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液化石油气储罐的可靠性分析

文档作者: 肖冰 江楠        文档来源: 安全管理网
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第39卷第1期 2010年1月 石油化工设备 PETR0一CHEM ICAL EQUIPMENT 文章编号:1000—7466(2010)O1—0035 04 液化石油气储罐的可靠性分析 肖 冰,江 楠 (华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640) 摘要:研究了采取统计试验法对液化石油气储罐进行可靠性分析的基本原理,并结合可视化程序 设计语言VB编制钢瓶可靠性分析程序,实现了对液化石油气储罐进行定量评价并预测储罐实际 D。一325 mm,计算不问的厚径比a/D。及裂纹长度 n/D。条件下的止裂系数 ,其关系曲线见图6。 图6 裂纹管道参数对止裂系数的影响 由图6可知,止裂系数-厂随着壁厚的减小而减 小,随着裂纹长度的增大而减小,即采用上述参数进 行套管止裂修复时,壁厚较薄、裂纹长度较长的管道 能够获得更好的止裂效果。 对穿透裂纹管道采用套管修复法止裂,在上述 条件下的止裂系数-厂可由下式计算得出: 一(1.256 7 D o+0.O25)( ) (1) 其中B=18 3es( ) 一s 20 ( )。+ 535.6e( ) 2 .831(~o)_o.e3 公式(1)的适用范围为0.02≤ 8/D。≤ 0.1、 0.1≤a/D。≤0.6。 3 结语 采用有限元分析方法,对套管止裂性能进行了 + + 一+ ·.-4-”+ ”-4-”+ ”+ “+ —· ”+ · 分析计算,并以止裂参数厂作为衡量套管止裂效果 的物理量进行讨论,对于2种不同的套管形式,给出 了各自的推荐条件。 (1)对于长度较长的裂纹,可以采用靠近裂纹中 心位置对称施加套管法改善管道性能,套管的起始 位置位于距离裂纹中心]/5裂纹半长时能够获得最 佳的止裂效果,套管厚度与长度越大,止裂性能越 好,实际操作需要考虑成本、施工等因素。 (2)对于包覆裂纹中心的全套管结构,推荐采用 与裂纹管道等壁厚套管完全包覆裂纹区域进行止 裂。在推荐条件下,止裂参数与裂纹管道管径无关, 与裂纹管道壁厚和裂纹长度有关,其值可以用-厂拟 合公式进行计算。 参考文献: [1] 白真权,王献垄,孔杰.含缺陷管道补强修复技术发展及应用 现状分析[J].石油矿场机械,2004,33(1):41—43 C2] 陈秀玲,陈亚伟.石油埋地旧管道修复技术[刀.管道技术与设 备,1999,3:26—30. 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(许编) 收稿日期:2009—07—28 作者简介:肖 冰(1984一),女,福建南平人,硕士研究生,主要从事油气储运工程加注技术与装备工作。 O ¨1 O O N 2 O V O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 L n n n n n n n n n 学兔兔 www.xuetutu.com 石油化工设备 2010年第39卷 工作性能,对生产有一定的实际参考价值。 关键词:储罐;液化石油气;可靠性;统计试验法 中图分类号:TQ 053.2 文献标志码:A Reliability Analysis of LPG Tank XIAO Bing,JIANG Nan (South China University of Technology,Guangzhou 510640,China) Abstract:The fundamentals to make reliability analysis of LPG tank with M onte—Carlo method were investigated,and a reliability analysis of LPG tank procedure was combined with VB pro— gram to compile VB language.It actualizes quantified analysis of LPG tank and forecasts practical work capability.So it has great applied value in production. Key words:tank;LPG;reliability;M onte Carlo method 随着我国石油化工工业的发展以及国家原油战 略储备库项目的实施,石油及石油产品在生产、生活 中的应用越来越广泛,各类油库、加油加气站日益增 多。