一种承压设备的定量风险分析中的失效可能性评价方法

技术领域

本发明涉及一种承压设备的定量风险分析中的失效可能性评价方法，特别是一种 含错边和角变形缺陷承压设备的定量风险分析的方法。

背景技术

承压设备是指以压力为基本载荷涉及生命安全、危险性较大的压力容器、压力管 道、锅炉、承压附件等。随着科学技术的进步和工业生产的发展，承压设备的使用范 围日益广泛，目前承压设备己经成为化学工业，石油工业以及石油化工、煤炭、冶金、 原子能、宇航、海洋工程、轻工、纺织、食品、城建等各个部门中的重要设备，确保 其安全可靠地运行，对保障人民群众生命和财产安全、促进国民经济发展具有重要的 意义。

基于风险的检验（Risk based inspection，简称RBI）是在追求系统安全性与经济性 统一的理念基础上建立起来的一种优化检验策略的方法。此方法最早由美国石油协会 于20世纪90年代提出和开展，之后引入中国，并应用于石化装置中，优化检验效率， 在降低或至少维持等同风险水平的同时，延长设备的操作时间和运行周期，降低检修 费用。

API581标准中，总是假定设备是按照严格设计制造完成的，不存在任何原始超标 缺陷。在中国这样的发展中国家，相当一部分承压设备由于各种各样的原因，设计、 制造时遗留下了很多超出设计制造标准的缺陷，加之国内材料的性能不够稳定，使得 因原始超标缺陷导致的设备事故屡见不鲜。

中国专利“承压设备风险评价中以剩余寿命为表征参量的失效概率评价方法”，申 请号CN200610039771.7，介绍的就是一种以剩余寿命替代设计寿命为表征参量的承压 设备的风险评价方法，对于含超标缺陷承压设备的风险分析，需要针对不同问题的多 种方法符合计算，提高分析结论的准确性。

承压设备在制造过程中，由于预弯、组装、焊接不当等原因，易产生错边和角变 形缺陷。这些缺陷的存在引起了局部结构几何形状的不连续，并在不连续处造成高的 附加弯曲应力。若引用API581对这些含有原始超标缺陷的承压设备进行风险分析时， 并没有考虑这些缺陷对设备运行的影响，造成计算得到的风险值与实际情况可能有较 大的差异。因此，用已有技术对含有错边和角变形缺陷的承压设备进行风险分析存在 诸多不合理性。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种承压设 备的定量风险分析中的失效可能性评价方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种承压设备的定量风险分析中的失效可 能性评价方法，采用错边和角变形缺陷参数修正定量风险分析RBI中的失效可能性；

所述失效可能性F的计算方法为：

F=F_G×(F_E+F_G)×F_M，

其中，F_G为同类设备平均失效概率，F_D为错边和角变形缺陷修正系数，F_E为设 备修正系数，F_M管理修正系数。

错边和角变形缺陷修正系数F_D的确定方法为：

(1)采用内外部宏观检验法测量承压设备中错边缺陷的错边量、角变形缺陷的角尖 峰的高度；

(2)确定承压设备产生错边和角变形缺陷处的应力；

(3)确定基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力 的比值R_b；

(4)确定基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对附加载荷引起的薄膜应力 的比值R_bs；

(5)确定剩余强度系数RSF；

(6)建立待评价承压设备的失效方程，采用如下公式：

Z=RSF-RSF_a，

RSF_a表示允许的剩余强度系数，RSF_a在国际标准《API579》2-7中查得。

(7)基于蒙特卡洛法计算含错边和角变形缺陷的失效概率P_f；

(8)确定含错边和角变形缺陷的修正系数F_D值。

步骤（7）包括以下步骤：

(a)采用蒙特卡洛法计算待评价承压设备的失效可能性，确定随机参数的分布类型 （在承压设备缺陷的分析中，主要用到的分布形式有正态分布、对数正态分布、指数 分布和威布尔分布）及模拟次数N（蒙特卡洛法是一种利用计算机通过抽样试验求近似 解的方法，模拟结果的精度直接与模拟次数有关。实践证明，对于一般的工程技术问 题，模拟次数N取为3000~5000次即可满足工程精度要求），参数包括承压设备的内径、 壁厚、内压、许用应力（根据承压设备的说明书可以查到的参数）、错边缺陷的错边量 和角变形缺陷的角尖峰的高度；

