李光輝，肖德琳，吳培龍

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

基于故障樹診斷的煙塵回收裝置優(yōu)化

李光輝，肖德琳，吳培龍

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

為了找出焊管等離子在線切割煙塵回收裝置回收失靈的原因，建立了基于故障樹診斷的煙塵回收失靈故障樹，并以某公司7套煙塵回收裝置2009—2013年出現(xiàn)的各種故障為底事件進(jìn)行了優(yōu)化分析。分析結(jié)果表明，皮帶損壞、濾芯受潮進(jìn)水和濾芯漏風(fēng)等是煙塵回收失靈的主要原因，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。改造優(yōu)化后的分析及實(shí)際使用結(jié)果表明，此次優(yōu)化改造降低了煙塵回收失靈故障率，有效降低了車間內(nèi)的煙塵污染，凈化了生產(chǎn)環(huán)境。

焊管；等離子切割；煙塵回收；故障樹；優(yōu)化

1 焊管生產(chǎn)中切割煙塵的處理方法

焊管連續(xù)生產(chǎn)過程中，飛剪崗位的切割方法有氧－乙炔火焰在線切割、飛鋸在線切割、等離子在線切割等。氧－乙炔火焰切割因其切割速度無法滿足鋼管快速生產(chǎn)的需要，目前已經(jīng)被大部分鋼管生產(chǎn)廠家淘汰。飛鋸在線切割因會(huì)產(chǎn)生巨大的噪音，且鋸片的消耗會(huì)增加生產(chǎn)成本，目前使用的也相對(duì)較少。等離子切割具有切割速度快，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前在線切割的主流。

等離子切割過程中會(huì)產(chǎn)生氣化金屬蒸氣、臭氧、氮氧化物等煙塵，對(duì)周圍環(huán)境造成污染，通常需要配套相應(yīng)的煙塵回收系統(tǒng)。常見的煙塵回收系統(tǒng)有水淋式、布袋式、濾芯式3種。3種煙塵回收系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及回收效果對(duì)比見表1。

表1 3種煙塵回收系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及回收效果對(duì)比

從表1可看出，水淋式煙塵回收系統(tǒng)的回收效果最為徹底，但是占地面積過大，主要應(yīng)用于港口、礦山等大型工礦企業(yè)，對(duì)于鋼管制造車間不太適用，所以為了盡量凈化車間內(nèi)空氣，目前國內(nèi)鋼管生產(chǎn)廠家的煙塵回收系統(tǒng)多采用濾芯式。

2 煙塵回收裝置回收失靈故障樹的建立

煙塵回收裝置回收失靈故障樹如圖1所示。圖1中底事件概率是根據(jù)2009—2013年某公司7套煙塵回收裝置中各個(gè)故障除以故障總和得出。底事件分別為：X1緊急制動(dòng)未開、X2電源未打開、X3皮帶損壞、X4電機(jī)損壞、X5風(fēng)機(jī)損壞、X6風(fēng)管漏風(fēng)、X8參數(shù)不當(dāng)、X9漏氣、X10空氣進(jìn)水、X11濾芯漏風(fēng)。定性來看，最小割集為10項(xiàng)，階數(shù)較為平均，沒有特別薄弱的環(huán)節(jié)。

圖1 煙塵回收失靈故障樹

已知頂事件發(fā)生的概率計(jì)算公式為

式中：Cj—故障樹中的第j個(gè)最小割集；

k—故障樹種最小割集的數(shù)目。

系統(tǒng)的可靠度Rs為

利用式（1）和式（2）可算出頂事件N1發(fā)生的概率，通過軟件CAFTA可以計(jì)算出頂事件發(fā)生概率為0.67，系統(tǒng)可靠度為0.33?，F(xiàn)針對(duì)每一底事件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 緊急制動(dòng)未開、電源未打開

這兩項(xiàng)主要為操作人員問題，且發(fā)生概率較小，故不做優(yōu)化，但是可以將生產(chǎn)主機(jī)與煙塵回收接為聯(lián)動(dòng)狀態(tài)來降低人員忘記操作的概率。

2.2 皮帶損壞

該故障發(fā)生的概率較大，其原因?yàn)橄到y(tǒng)原裝V帶為SPA1682三條，首先V帶的質(zhì)量直接關(guān)系其使用壽命，另外，系統(tǒng)可靠性分析中，組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效叫串聯(lián)系統(tǒng)，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為

