应用压力容器故障诊断技术的3-15指南

答：压力容积故障诊断技术是工程技术人员从医学中吸取其诊断思想而发展起来的状态识别技术，即通过对压力容器故障的信息载体及伴随压力容器故障而出现的现象，如异常变形、异常综合噪声、温升等状态，以及各种性能指标等二次效应的监测和分析，在运行中压力容器或基本不拆卸压力容器的情况下，通过了解压力容器当前的技术状态，来查明或基本查明产生故障的部位和原因，或预测、预报压力设备异常、劣化或故障的趋势，并做出相应的对策的诊断技术。

随着压力容器故障诊断技术发展，目前已渗透到压力容器的设计，制造和使用各个阶段中，从而使压力容器一生都纳入现代科学管理，使压力容器的寿命周期费用最经济，并极大地提高了其安全可靠性，减少维修停机时间，大幅度地提高生产率，创造良好经济效益，特别是避免了压力容器发生重大事故的可能性，所以积极开展和应用压力容器故障诊断技术有着重大的积极意义。

1.压力容器故障诊断技术

压力容器状态监测和故障诊断模型如图3-7所示。图中M（f）是故障机理传递函数，H（f）为故障、劣化模型向量E（f）和设备性能、强度状态向量X（f）之间的传递函数，S_t（f）为载荷或应力向量。压力容器运行正常，M（f）=1，其状态向量X（f）是由外部运行条件S_t（f）和压力容器内部结构所决定。压力容器运行出现故障，则M（f）≠1，或S_t（f）超过正常值。此时X（f）除与S_t（f）和H（f）有关外，还与载荷超差及故障机理传递函数M（f）有关。X（f）便是压力容器故障信息的载体。这是压力容器状态识别的重要依据。压力容器的运行状态与一定特征信息相对应，所以建立起压力容器各类状态特征信息和状态间的对应关系十分重要。由于故障类型的多样性，特征信息的模式也是种类繁多。建立故障档案即是建立各类故障的样板模式。故障诊断的实质是将待检的压力容器故障模式与已知的样板模式相比较的过程。

图3-7 压力容器状态监测和故障诊断模型

2.压力容器诊断技术的功能

压力容器诊断技术具有两种功能：一是压力容器不解体或在运行状态下，能定量地检测和评定压力容器所承受的应力、劣化和故障、强度和性能；二是能够预测其可靠性，确定正常运行的周期和消除异常的方法。所以压力容器的状态监测和故障诊断技术，已从单纯的故障排除，发展到以系统工程的观点来衡量。它应从压力容器的规划设计开始，直到制造、安装、运转、维护保养到报废的全过程，使压力容器一生的寿命周期费用最经济。压力容器全寿命周期诊断技术的应用如图3-8所示。

图3-8 压力容器全寿命周期诊断技术的应用

3.压力容器故障诊断技术的组成

压力容器故障诊断技术的核心是对压力容器故障状态的识别，由两个部分组成，如图3-9所示。

图3-9 压力容器诊断技术实施中的两个部分

1）现场作业人员实施简易的状态判断或检查。

2）专门技术人员实施精密的状态分析判断。

对简易状态检查出来的故障，但判断或确认有困难的，必须要做进一步检查，以便确定故障的类型；了解和分析故障产生的原因；预估故障的危害程度，预测其发展；确定消除故障，恢复压力容器正常运行的对策。所以故障诊断不仅需要简单的测试和分析，还要运用应力定量技术、故障检测及分析技术、强度及性能定量技术等，由专门技术人员开展精密诊断技术活动，如图3-10所示。

图3-10 精密诊断的功能

4.压力容器诊断的过程

1）压力容器故障诊断技术是识别压力容器运行状态的技术，研究压力容器运行状态的变化在诊断信息中的反映。其内容包括对压力容器运行状态的识别、状态监测和预报3个方面。压力容器故障诊断过程如图3-11所示。

图3-11 压力容器故障诊断过程

诊断的核心是比较的过程，即将未知的压力容器运行状态与预知的压力容器规范运行状态进行比较的过程。

2）压力容器诊断的过程可分成3个阶段。即：

①事前——压力容器运行前（或故障发生前），根据某一特定的压力容器状态，从过去的实际检测结果和经验，运用概率统计的数学手段，来预测某压力容器的缺陷、异常或故障的发生。