(b)采用步骤(a)中的参数，根据各参数分布值（由计算机根据该参数确定的分布类 型生成该参数的值）依次重复计算步骤(2)~(6)直到N次，模拟结束；

(c)得到失效方程值Z小于0的次数值X，采用如下公式计算含错边和角变形缺陷的 失效概率P_f：

P_f=X/N。

步骤（8）中采用如下公式计算含错边和角变形缺陷的修正系数F_D，

F_D=P_f/F_C

其中F_C表示累计通用失效可能性。F_C在国际标准《API 581 2008》中查得。

有益效果：本发明是一种承压设备的定量风险分析中的失效可能性评价方法，引 入了错边和角变形缺陷修正因子，避免了API581标准中未考虑错边和角变形缺陷的局 限，使得含有错边和角变形缺陷的承压设备在风险分析过程中的计算结果更加精确。 该发明在基于风险的检验的基础上，通过对缺陷尺寸的确定，方便快捷地得到与之对 应的修正因子数。

在目前存在超标缺陷的情况下，采用本方法对设备进行风险分析，测得的风险值 与实际情况相似度较高，降低了设备安全隐患，减少了事故发生。本发明考虑了错边 和角变形缺陷对承压设备的影响，引入的修正因子F_D，使得风险分析的结果更加精确， 优化了检验策略，提高了检验效率，在对承压设备检验维修时更有针对性也更加合理， 延长设备的操作时间和运行周期，降低检修费用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明定量风险分析的流程示意图。

图2为本发明中承压设备风险分析加权调整系数构成图。

图3为本发明中错边缺陷的结构示意图。

图4为本发明中角变形缺陷的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种承压设备的定量风险分析中的失效可能性评价方法，采用错边 和角变形缺陷参数修正定量风险分析RBI中的失效可能性；

所述失效可能性F的计算方法为：

F=F_G×(F_E+F_D)×F_M，

其中，F_G为同类设备平均失效概率，F_D为错边和角变形缺陷修正系数，F_E为设 备修正系数，F_M管理修正系数。

错边和角变形缺陷修正系数F_D的确定方法(以球罐为例)：

(1)采用内外部宏观检验法测量承压设备中发生错边和角变形缺陷尺寸；所述的内外部 宏观检验法（《特种设备焊接技术》作为参考资料），用肉眼或5~10陪放大镜来检测并 用直尺或专用量具测量错边和角变形缺陷，错边缺陷的错边量e和角变形缺陷的角尖峰 的高度δ。

(2)确定承压设备发生错边和角变形缺陷处的应力，采用如下公式，

(2.1)确定承压设备发生错边和角变形缺陷处的薄膜应力，采用如下公式，

通过查阅国际标准《API579》表A-7得到，

(2.2)若存在附加载荷，确定承压设备发生错边和角变形缺陷处的薄膜应力和弯曲应力 的合力，采用如下公式，

通过查阅国际标准《API579》8-7得到，

其中，σ_m表示薄膜应力，P表示承压设备实际承受载荷，R表示承压设备筒体或 球体的半径，t表示承压设备的壁厚，E表示焊接系数，F表示断面净轴向力，A表示 金属横截面积，M表示净截面弯矩，Z表示金属截面的截面模数；

(3)基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力的比值

(3.1)基于错边量确定诱发的弯曲应力相对于薄膜应力的比值，采用如下公式，

${R_b}^{\mathrm{scjc}}=9.6291\left({10}^{-3}\right)+3.0791\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)-0.24587{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^2+0.025734{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^3+$

$0.059281{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^4-6.1979\left({10}^{-3}\right)S_p+1.9252\left({10}^{-4}\right){S_p}^2+1.9815\left({10}^{-6}\right){S_p}^3-$

$1.8194\left({10}^{-7}\right){S_p}^4+2.0698\left({10}^{-9}\right){S_p}^5,$

式中，通过查阅国际标准《API579》表8.11得到，

FCA表示承压设备的腐蚀余量，e表示错边缺陷的错边量，t表示承压设备筒体或 球体壁厚（如果错边缺陷两侧的壁厚不同，取较薄的一侧壁厚值），v表示泊松比，p表 示承压设备实际承受载荷，R表示承压设备筒体或球体的半径，E_y表示杨氏模量，S_p为中间变量；