式中： Rs（t）—系統(tǒng)的可靠度；

Ri（t）—為第 i個(gè)單元的可靠度。

由式（3）可以看出，V帶越多，其可靠度越差，具體到系統(tǒng)的3根V帶上，可以求出單根皮帶的可靠度及不可靠度。

根據(jù)R3=1－0.208可以求出R=0.925，即單根皮帶的可靠度為0.925，不可靠度為0.075。通過扭矩計(jì)算，可以選用聯(lián)組窄V帶15J1682代替原有的窄V帶SPA1682。

聯(lián)組窄V帶整體性好，受力均勻，橫向剛度大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在聯(lián)組窄V帶運(yùn)行過程中，即使出現(xiàn)部分磨損，也不會(huì)像普通V帶那樣立即斷裂失效，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 電機(jī)或風(fēng)機(jī)損壞

這兩種故障出現(xiàn)的幾率較小，只要定期檢查皮帶輪及軸承座的完好性，通常不會(huì)出現(xiàn)此類故障。

2.4 風(fēng)管漏風(fēng)

風(fēng)管是否漏風(fēng)與工作環(huán)境及風(fēng)管的質(zhì)量有關(guān)。如果工作環(huán)境銳物（如鐵絲、帶棱鋼板等）過多，使用時(shí)極易劃傷或撕壞風(fēng)管。另外，風(fēng)管的質(zhì)量越差就越容易被撕裂。因此，建議使用硬質(zhì)鈑焊件作為主風(fēng)管，伸出的柔性風(fēng)管使用皮革編織管，或者使用柔性吸氣臂效果會(huì)更好。

2.5 參數(shù)不當(dāng)、漏氣

煙塵回收系統(tǒng)的參數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況嚴(yán)格設(shè)定在說明書范圍之內(nèi)，且每隔一段時(shí)間要按照實(shí)際壓差進(jìn)行調(diào)整，以避免因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而造成的濾芯堵塞。設(shè)備外部的壓力氣體管道應(yīng)盡量采用硬管，同時(shí)減少PU聚氨酯氣管的使用；設(shè)備內(nèi)部的聚氨酯氣管也要盡量增加保護(hù)套，以防止硬質(zhì)灰塵對(duì)其劃傷。

2.6 濾芯受潮進(jìn)水

常見的兩種濾芯濾材的斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2（a）為不帶覆膜的普通濾材， 圖2（b）為帶PTFE薄膜的濾材。目前不帶覆膜的普通濾材已經(jīng)基本被淘汰，大量使用的是帶PTFE薄膜的濾材。從圖2（b）可以看出，粉塵在煙塵回收系統(tǒng)中先要經(jīng)過薄膜的小孔才能接觸到濾材纖維，這樣能夠由帶小孔的薄膜過濾掉大部分的灰塵，達(dá)到延長濾材纖維壽命的效果。

通常清理濾芯的方法為反吹法。濾筒的工作過程及自動(dòng)清灰過程如圖3所示。由圖3可以看出，反吹時(shí)空氣中如果存在水分，水分使濾材纖維受潮，一段時(shí)間內(nèi)水分和纖維上及PTFE微孔膜的內(nèi)壁上的灰塵混合后形成硬質(zhì)泥灰，進(jìn)而很快堵塞濾芯，使反吹失效?？梢娺M(jìn)水是濾芯報(bào)廢、回收失靈的一個(gè)重要原因。

圖2 常見的兩種濾芯濾材的斷面結(jié)構(gòu)

圖3 濾筒的工作過程及自動(dòng)清灰過程

車間內(nèi)通常使用的都是空壓機(jī)－儲(chǔ)氣罐－冷凍式干燥機(jī)的壓縮空氣系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的除水效果一般。為了將水分對(duì)濾芯的影響降至最低，可在煙塵回收設(shè)備機(jī)體之前加裝一套三聯(lián)除水濾芯，三聯(lián)除水濾芯的實(shí)物照片如圖4所示。從實(shí)際使用效果來看，該做法有效延長了濾芯的壽命，降低了因?yàn)V芯進(jìn)水而造成的煙塵回收系統(tǒng)失靈。

圖4 三聯(lián)除水濾芯的實(shí)物照片

2.7 濾芯漏風(fēng)

濾芯漏風(fēng)是導(dǎo)致回收失靈的最常見原因。出現(xiàn)此故障時(shí)，甚至?xí)焿m以高壓的狀態(tài)噴射出去，造成車間內(nèi)更嚴(yán)重的污染。煙塵回收濾芯通常安裝方式及濾芯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

