风险是失效后果与失效可能性的乘积，即 风险= 失效后果失效可能性 值得注意的是，风险是个相对的概念，与绝对值的大小相比，相对值高低才 具有工程上的实际意义。 在a p i5 8 1 基于风险的检验基础资源文件中用图2 1 所示的风险矩阵 表示风险。风险矩阵中的列表示失效失效后果，共分5 个等级，等级a 表示失效 后果最小，等级e 表示失效后果最大。风险矩阵中的行表示失效可能性，也分5 个等级，等级1 表示失效可能性最低，等级5 表示失效可能性最高。 综合考虑失效可能性和失效后果，风险矩阵分为以下4 个等级： 1 低风险，包括1 a 、2 a 、3 a 、1 b 、2 b 、3 b 2 中等风险，包括4 a 、4 b 、1 c 、2 c 、3 c 、1 d 、2 d 3 较高风险，包括5 a 、5 b 、4 c 、5 c 、3 d 、4 d 、1 e 、2 e 4 高风险，包括5 d 、3 e 、4 e 、5 e 北京化t 人学硕士学位论文 上述划分方法在设备风险评估中得到了广泛的应用。英国t w i 公司( 世界材 料连接技术中心) 根据其多年来在设备风险评估上的实践经验，对上述方法进行 了局部调整，将a p 【5 8 1 中给出的低风险区细分为低风险区和较低风险区。调整后 的风险矩阵如图2 2 。 图2 火5 哿a 能 蒜， 级2 火效后果类别 a b cd e 火效后果等级 图2 2 英国t w i 调整后的风险矩阵图 调整后的风险矩阵分为以下5 个等级： i 低风险，包括1 a 、2 a 、l b 2 较低风险，包括3 a 、2 b 、3 b 3 中等风险，包括4 a 、4 b 、1 c 、2 c 、3 c 、1 d 、2 d 4 较高风险，包括5 a 、5 b 、4 c 、5 c 、3 d 、4 d 、l e 、2 e 5 高风险，包括5 d 、3 e 、4 e 、5 e 对设备进行风险分析主要是确定设备失效的可能性和后果。下两节将简要说 明确定设备失效可能性和失效后果的方法。 骊一震 日 睡 翻 踊圈圈毖灌骶圈 北京化工大学硕士学位论文 2 2 3 确定失效可能性： a p l 5 8 1 提出的失效可能性计算公式为： 失效可能性= 通用失效频率x 管理修正系数设备修正系数 管理修正系数反映了工厂的管理对设备失效可能性的影响，而设备修正系数 则反映所评估设备自身的状况，它包含技术模型子因子、通用子因子、机械子因 子和工艺子因子四个子因子，其中技术模型子因子起着决定作用。 根据a _ p i5 8 1 附录b ，在半定量r b i 中，按照表2 1 根据技术模型子因子确定 失效可能性等级。 表2 - 1 技术模型子因子与失效可能性等级的换算 技术模型子因子失效可能性等级 ( 1l l 1 02 1 0 1 0 0 3 1 0 0 1 0 ( ) o4 1 0 0 0 5 而在础s k 、i s e 软件中，需要对每种潜在失效模式，判断其在1 个、2 个和3 个检验周期时发生的可能性，即从以下三个选项中进行选择： 1 ) n o tc r c d i b l e 不可能发生 2 ) u m i k d y 不太可能发生 3 ) 【j k e l v 可能发生 为了便于计算，本课题建立了失效可能性等级与r i s k w i s e 软件中的失效可能 性选项的关系 1 ) 1 级和2 级对应n d t c r e i 抽l e 不可能发生； 2 ) 3 级和4 级对应u n l m d v 不太可能发生； 3 ) 5 级对应可能发生 因此，可以根据技术模型子因子，按照表2 2 确定失效可能性选项。 鉴于文章篇幅有限，各种失效模式的技术模型子因子计算方法可参考a p i5 8 1 附录g 、h 、i 、j 、k 、l 、m 、n 【1 8 】。 表2 2 技术模型子因子与失效可能性选项的换算 技术模型子因子失效可能性选项 1 0 0 i j k e l y 发生 北京化工大学硕士学位论文 2 2 4 确定失效后果： r i s k w i s e 软件可以根据输入的信息自动计算设备的失效后果，虽然其计算尚未 达到定量的程度，但对本课题所研究的大化肥装置而言，其生产设备和生产工艺 都是既定的，基本不可能从采取措施减少失效后果的角度降低风险。因此，本课 题进行风险数值试验时，重点在于对失效可能性等级的研究，对失效后果而言， 采用砒s k w i s e 软件的计算结果即可。 2 2 - 5 砌s k w i 软件介绍 试验过程是以砌s k w i s e 为工具计算风险。m s k w i s e 软件是英国n i 公司( 世 界材料连接技术中心) 依据a p l 5 8 1 基于风险的检验【1 5 】开发的大型装置风险评 估计算软件。