(3.2)基于角尖峰高度确定诱发的弯曲应力相对于薄膜应力的比值，采用如下公式，

${R_b}^{\mathrm{scja}}=\frac{C_1}{C_2},$

式中，C₁=3.082+1.7207(10^-3)S_p+1.3641ψ+0.062407ψ²-0.033961ψ³，

      C₂=1.0+8.9503(10^-3)S_p-2.8724(10^-4)S_p+5.0797(10^-6)S_p³-0.21717ψ，

通过查阅国际标准《API579》表8.11得到，

其中，δ表示角尖峰的高度，S_p和ψ为中间变量；

(3.3)基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力的比值， 采用如下公式，

R_b=R_b^scjc+R_b^scja，通过查阅国际标准《API579》8-8得到，

(4)基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对附加载荷引起的薄膜应力的比值，采 用如下公式，

R_bs=-1.0(通过查阅国际标准《API579》8-8得到)

(5)确定剩余强度系数RSF，采用如下公式，

$\mathrm{RSF}=\min [\frac{H_f{S}_a}{{\sigma }_m(1+R_b)+{\sigma }_{\mathrm{ms}}(1+R_{\mathrm{bs}})},1.0],$通过查阅国际标准《API579》8-8得 到，

其中，RSF表示承压设备剩余强度系数，S_a表示待评定承压设备所对应的许用应 力；

H_f表示系数，当错边和角变形缺陷形成诱发的应力是一次应力时，H_f=1.5，当 错边和角变形缺陷形成诱发的应力是二次应力时，H_f=3.0；

(6)建立待评定承压设备的失效方程，采用如下公式，

Z=RSF-RSF_a，

其中，RSF_a表示允许的剩余强度系数；

将RSF值和RSF_a值代入失效方程，判断含错边和角变形缺陷的承压设备的安全 状态；若Z>0，则判定含有该缺陷承压设备是安全的，承压设备能够继续运行；否则， 即Z<0，判定含有该缺陷承压设备结果为不安全；

(7)基于蒙特卡洛法计算含错边和角变形缺陷的失效概率；

(8)确定含错边和角变形缺陷的修正系数F_D值，并计算待评定设备的失效可能性 F。

步骤(7)包括以下步骤：

(a)采用蒙特卡洛法计算待评价承压设备的失效可能性，确定参数的分布类型，包 括正态分布、对数正态分布、对数分布和威布尔分布，及设定模拟次数N，N取值范围 为自然数，参数包括承压设备的内径、壁厚、内压、许用应力、错边缺陷的错边量和 角变形缺陷的角尖峰的高度；

对于错边和角变形缺陷，其适用的分布类型主要有正态分布、对数正态分布和威 布尔分布，正态分布相对于对数分布和威布尔分布来说最为保守，因此在实际工程中， 若不能确定随机变量的分布形式，可以保守的选择正态分布，因此错边缺陷e和角变形 缺陷δ的分布采用正态分布。

承压设备在设计的过程中，设备壁厚B满足一定的分布规律，通常认定其满足正态 分布。随着设备使用年限的增长及环境等因素对设备的影响，使得壁厚B会逐渐减小。 考虑到上述这些原因，采用截尾正态分布来更好地反映实际壁厚的情况。因此，承压 设备的壁厚B的分布采用截尾正态分布。

主要参数的统计分布类型

应当指出的是，参数的分布类型不是本发明的核心，本领域技术人员也知道如何 根据以上的各种参数确定具体的分布类型。

(b)采用步骤(a)中的参数，根据各参数分布值依次重复计算步骤(2)~(6)直到N次， 模拟结束；

(c)得到失效方程值小于0的次数值X，则含错边和角变形缺陷的失效概率P_f采用如 下公式计算：

P_f=X/N。

步骤(8)中所述的含错边和角变形缺陷的修正系数F_D是对承压设备失效可能性F 的修正，采用如下公式，

F_D=P_f/F_C，过查阅《ORBIT Help》得到，

其中F_C表示累计通用失效可能性。

实施例1

本实施例公开了一种含错边和角变形缺陷的承压设备风险分析方法，包括以下步 骤：

1、采用内外部宏观检验法确定承压设备中错边和角变形缺陷的位置、形状和尺寸。

2、确定承压设备发生错边和角变形缺陷的处的薄膜应力，

3、建立失效评定方程

首先，确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力的比值R_b，采用如下公式，

R_b=R_b^scjc+R_b^scja；

然后，确定诱发的弯曲应力与附加应力引起的薄膜应力的比值R_bs，采用如下公式，

R_bs=-1.0

再次，确定剩余强度系数，采用如下公式，

$\mathrm{RSF}=\min [\frac{H_f{S}_a}{{\sigma }_m(1+R_b)+{\sigma }_{\mathrm{ms}}(1+R_{\mathrm{bs}})},1.0]$

