基于故障树的锅炉汽包可靠性分析

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1、166化工机械2013年基于故障树的锅炉汽包可靠性分析田乾+陈平石莹徐雪倩(北京化工大学机电工程学院CAE研究中心)摘要对可能引起汽包失效的各个因素进行了系统的分析，建立了以汽包失效为顶事件的故障树。通过求出故障树的各阶最小割集以及各个基本事件的概率重要度，确定汽包主要的失效影响因素，并提出相应的解决措施。关键词锅炉汽包故障树可靠性最小割集概率重要度中圈分类号TQ054文献标识码A文章编号0254_6094(2013)02．0166m5汽包是自然循环锅炉中最重要的受压元件。其工况复杂苛刻，在长时间的运行中容易产生缺陷甚至失效，这会导致锅炉发生故障，从

2、而造成巨大的损失，国内、外众多学者就维护汽包安全运行和可靠性分析展开了大量的研究。BelyakovII等¨o根据现场经验和计算分析找出了汽包内部部件损坏的原因，并提出了相应的方法来提高汽包运行的可靠性，但此方法缺乏对汽包整体的全面考虑；晏思聪等旧1提出一种概率疲劳断裂失效分析的新方法，该疲劳可靠性分析模型所预测的结果比较理想且精度很高，但同时也需要初始疲劳质量。而其他方法，例如IC法、一次二矩阵法和蒙特卡罗分析法均需要大量的数据为支撑p1。针对以上问题，为了全面而又快捷的分析汽包的可靠性，作者引用了故障树分析方法，利用其直观明了，思路清晰，逻辑性强，

3、可以做定性分析也可以做定量分析的特点来对汽包的可靠性进行分析。1汽包的失效模式分析汽包的可靠性是通过设计、制造、安装以及运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节失控都会导致其寿命降低甚至失效。其失效形式主要分为以下3种：a．鼓包变形开裂，由于水质不良和长时间的运行，汽包底部沉积大量垢渣，锅垢与钢板的膨胀系数不同，在加热和冷却时，汽包的钢板与锅垢接触的表面上产生较大应力，当应力超过钢板的强度极限时发生开裂导致过热鼓包。若材料内部存在粗大的夹杂物，这些夹杂物也就相当于金属内部的锐角，会导致应力集中，使其在变形过程中成为裂纹源，并在外力的持续作用下，进一步

4、扩展，最终导致开裂H。。b．腐蚀断裂，汽包的内壁由于长期受到炉水的浸渍，在水中氧的去极化作用下，在管内的钝化膜破裂处发生氧腐蚀；从制造到安装、运行都有可能发生氧腐蚀。应力集中区域会促使点蚀的产生，受到热冲击时，会使内壁中性区域产生疲劳裂纹，在停炉时存在积水也会产生内壁腐蚀。C．低周疲劳断裂，低周疲劳损伤是汽包的主要失效形式之一"1。调峰机组启停频繁，经常处于急剧的变负荷工况，造成疲劳裂纹的产生。这些疲劳裂纹容易在给水管孔、下降管孔处产生，且与最大应力方向垂直，在纵焊缝，环焊缝和人孔焊缝处也可能产生。汽包局部区域的应力集中，焊接的缺陷和裂纹往往是低周疲

5、劳裂纹的源点。2汽包的失效故障树分析2．1故障树的建立故障树分析法(FaultTreeAnalysis)是分析大型复杂系统的安全性和可靠性的有效工具。该方法已在核能、航空航天及石油化工等领域得到广泛的应用。故障树分析是从分析失效因果关系中}田乾，男，1986年12月生，硕士研究生。北京市，100029。第40卷第2期化工机械167的“顶部”开始直到“底部”事件，从果到因、自上而下进行分析。通过故障树分析可确定系统的薄弱环节。故障树的结构函数可用最小割集进行有效描述，其结构函数一般分为或门和与门事故树结构函数拍。。在对汽包进行故障树分析时，选取“汽包的

6、失效”为顶事件，引起波纹管失效的最直接原因是鼓包变形开裂、腐蚀断裂和低周疲劳断8．故障树1裂。同样，以汽包失效的3个原因作为中间事件，用类似方法继续深入分析，找出中间事件发生的原因。依次类推，直至分解到代表各种故障形式的基本事件为止。图1为建立的汽包失效故障树，该故障树经过简化，共考虑了25个基本事件，14个中间事件，各基本事件和中间事件的符号含义见表1。e．故障树3b．故障树2图1汽包失效故障树表1汽包故障树事件符号及含义d．故障树4符号事件名称符号事件名称符号事件名称F汽包失效B4机械应力xt2工况变动引起的交变热应力T。脆性断裂B5附加载荷x。

7、，接管处结构突变T：疲劳断裂B6热应力x14加工缺陷L腐蚀断裂X，排污管堵塞xt，焊接缺陷A-水质不良xz加药罐堵塞x16划痕A：外力持续作用x3锅炉给水不合格x17夹渣As应力集中x．焊接残余应力x。8除氧器故障导致氧含量大A一表面质量差Xs胀接残余应力X-9水中氯离子如汽包内部环境K不圆度造成的弯曲应力x20超负荷运行A6载荷过大x，启停压力升降x2I工况不佳A7交变应力作用x8正常运行稳定压力x2z启停状况过多A8材料性能不佳x9自身均匀载荷X：，温度变化过快B，炉水的杂质浓缩作用X-o支撑，悬吊等引起的局部集中载荷x”材料选择不当Bz炉水碱性

8、大X--部件温差引起的稳定热应力x25焊接性能不佳168化工机械2013钽2．2汽包故障树的定性分析故障树定