高温法兰连接系统可靠性及风险评价

南京工业大学硕士学位论文高温法兰连接系统可靠性及风险评价姓名：沈轶申请学位级别：硕士专业：化工过程机械指导教师：陆晓峰20060501南京工业大学硕士学位论文I摘要随着现代过程工业装置逐渐向着大型化和高参数方向发展，为保证装置的长周期安全运行，对其密封连接结构，特别是工作在高温下的螺栓法兰连接系统的可靠性提出了越来越高的要求。高温螺栓法兰连接系统的失效不仅会造成巨大的经济损失，而且还会污染环境，甚至酿成重要人员伤亡事故。因此，对高温螺栓法兰连接系统进行可靠性分析及风险评价具有重要意义。本文主要工作如下：1.在工业生产中，许多机械和设备的法兰连接系统都是在高温、高压条件下工作的。由于长期在高温状态下工作，高温蠕变会使得法兰连接系统的螺栓材料产生不可逆转的塑性变形，直至破坏。为了研究螺栓材料在高温下的特性，本文对25Cr2MoVA螺栓材料在550℃下的高温蠕变性能进行了试验，由实测的蠕变试验数据，通过Oring6.0和Nonline等软件拟合出了25Cr2MoVA螺栓材料的高温蠕变本构方程。2.近年来，由于法兰连接系统数目的增加、工况条件的复杂性，法兰连接系统的故障率也不断的上升。为了更方便、直观、简洁的分析螺栓法兰连接系统的可靠性，本文根据对某石化企业的工况调研，结合大量文献查阅，建立了高温螺栓法兰连接系统的故障树。利用Semanderes计算方法得到高温螺栓法兰连接系统的故障树底事件的最小割集，并由最小割集计算得到故障树底事件的结构重要度，找出了高温螺栓法兰连接系统容易发生失效的底事件，为分析查找高温螺栓法兰连接系统失效原因提供了可靠的依据。3.本文基于考虑螺栓蠕变的高温法兰连接系统变形协调方程，以最大允许泄漏率建立极限方程，计算出泄漏失效概率。根据构造出的高温螺栓法兰连接系统故障树，利用模糊数学原理和专家评判法，对高温螺栓法兰连接系统采用了定量和模糊相结合的分析方法，得出高温螺栓法兰连接系统故障树顶事件的失效概率。4.高温螺栓法兰连接系统由于其工况的复杂性、操作的不确定性，导致其风险完全消除是不可能的，但是通过确定系统的风险等级，并采用一定的方法可以把预期的风险值降低到可以接受的水平。本文根据利用伤害模型对影响失效后ABSTRACTII果的五种因素（设备损坏、人员伤亡、环境影响、商业损失和毒性危害）划分出后果等级，再由专家评价法和模糊评价方法中的二级模糊矩阵求出了高温螺栓法兰连接系统的失效后果等级。最后通过已经确定了的高温螺栓法兰连接系统的失效概率，由风险矩阵确定了高温螺栓法兰连接系统的风险等级。由此，为装置或整个系统的风险评价及系统的检维修策略提供了参考。关键词：高温螺栓法兰连接系统故障树失效概率失效后果风险评价南京工业大学硕士学位论文IIIABSTRACTWiththedevelopmentofprocessindustryequipmenttowardthelargetypeandhighparameters,thereliabilityofboltedflangedjointsystemisconsideredmoreandmoreimportantforlongperiodandsafeserviceathightemperature.Thefailureofboltedflangedconnectionswillleadtoenormouseconomicloss,seriousenvironmentpollutionandpersonalinjuryaccidentsatelevatedtemperature.Soit’simportantsignificancetomakereliabilityanalysisandriskassessmentofboltedflangesystem.Inthispaper,mainresearchesareasfollows:1.Inindustrialproduction,manyofequipmentworkathightemperatureandhighpressure.Becauseoflongperiodserviceathightemperature,boltsinflangesystemwillbeofirreversibleplasticdeformationanddestroyedbyhightemperaturecreep.Inordertoresearchcharacteristicsofthe25Cr2MoVAboltmaterial,creeptestat550℃wascarriedout,andthenacreepconstitutiveequationofthematerialwasderivedbasedontestdata.2.Inrecentyears,owingtothegreatnumberofflangejointsandcomplexityofworkcondition,thefailurerateofflangedjointsystemisincreasingcontinuously.Toanalyzethereliabilityofboltedflangedsystemconveniently,thefaulttreeofjointsystemwasconstructedonthebasisofinvestigatingworkconditionsandcombiningwithreferenceliteratures.TheminimalcutsetsoffaulttreewereestablishedwiththeSemanderes’method,andfoundoutbottomeventswhichwereeasilyinvalidated.Thestructureimportanceoftheseeventswascalculated.Alltheseprovidedamethodoffailureanalysisofboltedflangedjointsatelevatedtemperature.3.Inthispaper,byusingthedeformationequationofcompatibility,whichwasbasedonboltcreepofflangesystemathightemperature,theleakagefailureprobabilitywascalculatedbylimitequationofleakagerate.Accordingtothefaulttreeofboltedflangedjointsystemathightemperature,thetotalfailureprobabilityofthejointsystemathightemperaturewasestimatedwiththemethodofexpertassessmentandfuzzymathematicsprinciples.4.Becauseofcomplexityanduncertaintyofoperationconditions,itisABSTRACTIVimpossibletoeliminatetheriskofthejointsystemcompletely.Therisklevelcanbedepressedtoanacceptablevaluebytakingsomemeasures.Inthispaper,basedoninjurymodel,thefailurefactorgradeiwasclassifiedasfivefactors.Thefailureconsequencegradewascalculatedbythesecondaryfuzzymatrixassessmentmethod.Finally,ariskmatrixwasconstructedbythecombinationoffailureprobabilityandfailureconsequencegrades,withwhichriskassessmentwasaccomplished.Alltheseabovesuppliedareferencewiththerepairsandmaintenanceofboltedflangedjointsystem.Keywords:Elevatedtemperature,Boltedflangedjoint,Faulttree,Failureprobability,Failureconsequence,Riskassessment南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明一、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：二、关于学位论文使用授权的声明南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。研究生签名：导师签名：日期：南京工业大学硕士学位论文1第一章绪论1.1引言螺栓法兰密封装置广泛应用于工业、农业、国防和人们日常生活中。现代化工、石油、原子能、航天及深海技术的迅速发展对法兰装置的密封提出了越来越高的要求。密封失效轻则造成能源、原材料的大量浪费，重则导致设备报废、停工停产、人员伤亡和严重的环境污染。据调查，日本炼油行业近十年来70%以上的灾难性事故是由于泄漏造成的[1]；1989年美国德克萨斯石油化工厂聚氯乙烯设备中的异丁烷泄漏爆炸及同年俄罗斯乌法液化天然气管道泄漏爆炸，美国挑战者号航天飞机“O”型密封圈失效引起的液态氢气泄漏爆炸事件则都是人类历史上的大灾难[2～4]。这些泄漏事故造成了大量的人员伤亡和数十亿美元的财产损失，环境污染的后果更是无法估算。随着现代工业的飞速发展，过程工业装置对法兰连接系统密封的可靠性提出了越来越高的要求。泄漏是指介质，如气体、液体、固体或它们的混合物，从一个空间进入到另一个空间的人们所不希望发生的现象。单位时间内泄漏的介质量称为泄漏率。由于密封泄漏带来的严重后果，所以严格控制泄漏率是保证现代工业装置安全运行的重要条件。美国压力容器委员会（PVRC）于1977年提出了泄漏率的定量标准，推荐一般工业的泄漏率指标为10-3cm3/s，对某些石油、化学和原子能工业，泄漏率应控制在10-7cm3/s以下[5]。我国国家标准《缠绕式垫片技术条件》中所规定的四级泄漏率指标（1.2×10-5、1.0×10-4、1.0×10-3、1.0×10-2cm3/s）可基本满足一般工业和某些石油化工企业装置的紧密性要求。炼油、化工和电力等过程工业的装置中有相当部分设备和法兰装置长期处于高温下运行。由于高温会引起密封垫片的老化和蠕变松弛，使其回弹能力下降，高温还会导致螺栓和法兰的蠕变变形，再加上工况温度、压力的波动，从而使得密封垫片上的工作密封比压逐渐降低并最终导致法兰连接系统的泄漏失效。据统计石化企业高温高压临氢装置法兰泄漏着火、炼油装置烟气法兰接头的泄漏、电厂过热蒸气法兰接头泄漏等都时有发生，而这些法兰接头的工作温度有的已超过500℃。这不但直接影响了装置的高负荷运行，而且由停工检修引起的经济损失也十分可观。第一章绪论2近年来，许多工业发达国家设立专门研究机构，投入大量人力和资金，就密封机理、密封材料、密封元件的性能等