等级
故障检测难易程度
评分 ( C)
1 需用专门测试仪器进行精密诊断或离线试验
3~ 4
2 需用通用设备进行进行简易诊断或在线试验
2
3 由人的感官感知
1
表 5 危险性等级分数分级 ( D)
故障等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
分数值 1~ 5 6 ~ 20
21 ~ 25 26 ~ 40
维修方式 事后维修 状态维修 定期维修 改进维修
( 上接第 24页 ) 螺栓材料会出现循环松弛, 引起螺栓伸长, 预紧力下降。
( 4) 降低机组振动。由于机组振动, 易引起联 接螺栓疲劳, 缩短 螺栓寿命。因 此应稳定工艺 操 作, 减小机组振动, 可有效提高螺栓寿命。
( 5) 提高螺栓材料的疲劳性能。 ( 6) 保证螺栓的材料, 改善加工和制造工艺。
从故障模式及影响分析数据 统计来看, 潜在 故障模式分为七类, 故障产生的原因 29项, 其中采 用预防维修 25 项 ( 定 期 维修 2 项, 状 态 维修 22 项 ) , 事后维修 3项, 改进维修 2 项。通过以上数 据分析可看出现行的设备管理模式: 监测为先、预 防为主, 主动维护、及时检修的预防性维修策略基 本符合生产需求。
型号 级数
一级
2H25B38S 二级
气体成分
排气量 ( Km 3 / h, 标准 ) 吸气压力 /M Pa 排气压力 /M Pa 吸气温度 /e 排气温度 /e 活塞质量 /kg 压缩比
转速 / ( r# m in- 1 ) 功率 / kW
93146% H 2, 31 75% CH 4
451 536 51 29 91 74 40 100 305 11 825 426 2 379
故障严 等级
重程度 1 设备事故
评分
( E) 9~ 10 不可修复
修复情况
2 严重故障 6~ 8 不能立即修复且修复时间较长
3 中等故障 4~ 5 可修复但需一点时间且利用停机可修复
4 轻微故障 2~ 3 通过改变设备运行方式或利用停机可修复
5 设备异常 [ 2 通过改变设备运行方式可修复
表 4 故障可检测难易程度分类 ( C)
4 预紧力对螺栓疲劳寿命的影响 [ 2]
曲轴箱体、中体 法兰、螺 栓联 接结 构在 工作 载荷加栽 (开机前 )前给螺栓施加的预紧应力为 Rp = 13618 M Pa。虽然 螺 纹 紧 固 件 是 普 通 的 零 件, 但形状复 杂, 螺旋副 的接 触和润 滑状态 更是 难于预测和控制, 由于螺纹几何参数、表面质量、 润滑状态等的可变性, 导致了预紧力的离散性, 即每个螺栓 所受的 预紧力 是不 一样 的。图 8为 在不同的预紧力下, 螺栓预紧力与寿命的关系 曲线。
但是 FM EA 的实施是一 个持续改进的 过程, 在对某一个故障类型采取相应的纠正预防措施以 后, 需要重新评价 故障的发生频 率、严重性、可检 测性指标, 计算新的危险优先数, 看新的危险优先 数是否在可接受的 范围类, 并决定是 否采取进一 步的纠正预防措施, 如此循环直到危 险优先数在 可接受的范围内。
( 3) 在压缩机运行过程中, 由于螺栓材质 25C r2M oV 钢存在循环软化现象, 在疲劳载荷作用下,
(下转第 44页 )
44
n 石油化工安全技术 n
2006年第 22卷第 6期
关于故 障发生 频率 ( 表 2)、故障 严重度 ( 表 3) 、故障可检测难易程度 ( 表 4) 、故障等级 ( 表 5) 的判别准则分别如下:
图 3 螺纹牙轴向载荷分布不均匀
( 3) 由于螺栓杆上轴向力分布的不均匀性, 第 一个工作圈牙根以及一些特殊部位牙根凹槽处所 受的过载载荷往往超过其材料的弹 性极限, 该 处
3 螺栓受力分析
压缩机在工作中, 由于曲柄转角 A的不断变 化, 十字头滑块承受的综合活塞力 E P1、滑板对滑 块的支反力 N 1、连杆力 P t1呈周期性变化, 使得中 体联接螺栓承受着交变载荷的作用。图 5 为一段 缸侧总体构造受力示意。
GB10 2补 充氢 气压 缩 机是 芳 烃 厂加 氢 裂 化 装 置的关键设备, 其安全运行直接 影响整个加氢 裂 化装置。 GB102为德 国 KSB 公司 1980 年制造, 1989年 9月安装投用, 为两缸二级双作用对动型, 主要性能参数如表 1。
表 1 G B- 102A /B 氢气压缩机技术参数
931 46% H2, 31 75% CH 4
451 536 91 63 151 82 60 120 138 11 660
该机组自 1995年 2月起, 曲轴箱体与中体连 接螺栓多次发生疲劳断裂事故, 平均每 2~ 3 个月
就会出现一次螺栓 断裂, 该机组螺 栓的频繁断裂 严重 制 约 着 装 置 的 高 负 荷 生 产 ( GB102A /B 自 1997年装置扩能改造后改为双机运行 ) , 每次检修 需 4天, 直接经济损失 60多万元, 并且生产介质氢 气易燃 易爆。一 旦由 于螺 栓断 裂而 导致机 器损 坏、气缸泄漏, 将可能引发 燃烧爆炸事故, 是安全 生产的极大隐患。 2 螺栓断裂原因分析 211 螺栓断口截面分析 [ 1]