②运行——在压力容器运行中进行状态监测，掌握压力容器故障的萌芽前状态。

③事后——故障发生后（或异常状态出现后）进行诊断，确定压力容器故障或异常的原因、部位和故障源。压力容器诊断的过程及采用的技术见表3-38。

表3-38 压力容器诊断的过程及采用的技术

5.采用压力容器故障诊断技术的作用

1）可以减少或避免突然发生恶性事故及压力容器突然停止运行而造成人员伤亡和经济损失。

2）帮助技术人员早期发现异常情况，迅速查明故障原因，预测故障的影响，从而实现有计划、有针对性地进行视情维护、修理，延长检修间隔期，缩短停机时间，提高压力容器生产效率。

3）为操作人员提供运行的信息，便于合理调整工艺运行状态参数。

6.做好压力容器故障分析

压力容器在运行过程中，其内部、外部要承受力、热变化、磨损等多种作用，随着使用时间的增长，其运行状态不断变化，有的性能将逐步老化，从而发生压力容器或附件的失效。这是导致压力容器故障的主要原因，因此研究压力容器及附件失效机理，识别失效模式乃是故障诊断的主要任务。

（1）按故障功能丧失的程度分类

1）非永久性故障。只在很短的期间内，故障造成压力容器某部件丧失某些功能，通过修理或调整立刻就可以恢复到原来全部运行标准。

2）永久性故障。故障造成某些功能的丧失，直到压力容器损坏部件被更换后功能才能继续维持。

（2）按故障发生速度的程度分类

1）渐发性故障。渐发性故障是由于各种原因使压力容器参数劣化或老化，逐渐发展而产生的故障。其主要特点是：在给定的时间内，发生故障的概率与压力容器已经运行的时间有关。压力容器的使用时间越长，发生故障的概率越高。这类故障与压力容器的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等过程有密切关系，事先都有征兆出现，能通过早期检测或试验来预测。

2）突发性故障。故障产生的原因是各种不利因素，以及偶然的外界影响共同作用的结果。这种作用已超出了压力容器所能承受的限度。故障往往经过一段使用间隔时间才发生，因各项参数都达到极限值（如载荷大、剧烈振动、温度升高等）而引起的压力容器变形和断裂。突发性故障是突然发生的，事先无任何征兆，不可能靠早期检测或试验来预测。

（3）按故障产生的原因分类

1）磨损及腐蚀性故障。压力容器正常运行由于磨损及腐蚀所引起的故障，即设计时预定的正常损耗过程，它反映了压力容器的寿命。

2）操作与维护不当的故障。由于超过压力容器本身的能力而强迫运行出现的故障，以及使用中维护不当而造成的故障（此类故障一般属于设备事故）。故障原因在于所承受的应力超过设计的极限能力。

3）固有的薄弱性故障。由于压力容器的某个环节所承受的能力在允许的最大极限范围时丧失了使用功能而造成的故障。故障原因在于设计上该环节的承受能力不足，或在制造上未达到预定的设计要求，丧失其使用性能。

压力容器故障原因分析见表3-39。

表3-39 压力容器故障原因分析(https://www.xing528.com)

（续）

7.故障分析方法

故障分析有多种方法，基本上可分为归纳法和演绎法两类。其中常用的有主次图法、趋势图法、特征-因素图法、FMECA分析和故障树分析等。

（1）主次图法 主次图又名排列图。它可用于分析查明系统失效的主要模式、主要矛盾所在，以便缩小分析范围，提高分析效率。

某压力容器系统故障主次图如图3-12所示。主次图是一个坐标曲线图，其横坐标x为所分析的对象，主次图的纵坐标即横坐标所标示的分析对象相应的量值，如失效系统中各组成部件的故障小时数（左坐标线）及相对频数（右坐标线，即各部分占该系统在某一阶段内的百分数）。

（2）趋势图法 趋势图可以反映出故障的发展趋势。首先给一定的时间，在此相同时限内做对比以表示出故障的变化情况。

趋势图的结构如图3-13所示，纵坐标为比较的对象，如作业率、故障（失效）率等，横坐标为时间，图上曲线为各月份的作业率。由图看到，某年某企业作业率的变化趋势，4月份是1～5月中作业率的最低点，而在4～5月又稍有回升。

