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基于FTA的不锈钢管壳式换热器失效模型安全评价分析

文档作者：陈仙凤赵星波蒲建忠文档来源：绍兴市特种设备检测院		点击数：	更新时间： 2022年03月19日
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基于FTA的不锈钢管壳式换热器失效模型
安全评价分析
陈仙凤，赵星波，蒲建忠
(绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴312071)
摘要：故障树分析(F11A)是进行故障诊断和可靠性分析的有效手段。在不锈钢管壳式换热器失效
案例统计和分析的基础上，建立不锈钢管壳式换热器失效FTA模型，对模型定性分析、定量计算分
析系统可靠性，找出系统关键环节。以服役5年的不锈钢管壳式换热器为例，采用模型计算出的失
效概率与实际样本统计值基本吻合。
关键词：故障树分析；不锈钢管壳式换热器；失效模型；定量分析
中图分类号：TH128；TQ051．5 文献标志码：B 文章编号：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
不锈钢管壳式换热器因适应性强、选材广等
优点广泛应用于印染、医药、石油、化工与制冷行
业，但其结构复杂、使用工况多样，易发生局部失
基金项目：浙江省质量技术监督局重大科研计划项目(20120257)
· 64·
效，破坏系统长周期运行，轻则影响生产，重则造
成事故。本文在前期大量不锈钢管壳式换热器失
效案例统计和分析的基础上，采用故障树分析
(Fault Tree Analysis，以下简称FTA)建立不锈钢
管壳式换热器失效模型，对模型进行定性、定量分
析，找出系统关键环节。以服役5年的不锈钢管

CPVT 基于FTA的不锈钢管壳式换热器失效模型安全评价分析
确定不锈钢管壳式换热器失效FI?A模型的
顶事件( )、中间事件( )和基本事件( )，理清
各事件之间的逻辑关系。以最不期望发生的“不
锈钢管壳式换热器失效”作为顶事件，以管束失
效、管束与管板连接处泄漏、管箱失效、法兰连接
失效作为一级中间事件，模型共有29项各级中间
事件(见表1)和32项基本事件(见表2)。
1．3 不锈钢管壳式换热器失效模型
采用与、或门自顶向下规范建树 ，不锈
钢管壳式换热器失效故障树如图3所示。
图3 不锈钢管壳式换热器失效故障树
2 不锈钢管壳式换热器失效模型分析
2．1 不锈钢管壳式换热器失效模型定性分析
用最小割集、最小径集及结构重要度对建立
的失效模型进行定性分析。最小割集是顶事件发
生的最低限度基本事件的集合，不锈钢管壳式换
· 66·
热器失效故障树经布尔代数计算后得到29个最
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)，其中一阶割集26个，二阶割集1
第32卷第11期 压 力 容 器 总第276期
个，四阶割集2个。
最小径集在失效故障树中是防止顶事件发生
最低限度基本事件的集合。该系统经计算后得到
4个最小径集如下：
最小径集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)
最小径集2：( 1， ， ， ， ，X9，XIO，
X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，
X21，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，
X31，X32)
最小径集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)
最小径集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)
该失效模型结构重要度：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，割集阶数越少，顶事件发生概率越
大；最小径集越多，每个最小径集含有的基本事件
数越少，系统越安全。该模型中一阶割集较多，导
致不锈钢管壳式换热器失效的影响因素较多；最
小径集较少，每个最小径集中涉及的基本事件较
多，不锈钢管壳式换热器系统安全性不高，易发生
失效事故；基本事件结构重要度较平均，提升管壳
式换热器系统整体安全性的成本较高。
2．2 不锈钢管壳式换热器失效模型定量分析¨
用顶事件发生概率、临界重要度和概率重要
度对不锈钢管壳式换热器失效模型进行定量分
析。本文采用专家自然情况指标分配表(见表3)
按式(1)得到10位专家权重指标(见表4)，利用
专家权重判断法结合基本事件失效经验模糊数、
按式(2)确定服役5年的不锈钢管壳式换热器基
本事件的发生概率(见表5)。
专家权重值计算如下：
=口 ／ fl, (1)
k=1
式中 ——第n位专家的权重值
口 ——第1,位专家的自然情况得分
基本事件的发生概率计算如下：
10
Ix = M (2)
式中 发生概率
— — 第k位专家权重
— — 第k位专家对 给出的发生概率
经验值
表3 专家自然情况指标分配表
类别 类别分 级别 级别分
教授级高工 6
职称 4 高级工程师 4
工程师 3
助理工程师 1
30年以上 5
20—30年 4
工龄 3 10
— 2O年 3
5～lo笠 2
博士 4
学历 2 研究生 3
本科 2
大专 1
5O岁以上 4
年龄 1 40—50岁 3
30—40岁 2
30岁以下 1
表4 专家构成及权重
专家序号 职称分 工龄分 学历分 年龄分 权重
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的不锈钢管壳式换热器失效模型安全评价分析 Vo1．32 No．1 1 2015
表5 服役5年不锈钢管壳式换热器基本事件的
发生概率 3 结语
基本事件 发生概率 基本事件 发生概率
1 0．025 17 0．0o3
0，O2 18 O．02
船 0．O15 姗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
鹚 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
通过失效模型计算得到服役5年的不锈钢管
壳式换热器失效顶事件的发生概率为17．36％ ，
与以3748台服役5年左右的不锈钢管壳式换热
器为样本统计出的失效率19．48％基本吻合。由
于建模时排除了极少出现的影响失效的因素，所
以模型计算得到的失效概率比实际统计失效概率
偏低。X21，X1， 18，X19，X26，X32，X24，X25，
X16，X23这10个基本事件的临界重要度、概率重
要度排名前十。临界重要度、概率重要度高的基
本事件就是不锈钢管壳式换热器失效中应重点控
制和管理的对象。从定量分析结果可以看出，温
差热应力，胀、焊连接，选材，介质，防腐措施，管束
设计等是影响不锈钢管壳式换热器可靠性的主要
因素。
· 68 ·
不锈钢管壳式换热器失效FTA模型是进行
故障诊断和可靠性分析的有效手段。通过模型最
小割集和最小径集、结构重要度的定性分析可分
析系统失效模式、失效薄弱环节；通过确定基本事
件失效概率，定量计算临界重要度、概率重要度可
分析出影响系统可靠性的主要因素，得到不锈钢
管壳式换热器失效发生概率，对检验和故障维修
及预防等具有重要的参考价值。
参考文献：
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收稿日期：2015—08—12 修稿日期：2015—10—21
作者简介：陈仙凤(1980一)，女，工程师，总师办副主任，
研究方向：失效分析、特种设备检验与管理、金相检验，通
信地址：312071浙江省绍兴市袍江新区世纪东街17号质
监大院特检院，E—mail：353908779@qq．corn。

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