23
212 螺栓力学性能分析
( 1) 图 2为采用数值计算法和近似计算法 描
绘了螺纹连接结构牙根的应力分布, 表达式为:
Ry (x, 0)
=
a21 R ktQ x +
a1
+
( k1 - a1 ) R
当 x = 0 时, Ry ( 0, 0) = kt R, 可见牙根处应 力
峰值 Rmax = kt R, , 应力集中系数 kt 取决于螺纹 牙 形, 有的螺栓 kt 高达 7~ 8。由此可见螺纹连接件
设备管理是建立 在管理预防 /状态 性维护基 础之上的, 准确的数据存储与计算 工作是预测性 维护的前提。根据数据资料持续改进设备的各项 指标, 从技术角度上将这些数据互 相有效的集成 到设备维护管理系统中去。
2结 语
FMEA 在设备维护管理中是一种非常有效的 工具。它是在对系统中固有的或潜在的可能性与 后果进行科学分析的基础上, 给出风险排序, 找出 薄弱环节。通过对设 备进行 FMEA 分析 时, 可系 统的了解设备的设 计制造缺陷、构 造功能和潜在 的故障模式。可帮助 企业管理者评估 设备更新、 审查设计、失效 分析、员工 培训计划, 制定和实施 合理的设备维修管理方案, 提高设备的本质安全, 从而避免设备的无计划停运。
由图 8可以看出: 预紧力小则螺栓寿命短; 预 紧力大则寿命长。当预紧力 Rp = 16212 MP a时, 为螺栓峰值寿命区。因此对螺栓预紧力适当提高 至 Rp = 16212 M Pa附近, 可延长螺栓使用寿命。
图 9 螺栓连接件变形分析
另外, 由螺栓连接件变形分析图 ( 图 9) 可以看 出, 对于同一工作载荷 F, 对于较小的预紧力 Rp 1 < Rp2则有应力变化幅值 $R1 > $R2, 预紧力越小, 则 应力变化幅值越大, 寿命越短; 对于较大的预紧力 Rp3 < Rp 4, 此时应力波动 $R3 = $R4。由于影响疲 劳寿命主要因素为 $R, 因此其寿命偏差较小。又 由于 $R3 = $R4 < $R2 < $R1, 所以高预紧力 ( Rp3, Rp4 ) 情况下的螺栓寿命要长于低预紧力 ( Rp 1, Rp 2 ) 情况下的螺栓寿命。
5 延长螺栓疲劳寿命的措施 [ 3]
( 1)保证螺栓工作环境不要太湿, 杜绝螺栓长 时间在湿环境中。
( 2)在安装螺栓的时候, 一定要严格按照螺栓 的紧固顺序, 把各个螺栓紧固到位, 保证应有的预 紧力。根据预紧力施加要 求, 可以 大到螺栓材料 屈服强度的 50 % 以上, 根据螺栓预紧力与寿命的 关系曲线, 当预紧力达到 16212 M Pa时 (预紧力矩 达到 1 960 N# m 以上 ), 寿命可达到最大值。
表 2 故障发生频率分类 ( L )
等级
1 2 3 4 5
故障发生程度
很高: 经常发生, 每周都可能发生 高: 经常发生, 每月都发生
中: 偶尔发生, 每季度可能发生 低: 很少发生, 每年可能发生 很低: 几乎不可能发生
评分 ( L ) 4- 5 3- 4 2- 3 1 01 5
表 3 故障严重度分析 ( E )
GB - 102A /B 中 体 连 接 螺 栓 材 质 为 25C r2M oV, 规格为 M 48 @ 300, 数量 12颗。现场螺 栓的断裂一般发生在连接部位的上、下端, 断口多 发生在螺栓 第一牙根处。从螺栓的断口 看出: 断 口基本是正断的, 断面平坦; 面对曲轴箱 观察, 启 裂点位于左方稍偏 下, 裂纹为自左 下向正右方扩 展。螺栓断口截面如图 1。
力分析简图, A 点为 曲轴箱与中体 法兰连接部位 (固支结构 ), B 点可看作简支结构。
则由于支反力 N 1 的作用在 A 点产生的弯矩
M 为:
M
=
N
1a
-
N
1
a2
(
3L 2L 2
a)N1
24
n 石油化工安全技术 n
2006年第 22卷第 6期
图 6 中体受力分析
在 弯矩 M 的 作用 下, 螺栓 受 力分 布 如图 7 所示。
的断裂主要起源于牙齿的根部, 这与现场实际 情
况相符合。
材料发生塑性屈服, 在交变载荷作用下, 产生疲劳 裂纹, 继而引发断裂。如图 4所示, 从力学分析的 角度看, 螺纹连接的第一圈是螺纹 连接疲劳断裂 的根源所在。
图 4 螺栓牙根应力
图 2 沿径向应力分 布
( 2) 螺纹牙上存在载荷分布不均匀现象。螺 栓在工作状态下所受总拉力一般都是通过螺纹牙 面相接触来传递的。连接件受载时, 螺栓受拉, 外 螺纹螺距变大; 螺母受压, 内螺纹螺距变小。螺纹 螺距变化差以旋合的第一圈处为最 大, 以后各 圈 递减。据相关实验证明约有 1 /3载荷集中在第一 圈上 (从近一年来螺栓的断裂截面情况看, 断裂位 置大多发生在螺栓螺纹第一圈处 ) , 前三牙承担了 全部载荷的 70% , 第八圈以后牙齿几乎不承受载 荷, 如图 3所示。