莊法坤,劉 文,宋 策,陳 銘

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

螺栓法蘭接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配方便，是石油化工設(shè)備、管道和閥門(mén)廣泛使用的可拆卸連接形式。但螺栓法蘭接頭目前仍是煉化、能源、醫(yī)藥等行業(yè)發(fā)生原料或產(chǎn)品泄漏、逸出、燃燒、爆炸等事故的主要源頭[1]。由于泄漏引起的設(shè)備失效和環(huán)境問(wèn)題，是當(dāng)前石化企業(yè)安全、環(huán)保生產(chǎn)最大的安全隱患。同時(shí)，成套裝置內(nèi)法蘭接頭應(yīng)用數(shù)量巨大、管理難度大、安裝維護(hù)困難，又是設(shè)備易發(fā)生泄漏的部位，嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行。因此，分析法蘭泄漏的影響因素，減少泄漏至關(guān)重要。

對(duì)于石化裝置中在用螺栓法蘭接頭來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致其泄漏的原因眾多，如介質(zhì)對(duì)法蘭密封面的腐蝕、工藝波動(dòng)引起接頭螺栓松動(dòng)、螺栓斷裂導(dǎo)致預(yù)緊力不足引起泄漏、高溫引起墊片發(fā)生蠕變導(dǎo)致泄漏等，上述諸多因素可以單獨(dú)或者共同作用，導(dǎo)致螺栓法蘭接頭發(fā)生泄漏失效。當(dāng)前法蘭接頭的可靠性分析方法，以復(fù)雜的理論模型為基礎(chǔ)[2]，適用于關(guān)鍵接頭的初始設(shè)計(jì)階段，對(duì)于運(yùn)行之后成套裝置內(nèi)的螺栓法蘭接頭難以應(yīng)用，且可靠性分析同后期維護(hù)并未進(jìn)行關(guān)聯(lián)。因此，通過(guò)螺栓法蘭接頭的操作、工藝、材料信息，分析螺栓法蘭接頭潛在的損傷模式，開(kāi)展密封接頭可靠性維護(hù)對(duì)于降低接頭泄漏具有重要意義。

故障模式與影響分析(Fault Modes Effects and Criticality Analysis,FMEA)，是一種重要的定性可靠性分析方法。FMEA分析方法的優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)分析設(shè)備中各個(gè)組成部件，辨識(shí)出設(shè)備可能存在的故障模式，進(jìn)而通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)排列，分析得到影響設(shè)備使用的薄弱環(huán)節(jié)，從而進(jìn)行針對(duì)性的維護(hù)，這對(duì)于在用的設(shè)備或部件來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文基于FMEA方法，研究制定在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法，分析在用螺栓法蘭接頭常見(jiàn)潛在的損傷模式，通過(guò)某蒸汽管道法蘭接頭的FMEA分析工作，詳解該方法的應(yīng)用過(guò)程，并依據(jù)FMEA分析結(jié)果，制定針對(duì)性的檢維修措施。

1 在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法

1.1 故障模式及影響分析(FMEA)

FMEA方法主要研究設(shè)備的每個(gè)組成部分可能存在的故障模式，并確定每個(gè)故障模式對(duì)產(chǎn)品其他組成部分和產(chǎn)品功能要求功能影響，一般用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。

FMEA分析程序主要包括4個(gè)步驟[3]：

(1)確定FMEA的基本原則、制定計(jì)劃和安排進(jìn)度，保證分析有足夠的時(shí)間的專業(yè)技術(shù)。

(2)選用合適的工作表實(shí)施FMEA，或者采用其他方法，例如邏輯圖或故障樹(shù)。

(3)對(duì)分析進(jìn)行總結(jié)并編寫(xiě)報(bào)告。

(4)隨著設(shè)計(jì)工作的深入，更新FMEA。

1.2 基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法

在用螺栓法蘭靜密封接頭使用過(guò)程中，常因介質(zhì)腐蝕、密封件性能不達(dá)標(biāo)或螺栓力不足而引起泄漏，而FMEA分析的核心內(nèi)容為故障模式、故障原因和故障影響分析，多用于機(jī)械裝備，因此，將FMEA方法應(yīng)用到螺栓法蘭接頭這一部件時(shí)，其故障模式分析更改為損傷模式分析。

圖1 技術(shù)方法Fig.1 Technical method

通過(guò)分析FMEA實(shí)施過(guò)程，基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法，如圖1所示，主要包括部件功能分析、損傷模式分析、損傷原因分析、損傷影響分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和維護(hù)策略制定等部分。

部件功能分析主要圍繞構(gòu)成法蘭接頭的零部件開(kāi)展，即法蘭、墊片和螺栓，如圖2所示。

損傷模式分析，主要辨識(shí)法蘭潛在的損傷類型，參照英國(guó)能源協(xié)會(huì)規(guī)范[4]，并結(jié)合法蘭接頭常見(jiàn)失效案例，如表1所示，在用螺栓法蘭接頭常見(jiàn)潛在的損傷模式主要有：法蘭損傷(大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、縫隙腐蝕、電偶腐蝕)、墊片損傷(化學(xué)劣化、物理劣化、蠕變、機(jī)械損壞或斷裂)、連接螺栓(松動(dòng)、斷裂)等。

1螺柱，2下法蘭，3上法蘭，4墊圈，5螺母，6墊片圖2 螺栓法蘭接頭Fig.2 Schematic diagram of bolted flange joint

表1 主要部件及其常見(jiàn)損傷模式、影響和原因Table 1 Main component and its common damage modes,effect and cause