傳統(tǒng)煙塵回收裝置的固定方式如圖6所示，通常按3個(gè)一組進(jìn)行固定。每個(gè)濾芯頂起4個(gè)角至固定頂板上，使密封圈起到密封效果。由式（3）可知串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算方法，設(shè)每個(gè)角的頂緊可靠度為X，則一排中任一濾芯頂緊的概率為X12。當(dāng)煙塵回收設(shè)備較新且維護(hù)良好的情況下，濾芯漏風(fēng)問題并不突出。但是如果使用超過保修期（通常為1～2年）之后，因固定頂板普遍較薄，各處進(jìn)灰后導(dǎo)致安裝不暢，常常需要更大的力才能頂緊，所以固定頂板經(jīng)常會(huì)變形而導(dǎo)致濾芯不能全部被頂緊，從而出現(xiàn)濾芯漏風(fēng)。

圖5 煙塵回收濾芯通常安裝方式及濾芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 傳統(tǒng)煙塵回收裝置固定方式

為了預(yù)防濾芯漏風(fēng)導(dǎo)致的系統(tǒng)失效，可將濾芯設(shè)計(jì)成單獨(dú)緊固，并使用螺紋連接。帶螺紋的濾芯結(jié)構(gòu)如圖7所示。仍假設(shè)每個(gè)角的頂緊可靠度為X，則任一濾芯頂緊的概率為X4，可靠度顯著提高。

具體到數(shù)值上來說，假設(shè)根據(jù)式（3）求得的單邊頂緊可靠度為0.968，不可靠度為0.032。用原有三聯(lián)式濾芯安裝時(shí)的可靠度為0.675，不可 靠度為0.325；而使用螺紋單個(gè)頂緊的可靠度為0.878，不可靠度為0.122。由此可見，濾芯漏風(fēng)的故障概率大大降低。另外，螺紋單個(gè)頂緊的密封性也比三聯(lián)濾芯的密封性更好。

圖7 帶螺紋的濾芯結(jié)構(gòu)示意圖

3 優(yōu)化后回收失靈故障樹的建立

優(yōu)化后回收失靈的故障樹如圖8所示，由于制動(dòng)、電源未打開、風(fēng)管漏風(fēng)，濾芯進(jìn)水等優(yōu)化無法用數(shù)字來衡量，故暫時(shí)使用原有底事件概率。從圖8可以看出，頂事件發(fā)生概率降為0.502，較之前的頂事件概率0.672降低了26%，證明優(yōu)化是有效果的。實(shí)際使用效果也表明，此次改造優(yōu)化是成功的，有效地降低了車間內(nèi)的煙塵污染，凈化了生產(chǎn)環(huán)境。

圖8 優(yōu)化后的回收失靈故障樹

4 結(jié) 語

在焊管生產(chǎn)中使用等離子切割可大幅度提高生產(chǎn)效率，但等離子切割過程中產(chǎn)生的氣化金屬蒸氣、臭氧、氮氧化物等煙塵，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染，因此需要配套相應(yīng)的煙塵回收裝置。通過對(duì)焊管切割煙塵回收系統(tǒng)回收失靈這一典型故障建立故障樹，找出了故障產(chǎn)生的主要原因。并對(duì)皮帶損壞、濾芯受潮進(jìn)水和濾芯漏風(fēng)等造成回收失靈的主要故障進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。此次改造優(yōu)化降低了回收失靈故障率，有效降低了車間內(nèi)的煙塵污染，凈化了生產(chǎn)環(huán)境。

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Optimization of Smoke and Dust Recycle Device Based on Failure Tree Diagnosis

LI Guanghui,XIAO Delin,WU Peilong
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

In order to find out the failure reason of smoke and dust recycle device of welded pipe plasma on-line cutting,the smoke and dust recycle failure tree was established based on failure tree diagnosis,and the optimized analysis was carried out for various kinds of faults occurred in a company’s seven sets of smoke and dust recycle device during 2009—2013.The results indicated that the belt damage,the filter element be affected with damp,filter air leakage are the main reason of dust recycle failure,put forward the corresponding optimization measures.The actual application showed that the optimized transformation reduces the recycle failure,effectively reduces the soot pollution in workshop,and purify the production environment.

welded pipe;plasma cutting;smoke and dust recycle;failure tree;optimization

TF805.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.011

李光輝（1986—），男，山東淄博人，工程師，主要從事螺旋焊管設(shè)備的技術(shù)管理工作。

2016-02-26

謝淑霞