其中，RSF表示承压设备剩余强度系数，

H_f表示系数，当错边和角变形缺陷形成诱发的应力是一次应力时，H_f=1.5，当 错边和角变形缺陷形成诱发的应力是二次应力时，H_f=3.0；

最后，将上述计算得到的RSF的值和RSF_a的值代入失效方程，采用如下公式，

Z=RSF-RSF_a

其中，RSF_a表示允许的剩余强度系数；

若Z>0，则认为该缺陷评定是安全的，承压设备能够继续运行；否则，即Z<0，认 为该缺陷评定结果为不安全；

4、基于蒙特卡洛法计算失效概率，包括以下步骤：

(1)确定蒙特卡洛法中所涉及的多个随机参数的分布类型及模拟次数N，参数包括 内径、壁厚、内压、许用应力、错边缺陷的错边量和角变形缺陷的角尖峰的高度；

(2)确定失效方程采用如下公式，

Z=RSF-RSF_a；

(3)计算R_b的值和R_bs的值；

(4)计算RSF的值和RSF_a的值；

(5)将RSF的值和RSF_a的值代入失效方程Z=RSF-RSF_a进行计算；

(6)采用步骤(1)中的参数，根据各参数分布值依次重复步骤(3)~(5)直到N次，模拟 结束；

(7)得到失效方程值小于0的次数为X次，则含错边和角变形缺陷的失效概率采用 如下公式，

P_f=X/N。

5、确定错边和角变形缺陷修正系数F_D，计算承压设备失效可能性

错边和角变形缺陷修正系数F_D，采用如下公式，

F_D=P_f/F_C，将风险分析的计算公式修正，采用如下公式，

F=F_G×(F_E+F_D)×F_M，

得到待评定承压设备失效可能性；

其中，F表示承压设备失效可能性，F_G表示国际同类设备平均失效概率，F_C表示 累计通用失效可能性，P_f表示含错边和角变形缺陷的失效概率，F_D表示含错边和角变 形缺陷的修正系数，F_E表示设备修正系数，F_M表示管理修正系数，F_G、F_C、F_E、F_M在国际标准《Risk based inspection 2008》中查得。

实施例2

以下通过一个实际应用的案例来具体说明本技术方案。

某一液化石油气球罐1998年投入使用，2002年进行了首次全面检验，未发现问题。 2012年进行全面检验，发现罐底有裂纹。该球罐的材料为07MnCrMoVR，内径为 9200mm，壁厚为38mm，焊接系数为1，腐蚀余量为1mm。工作温度为常温，操作压 力为2.94MPa。内外部宏观检验中发现球罐中部存在角变形和错边缺陷。检测结果显 示该角变形量为10mm，错边量为4mm。

现利用本实施例对该球罐的错边和角变形缺陷进行修正，计算承压设备的失效可 能性，其过程如下：

1、利用内外部宏观检验来确定缺陷的位置和尺寸，包括角变形量δ和错边量e；

内外部宏观检验发现球罐底部存在错边和角变形缺陷。检测结果显示该角变形量 为10mm，错边量为4mm。

2、材料的机械性能

本实施例中液化石油气球罐材料为07MnCrMoVR，机械性能如表1

表1 07MnCrMoVR的机械性能

3、确定承压设备发生错边和角变形缺陷处的应力

在本案例中，球罐底部出现错边和角变形缺陷，通过查阅国际标准《API579》附 录A得到缺陷处的薄膜应力；

${\sigma }_m=\frac{P}{2E}(\frac{R}{t}+0.2)=183.1\mathrm{MPa}$

其中，σ_m表示薄膜应力，P表示承压设备实际承受载荷，R表示承压设备筒体 或球体的半径，t表示承压设备的壁厚，E表示焊接系数；

4、确定基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力的比值

(1)基于错边量确定诱发的弯曲应力相对于薄膜应力的比值，采用如下公式，

${R_b}^{\mathrm{scjc}}=9.6291\left({10}^{-3}\right)+3.0791\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)-0.24587{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^2+0.025734{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^3+$