该软件从设备当前状况、发生破坏的概率大小、检验有效性、停车 频率、操作稳定性、操作工况与设计的相互关系、修理等7 个方面计算失效可能 性，从介质损失量、压力、介质的可燃性、介质的毒性、事故的工艺影响范围、 设备位置、修理更换时间、对人员环境的影响、安全保护装置等9 个方面计算失 效后果，从而分别计算出1 、2 、3 个检验周期所对应的风险，并可以推算剩余寿 命因子。 2 3 正交试验设计方法 正交试验能够通过代表性很强的少数次试验，摸清各个因素对试验指标的影 响情况，确定出因素的主次顺序，找出较好的生产条件或最优参数组合。正交试 验的优选结果，即使不是全面试验方案的最好方案，至少也是接近相当好的方案 之一。经验证明，它是一种解决多因素试验问题的卓有成效的方法【3 0 j 。 本课题进行的试验要考察的因素较多，如果进行全面试验，一方面可能会造 成工况过多过细，对失效模式发生的可能性的判断带来许多困难；另一方面增加 了试验结果的分析的难度和工作量，而且分析结果未必更好，所以本课题采用正 交试验设计方法来进行试验设计和结果分析。 2 3 1 正交设计的基本原理 正交表是正交设计的基本工具，它是根据均匀分散的思想，运用组合数学理 论在拉丁方和正交拉丁方的基础上构造的一种表格。常用的正交表有：k ( 2 3 ) 、 北京化工大学硕士学位论文 b ( 3 4 ) 、l 1 6 ( 4 5 ) 、k ( 5 6 ) 等。正交表记号l 咀( t q ) 所表示的意思是：卜正交表代号；n 一正交表行数；卜一各个因素的水平数( 不同取值) ：q 一正交表列数，也就是该正 交表所能考虑的因素的最大数量。例如，b ( 3 4 ) 表示4 因素3 水平的正交表，对应 9 次试验，试验安排如表2 3 所示： 试验号因素a因素b因素c 因素d 1 a 1b 1c ld l 2 a 1 b 2qd 2 3 a 1 b 3c 3 d 3 4 a 2b lqd 3 5 a 2b 2 c 3d 1 6 a 2 b 3 c ld 2 7 a 3b 1c 3d 2 8 a 3b 2c ld 3 9 a 3b 3c 2d 1 从上表的试验安排可以看出，正交表具有两个基本性质：( 1 ) 任意一列中各 水平出现的次数相同；( 2 ) 任意两列所构成的水平对中，每个水平对重复出现的 次数相同。如果对于四因素三水平进行全面试验，需进行2 7 次试验，而正交试验 只需进行9 次试验，所以正交试验是部分试验。但用正交表安排试验，可以使因 素之间搭配均匀，试验点分布均衡，具有均衡分散性。同时，由于各因素水平的 变化很有规律，按照一定顺序变化，各因素各水平出现的次数相同。因此，其它 各因素对试验结果的影响基本上相同或相近，最大限度地排除了其它因素的干扰， 突出了被考察因素的效应，便于比较因素各水平的效应，提高了安排多因素试验 的效率【3 1 l 。 用正交表安排试验，要根据问题的情况，选择合适的正交表。选择正交表时， 首先要求正交表中因子数q 大于或等于实际因子数，其次要求正交表中水平数t 与每个因子水平数一致，然后适当选用试验次数n 较小的正交表，然后进行表头 设计，即可制定试验方案了。 2 3 2 正交试验的结果分析 分析正交试验数据的方法， 2 3 2 1 直观分析法 直观分析法又称为极差法。 有直观分析法和方差分析法【3 2 0 3 1 。 极差的大小反映了试验中各因素影响的大小，极 北京化工大学硕士学位论文 差大表明该因素的影响大，是主要因素；极差小说明该因素的影响小，为次要因 素或不重要因素。直观分析是先计算每一水平下试验指标值的总和与平均值，再 绘制试验指标平均值对因素水平的关系图。由图中的关系曲线即可分析试验指标 值随因素水平变化而变化的趋势。 直观分析的优点是简便、计算工作量小。但这种分析方法判断因素效应的精 度不高，不能给出试验误差大小的估计，不能区分各水平所对应的试验结果间的 差异究竟是由于因素水平不同所引起的，还是由于试验误差所造成的。 2 3 2 2 方差分析法 方差分析是根据变差平方和的加和性原理，在变差平方和分解的基础上，借 助于f 检验，对影响总变差平方和的各因素的效应及其之间的交互效应进行分析 与判断。方差分析通过分析数据的方差来分析因素对指标影响的大小。 1 方差分析的原理 在进行方差分析时，将欲考察的指标称为试验指标，影响试验指标的条件称 为因素，因素所处的状态称为水平。 方差分析的程序如下： ( 1 ) 由样本值计算各项交差平方和及其相应的自由度，算出各项方差估计值 ( 2 ) 选定显著性水平n ，由f 分布表查出相应自由度时的临界值f 口( 尼。l ) ( 3 ) 由样本数据计算试验统计量值f ( 4 ) 如果f 矗。( 矗，1 ) ，说明试验条件的改变对试验指标的影响是显著性的a 2 多因素试验数据的方差分析【6 弭3 9 】 方差分析是处理多因素试验数据的基本方法之一。下面以两因素交叉分组全 面试验为例介绍方差分析的计算方法。 设试验有两个因素4 、b 。总变差平方和q 、因素爿主效应变差平方和也、 因素b 主