图3-12 某压力容器系统故障主次图

（3）特征-因素图法 特征-因素图法是利用绘制特征-因素图来进行失效分析。又称“鱼骨分析”，用HBA表示，即把所分析的失效或异常现象（即特征）通过“鱼脊骨”及其两侧的“大骨、中骨、小骨”与影响失效的因素（原因）联系起来，明确地表示出了失效的因果关系。因此，特征-因素图法又称因果图法。

1）特征-因素图的结构与绘制。特征-因素图的结构，如图3-14所示，图的基本组成为两个部分：特征——所分析的故障对象结果，以方框框住，置于图中脊骨线粗箭头之右。因素——引起故障的不同层次的因素，相应为大的方面以“大骨”表示，更深一层的因素以“中骨”表示，再次之为“小骨”。

2）HBA要点。首先，应如实地绘制鱼刺因果分析图。重点是确定“大骨、中骨、小骨”。为了分析确定各方面原因及其影响关系，还必须调查研究，做好必要的试验检测。对所绘制的鱼刺图的各类因素，逐项分析研究，取消不存在或可忽略的因素，最后留下来的因素就是基本的或主要的因素。找到失效原因后，对策也就容易提出了。高压球罐破坏鱼刺图，如图3-15所示。

图3-13 趋势图

图3-14 特征-因素图的结构

图3-15 高压球罐破坏鱼刺图

（4）FMECA分析法：FMECA是失效模式分析（FMA）、失效影响分析（FEA）和失效危害性分析（FCA）3种分析方法组合的总称。失效模式是失效的表现形式和状态，如机械性断裂、磨损等；失效影响则是指某种失效模式对所关联的子系统或整个系统功能的影响；失效危害性则是指失效后果的危害程度，通常用危害度进行定量分析。

（5）故障树分析法：故障树分析法简称FTA，也称为失效树分析。

故障树是解决FMECA中运算问题的有力工具，它是故障因果关系图的特殊形式，事件之间用逻辑门符号联系起来，压缩机不能发动的概率故障树，如图3-16所示。每一个门都有它的输入（原因）和输出（后果）事件，这些事件之间可以具有“与”“或”等逻辑关系。由最初起因开始，经过若干层次的逻辑门直到树的顶端——最终结果事件。

图3-16 压缩机不能发动的概率故障树

FTA的特点：a.直观性强，由于它是一种图形演绎法，能把系统的故障与导致该故障的诸因素形象地表现为故障树。b.灵活性大，它不仅反映系统内部单元与系统的故障关系，而且能反映出系统外部的因素对系统故障的影响。c.通用性好，在设计、研制、使用与维修各阶段都能发挥作用。

8.加强压力容器故障管理

1）建立本单位压力容器管理体制。

2）结合生产实际和压力容器状况特点，确定故障管理重点，加强现场监测。

3）对重点压力容器进行状态监测，以发现故障的征兆和信息。操作人员采用简易诊断仪器仪表，对压力容器进行巡回检查和定期检验；专业技术人员配备专用检验仪器仪表进行精密诊断，确认诊断对象、诊断参数，确定检测点、检测时间间隔、监测工况等，逐步掌握压力容器容易引起故障的部位，建立压力容器检查完好标准，确定压力容器异常或故障的界限。

4）做好压力容器的故障记录，压力容器故障记录见表3-40。

表3-40 压力容器故障记录 年 月 日

5）建立故障管理信息流程，如图3-17所示。

图3-17 故障管理信息流程图

9.压力容器故障诊断技术的发展

压力容器管理中，近期引进故障诊断技术和状态监测的概念，通过实践证明：应用故障诊断技术对减少和避免压力容器重大事故发生，使企业压力容器安全可靠、经济合理运行起到很大的推动作用，压力容器故障诊断技术本身也得到了不断开发和应用。

1）压力容器故障诊断技术的开发见表3-41。

2）压力容器状态监测技术的应用见表3-42。

表3-41 压力容器故障诊断技术开发

表3-42 压力容器状态监测技术的应用

（续）