储罐是储存散装油或液化气最重要的设备,钢 瓶储存液化气也是当前家庭应用最普遍的一种储存 液化石油气的方式,若液化石油气钢瓶一旦发生突 发事故,将会导致严重的人员伤亡和财产损失,社会 影响也是难以估量的。因此,有必要对液化石油气 钢瓶进行可靠性研究分析,找出危险因素,从而提出 安全对策以便采取相应的措施以确保其安全运行, 为企业及社会减灾防灾提供理论依据口]。 1 液化石油气储罐(钢瓶)可靠性分析方法 综述 可靠性是部件、元件、产品或系统的完整性的最 佳度量,是指在规定条件下、规定时问内完成规定功 能的能力 ]。可靠性分析就是一种系统地、定量地 描述所要分析系统的风险,并在此基础上提出对该 系统改进的方法。对于这种描述,评估方法的价值 决定于分析者对所分析系统的了解、掌握的数据是 否全面及计算可靠程度的方法。 常用的可靠性分析方法大致有定量分析法和定 性分析法两种。定量分析法也称概率分析法,包括 纯概率分析法和近似概率分析法,其中纯概率分析 法主要有精确解析法和统计试验法。定性分析法主 要有故障影响和危害度分析法(FMECA)、事故树 分析法(FTA)等 ]。 目前,石油化工行业常见的储罐出现的故障问 题有:①钢瓶质量差。如钢瓶外观涂层破损,底部腐 蚀,环缝不够严密,错边量超标,有咬边、凹陷和弧坑 等缺陷。②过量充装。由此发生钢瓶破裂爆炸。③ 硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。一般出现在液化气 储罐或卧罐内壁。④ 孔蚀等腐蚀问题_4]。为此,针 对液化气钢瓶的检验和可靠性分析不仅应考虑钢瓶 强度,还应进行疲劳校核及计算钢瓶的使用寿命。 液化石油气钢瓶的失效或发生故障往往涉及到 多因素效应交互作用的复杂情况,一般不容易构造 成数学模型,因此选用统计试验法求解,可有效地寻 求故障的主要影响因素,强化薄弱环节,提高系统或 质量的可靠性。 2 理论分析 2.1 基本公式 液化石油气钢瓶安全评定和分析的基本目标是 在一定的可靠度下保证其危险断面上所受的抗力小 于许用应力,否则,容器将由于未满足可靠度要求而 导致失效。在正常工作的恒幅载荷作用下,储罐的 应力计算按下式进行(在 一0处) ]: 一 (1) O"2=一== (\ 一筹)J 式中 、 分别为轴向和周向应力, 为钢瓶承受 压力,Pa;R 为钢瓶筒体半径, 为壁厚,H 为钢瓶 长度的1/2,m。 判定钢瓶能否正常使用,采用的极限方程式(以 为基准): -z 一 1一筹):0 ㈣ 式中,r为钢瓶爆破压力,Pa。 学兔兔 www.xuetutu.com 第 期 肖 冰,等:液化石油气储罐的可靠性分析 2.2 统计试验法 定量分析法中的统计试验法是将随机数赋予各 种适当的物理含义,将各种随机过程的概率特征与 数学分析问题的解答联系起来。这种方法的核心问 题是构造模拟的概率模型,并产生随机数,然后统计 处理模拟的结果[5,63。 相类比于其他可靠性分析法,其优点:①具有模 拟随机现象的特点,并能够应用于计算复杂随机变 量函数的概率分布和数字特征,检验各种多元统计 分析方法处理的效果,模拟时间序列、随机过程,寻 求最优化参数。② 针对可靠度的计算方法使用方 便、结果可靠,随着计算机软、硬件技术不断发展,随 机问题在计算机仿真上可以得到较为完善的模拟和 解答,统计试验法的计算费用也在不断下降 。 由于结构的制造、测量甚至计算成本都不可避 免地受各种因素的影响而引起误差。因此,在进行 分析研究时,应把有关的统计量看做随机变量,用统 计试验法计算抽样值,这样研究结果更接近于实际 工程问题。 2.3 函 分布特征 应用统计试验法首先要求明确各随机变量的分 布特征,下面介绍使用较为广泛的正态分布和对数 正态分布。 2.3.1 正态分布 随机变量为正态分布的概率为: f(x)- 唧[一 ] (一。。< lz< + 。。) (4) 随机变量抽样值为: 一∈6___u t5) 式中, 为均值, 为标准差, 、 为随机变量。 