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN進(jìn)行分級(jí)，RPN由損傷嚴(yán)酷度(SER)、損傷發(fā)生概率(PFO)和損傷檢測(cè)概率(PD)相乘得到，其數(shù)值越大說(shuō)明潛在問(wèn)題越嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)越高，須采取措施的優(yōu)先級(jí)越高；反之則越低。借鑒FMEA的評(píng)分原則[5]，制定了在用螺栓法蘭靜密封接頭的評(píng)分原則，如表2～4所示。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原則依據(jù)企業(yè)管理制度進(jìn)行劃分。

表2 損傷嚴(yán)酷度(SER)評(píng)分依據(jù)和細(xì)則Table 2 Damage severity score basis and detailed rules

表3 損傷發(fā)生概率(PFO)評(píng)分依據(jù)和細(xì)則Table 3 Damage probability score basis and detailed rules

表4 損傷檢測(cè)概率(PD)評(píng)分依據(jù)和細(xì)則Table 4 Damage detection probability score basis and detailed rules

基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法，最終目的是依據(jù)其損傷模式及其影響開(kāi)展維護(hù)工作，因此通過(guò)FMEA分析得到其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果后，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。對(duì)于在用螺栓法蘭接頭，其潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，采取事后維修策略；其潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，采取預(yù)防性維修策略，如定期在線檢查泄漏情況、定期更換密封元件；其潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，采取預(yù)測(cè)性維修策略，如通過(guò)進(jìn)一步的壽命預(yù)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)開(kāi)展維護(hù)。

2 應(yīng)用案例分析

以某企業(yè)常減壓裝置中某蒸汽管道中的法蘭接頭為例，實(shí)施基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法。該法蘭接頭由一對(duì)整體對(duì)焊突面法蘭組成，法蘭材質(zhì)為20鋼，墊片為金屬波齒復(fù)合墊片(0Cr18Ni9+柔性石墨)，螺栓為35CrMoA等長(zhǎng)雙頭螺柱。法蘭接頭內(nèi)為270℃的1.0MPa蒸汽，接頭外部有保溫覆蓋。

該蒸汽管道法蘭接頭FMEA分析結(jié)果見(jiàn)表5，由表5可見(jiàn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排序結(jié)果可知，蒸汽管道法蘭接頭潛在損傷模式中，墊片發(fā)生蠕變的風(fēng)險(xiǎn)最高，其次為墊片化學(xué)劣化和法蘭面縫隙腐蝕，最后為法蘭面的電偶腐蝕。

表5 某蒸汽管道法蘭接頭FMEA分析結(jié)果Table 5 FMEA results of the bolted flange joint of a steam pipe

根據(jù)該法蘭接頭FMEA的結(jié)果，針對(duì)其潛在的損傷模式，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，確保密封接頭在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各種故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，從而降低接頭泄漏失效的發(fā)生率或減輕泄漏的危害性。具體從以下幾個(gè)方面開(kāi)展接頭的維護(hù)工作。

(1)墊片的蠕變損傷潛在風(fēng)險(xiǎn)排序較高，應(yīng)當(dāng)采取預(yù)測(cè)性維修方式。蒸汽管道法蘭接頭中墊片在高溫長(zhǎng)期作用下發(fā)生蠕變變形，回彈性能下降，因此在墊片使用之前進(jìn)行蠕變率測(cè)量，必要時(shí)開(kāi)展壽命預(yù)測(cè)，以確定合適的更換周期。

(2)墊片化學(xué)劣化和法蘭面縫隙腐蝕，潛在風(fēng)險(xiǎn)水平居中，應(yīng)當(dāng)采取預(yù)防性維修方式。日常巡檢時(shí)定期查看接頭泄漏情況，此外在企業(yè)管道大修周期時(shí)，拆解法蘭接頭查看墊片和法蘭面的損傷情況，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)密封面進(jìn)行修復(fù)，使其符合下一階段運(yùn)行要求。

(3)法蘭的電偶腐蝕，潛在風(fēng)險(xiǎn)水平較低，可以采取事后維修的方式。在該接頭中，主要是碳鋼法蘭和不銹鋼墊片之間存在異種金屬接觸，若蒸汽在密封面冷凝后形成潮濕環(huán)境，提供了電偶腐蝕的條件，可在企業(yè)大修期間查看腐蝕情況并進(jìn)行修復(fù)。

3 結(jié)論

本文基于FMEA方法提出了在用螺栓法蘭接頭的可靠性維護(hù)方法，闡述了該方法的具體內(nèi)容，并以蒸汽管道法蘭接頭的FMEA分析為例詳解了該方法的應(yīng)用過(guò)程，得到以下主要結(jié)論：

(1)基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護(hù)方法，主要包括部件功能分析、損傷模式分析、損傷原因分析、損傷影響分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和維護(hù)策略制定等部分。

(2)在用螺栓法蘭接頭常見(jiàn)潛在的損傷模式主要有：法蘭損傷(大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、縫隙腐蝕、電偶腐蝕)、墊片損傷(化學(xué)劣化、物理劣化、蠕變、機(jī)械損壞或斷裂)、連接螺栓(松動(dòng)、斷裂)等。

(3)依據(jù)螺栓法蘭接頭的損傷模式制定針對(duì)性的檢維修措施，可以提高維護(hù)可靠度并合理配置維護(hù)資源。關(guān)于在用螺栓法蘭接頭的損傷模式分析，本文給出的常見(jiàn)損傷模式并不能包含所有情況，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)接頭的操作、工藝、材料信息確定，因此在今后的工作中，建議依據(jù)裝置和工段開(kāi)展此項(xiàng)工作。