$0.059281{\left(\frac{e}{t-\mathrm{FCA}}\right)}^4-6.1979\left({10}^{-3}\right)S_p+1.9252\left({10}^{-4}\right){S_p}^2+1.9815\left({10}^{-6}\right){S_p}^3-$

$1.8194\left({10}^{-7}\right){S_p}^4+2.0698\left({10}^{-9}\right){S_p}^5=0.2735$

式中，$S_p=\sqrt{\frac{12(1-v^2){\mathrm{pR}}^3}{E_y{(t-\mathrm{FCA})}^3}}=17.39,$

(2)基于角尖峰高度确定诱发的弯曲应力相对于薄膜应力的比值，采用如下公式，

${R_b}^{\mathrm{scja}}=\frac{C_1}{C_2}=1.481,$

式中，C₁=3.082+1.7207(10^-3)S_p+1.3641ψ+0.062407ψ²-0.033961ψ³=1.922，

      C₂=1.0+8.9503(10^-3)S_p-2.8724(10^-4)S_p+5.0797(10^-6)S_p³-0.21717ψ=1.298，

$\psi =\ln \left(\frac{\delta }{C_{\mathrm{ul}}}\right)=-0.932;$

(3)基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对压力载荷引起的薄膜应力的比值， 采用如下公式，

R_b=R_b^scjc+R_b^scja=1.754

5、确定基于错边和角变形缺陷确定诱发的弯曲应力对附加载荷引起的薄膜应力的 比值，采用如下公式，

R_bs=-1.0(通过查阅国际标准《API579》8-8得到)

6、确定剩余强度系数

剩余强度系数用于定义一个构件连续服役的可接受性，计算剩余强度系数时，首 先确定许用应力与薄膜应力和附加载荷引起的薄膜应力和弯曲应力合力之和的比值；

$\frac{H_f{S}_a}{{\sigma }_m(1+R_b)+{\sigma }_{\mathrm{ms}}(1+R_{\mathrm{bs}})}=1.208$

其次，判断上述计算值是否小于1，若小于1，则剩余强度系数

$\mathrm{RSF}=\frac{H_f{S}_a}{{\sigma }_m(1+R_b)+{\sigma }_{\mathrm{ms}}(1+R_{\mathrm{bs}})},$

否则，RSF=1；

最后得出本案例中剩余强度系数值RSF=1；

其中，RSF表示承压设备剩余强度系数，H_f表示系数，本案例中错边和角变形缺 陷形成诱发的应力是二次应力，H_f=3.0；

7、建立失效方程

本发明所采用的失效方程如下，

Z=RSF-RSF_a

将上述计算得到的RSF代入其中，得到Z=0.1;

计算得到的Z值大于0，认为该错边和角变形缺陷是可以接受，能保证该承压设备 正常运行。

7、基于蒙特卡洛法计算失效概率

本文采用蒙特卡洛法对待测承压设备计算失效可能性，用matlab进行数值模拟，取 模拟次数为5000次。模型中随机参数分布及性质如表2。

表2随机参数及其分布

根据各参数分布规律，用matlab程序分析的结果可知，承压设备不能安全运行，即 Z<0,含错边和角变形缺陷的失效概率P_f为0.0552。

8、确定错边和角变形缺陷的修正系数F_D，计算承压设备失效可能性

根据公式F_D=P_f/F_C，计算得到错边和角变形缺陷的修正系数F_D=354.2。

按基于风险检验的公式F=F_G×F_E×F_M计算其失效可能性，根据公式，得到失效 可能性为7.65*10^-4，失效可能性等级为3级。

按本专利方法，引入含错边和角变形缺陷修正系数F_D对该承压设备进行失效可能 性计算，根据公式，F=F_G×(F_E+F_D)×F_M，得到失效可能性为1.159*10^-2，失效可能 性等级为5级。

本发明提供了一种承压设备的定量风险分析中的失效可能性评价方法的思路及方 法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还 可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中 未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。