2.3.2 对数正态分布 对数正态分布的概率密度为: ,一 1 唧[一 ] (一。。≤ .27< +C×3) (6) 随机变量抽样值为: 。二exp(5 + (7) 式中,S为样本标准差。 3 计算程序 用VB语言编制了液化石油气钢瓶可靠性分析 的程序来计算钢瓶的失效概率和可靠性,程序示意 见图1。 图1 钢瓶可靠性分析计算程序简化示意图 3.1 算例 根据8个工厂生产的液化石油气钢瓶抽样检查 的数据计算液化石油气钢瓶的可靠度。 已知条件:制造钢瓶的材料为2O钢,其抗拉强 度为387.09 MPa,变异系数C 一0.05。钢瓶简体 平均半径158.5 mm,钢瓶筒体壁厚 一2.62~ 3.3 mm,呈对数正态分布。 液化石油气钢瓶的爆破压力P 呈对数正态分 布,YSP一10型钢瓶爆破压力均值为14.495 MPa, YSP一15型钢瓶钢瓶爆破压力均值为lO.93 MPa,变 异系数近似为C。 ===0.1。液化石油气钢瓶的基本 随机变量见表1。 表1 基本随机变量 学兔兔 www.xuetutu.com · 38 · 石油化工设备 2010年第39卷 3.2 计算 根据以上数值,将基本随机变量各值代入极限 方程式,得 一-厂(z)一r—w 一0。 U 对于YSP一10型钢瓶,W 一101.5668;对于 YSP一15型钢瓶,W一129.934。 3.3 迭代 运用VB语言编程思想,结合题中已知条件,对 数值进行迭代计算,编程思路见图2。 将得到的随机抽样值代人极限状态方程r—w詈>o,若 符合次要求则记1次,如此进行lO 次,最后可算出近似 估计的可靠度。 图2 液化石油气钢瓶可靠性分析的程序编程思路示意图 编程主体如下: Do sigmaP— miuP*Sqr(Log(1+ Cp Cp)) Prail2一miuP*(1一Log(miuP)+ Log(Prail) 一Sqr(Log(1+ Cp Cp))) Fh= (miuW *miuP)/(miuH *miuH) Fp= 。——miuW/miuH sigmaZ= Sqr((Fh*sigmaH)*(Fh*sigmaH) + (Fp sigmaP)*(Fp sigmaP)) arfaH一(Fh*sigmaH)/sigmaZ arfaP=(Fp sigmaP)/sigmaZ B:=Batar Batar一(r*Hrail—miuW *Prail2)/(r*arfaH *sigmaH ——miuW *arfaP*sigmaP) miuH— Hra订一arfaH *Batar*sigmaH miuP= Prail2——arfaP *Batar*sigmaP k— k+ 1 Loop W hile(Abs(B—Batar)> 0.1) TextBatar.Text— Batar Textk.Text—k 程序中,取出0~1的随机数,按照公式对数值 进行处理,计算得到随机抽样值,再将各个数据的抽 样值代人到方程r—w P>0中。这样抽样值满足 U 极限方程次数和抽样次数的比值即为设备可靠度。 3.4 结果分析 当爆破压力P 与工作压力 比值P /p≥2 时,结果如下: (1)对于YSP一10型的钢瓶,可靠度为R( )一 P( >O)一99.476 0 ,失效概率F(t)一P( < 0)一1一R( )一0.524 0 。 (2)对于YSP一15型钢瓶,可靠度R(£)一P( > 0)一98.788 0 ,失效概率F( )一P( <0)一1一 R(£)一1.212 0% 。 计算结果说明,该企业的YSP一10型和YSP一15 型液化石油气钢瓶具有较高的可靠度,能够满足企 业较长时间的设备运行要求。 4 结语 在结合液化石油气钢瓶设备特点和工作性能的 基础上,提出了可靠性分析方法,选用统计试验法建 立概率模型、随机抽样、统计结果,并结合可视化程 序设计语言VB编制了液化石油气钢瓶可靠性分析 的程序。通过与生产使用中钢瓶的实际效率对比与 核实,得出预测工作性能与实际的工作性能一致。 从经济上考虑,运用统计试验法对液化石油气钢瓶 进行可靠性分析计算费用下降,减少了材料损耗,降 低了成本。因此,具有十分重要的意义。 参考文献: [1] 杨光辉.大型油罐火灾爆炸危害性研究[D].东营:中国石油 (华东)大学,2007. 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