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海上石油平臺吊車鋼絲繩壽命與經濟性研究

作者: admin 編輯: admin 來源:admin 發布日期:2021-08-26 11:33
信息摘要:
吊車是海上油田的關鍵作業設備,為海上石油平臺設施的日常生產和生活提供支持,每天擔負著油田人員、物資及海上平臺作業的吊裝工作,是油田穩定生產的物質基礎。鋼絲繩是吊車
吊車是海上油田的關鍵作業設備,為海上石油平臺設施的日常生產和生活提供支持,每天擔負著油田人員、物資及海上平臺作業的吊裝工作,是油田穩定生產的物質基礎。鋼絲繩是吊車的重要備件,也是吊車的主要承重部件,由多根或多股鋼絲纏繞而成,具有柔韌性較好、自重輕、承載能力大、安全系數高、可承受交變載荷、在高速運轉時具有良好的穩定性、噪音小等優點。鋼絲繩在吊車中主要用于起升機構及變幅機構。若鋼絲繩發生突然斷裂,將會造成嚴重后果。因此,分析和評估鋼絲繩故障及失效原因,在經濟性和安全性方面均有重要意義。
本文對使用十年以上的吊車數據信息進行收集,分析研究吊車更換鋼絲繩的數據信息,根據實際使用頻率、次數和載重等相關參數,對吊車鋼絲繩失效故障進行統計分析。

1歷史數據分析
1.1歷年數據統計
截止2019年12月,公司使用10年以上的共計20臺吊車更換鋼絲繩的數量統計如表1:
表1更換鋼絲繩統計表
鋼絲繩類型|小鉤大鉤變幅數量|49(22)|28(1)|48(18)
其中括號中數字代表磨損超標更換的鋼絲繩數量。
從表1可以看出,累計更換鋼絲繩125根,其中小鉤49根,大鉤28根,變幅48根。其中磨損超標41根,年限到期84根,占比例67.2%。
1.2歷年數據分析
公司所屬吊車更換鋼絲繩主要參考兩方面因素。一是五年年限到期,二是鋼絲繩達到報廢標準。在實際使用中,與專業起重作業的吊車相比,海上平臺吊車使用頻率較低,主要用于輕載荷的人員、物料的運送及油田日常作業中使用,并且海上吊車的檢查、維護與保養工作比較全面和完善,更加保證了吊車的安全可靠性。在國家相關標準要求下,可根據每臺吊車的實際工況、使用時間、總載荷和使用次數結合鋼絲繩檢查的各項參數來決定是否更換鋼絲繩。
對公司20臺吊車更換鋼絲繩次數按年限進行統計如表2:
表2鋼絲繩更換次數年限統計表年限|1|2|3|4|5|6|≥7|合計小鉤|3|1|8 |10|14|5|8 |49|大鉤|1|2▍0|2|9|1 |13 |28
|變幅|6|5|3|6|9|10|9 |48
|合計|10|8|11|18|32|16|30|125從鋼絲繩更換的次數數據表可分別分析出小鉤、大鉤、變幅鋼絲繩更換發生的概率。對鋼絲繩更換按照年限更換的概率如下:
表3鋼絲繩更換概率表
年限|1|2|3▍4▍5|6|≥7小鉤|3/49|1/49|8/49|10/49|14/49|5/49|8/49大鉤|1/28|2/28|02/28|9/28|1/28|13/28變幅|6/48|5/48|3/48|6/48|9/48|10/48|9/481.3分析
吊車在使用時,鋼絲繩承受多種受力,主要
為拉應力、彎曲應力、接觸擠壓應力和扭轉剪切應力等。鋼絲繩使用中,經常受到多種力的共同作用,超過極限時有可能出現疲勞斷裂。磨損和銹蝕也是加快斷絲的重要原因。
良好的潤滑可以有效地延長鋼絲繩使用壽
命。據研究,定期、定量的有效潤滑可以使鋼絲繩壽命延長2-3倍。因此在吊車使用過程中要加強鋼絲繩的各項維保,及時發現故障,在早期解決存在的問題,可以提高鋼絲繩的使用壽命,及時發現存在的缺陷,及時分析處理,就可避免鋼絲繩斷裂等事故發生。根據目前公司的鋼絲繩使用實際工況、使用時間、總載荷和使用次數結合鋼絲繩檢查的各項數據來決定是否更換鋼絲繩。在油田投產以來近十年更換的小鉤、大鉤和變幅鋼絲繩使用超過7年以上的達30根,占25%。根據實際情況參考國家相關標準以及華南吊車廠家的相關推薦,對鋼絲繩更換的標準分三種模式進行經濟性分析:3年強制更換;5年強制更換;6年強制更換。
(1)3年強制更換
對更換鋼絲繩更換時間按三年強制更換,則
相對應的小鉤、大鉤和變幅鋼絲繩的更換數量為表4:
表4鋼絲繩更換數量表
假設20臺吊車更換鋼絲繩符合隨機變量,對于小鉤、大鉤、變幅鋼絲繩更換的概率符合下面的隨機布規律:
表5鋼絲繩更換的概率
3
P小鉤|3/49 | 1/49|45/49
P大鉤
1/28|2/2825/28
P變幅 |6/48 | 5/48|37/48
按年限更換鋼絲繩次數的數學期望為:
E.-Zen其中:en=Pn·X·20/n小鉤:
el=P1·X·20=1.224
e2=P2·X·20/2=0.204e3=P3·X·30/3=6.122因此,三年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
En-Xen=el+e2=7.55目前公司更換小鉤鋼絲繩的外委服務費用X1=5萬元,鋼絲繩均價M1=2.5萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用三年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換小鉤鋼絲繩費用為:
A1=(X1+M1)X·En·X·n=7.5·X·7.55·X·20
=1132.5(萬元)大鉤:
el=P1·X·20=0.714
e2=P2·X·20/2=0.714e3=P3·X·30/3=5.952因此,三年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
Eo-Xen=el+e2+e3=7.38目前公司更換鋼絲繩的外委服務費用X2=6萬元,鋼絲繩均價M2=5萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用三年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換大鉤鋼絲繩費用為:
A2=(X2+M2)X·En·X·n=1l·X·7.38·X·20
=1623.6(萬元)變幅:
el=P1·X·20=2.5
e2=P2·X·20/2=1.042e3=P3·X·30/3=5.139因此,三年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
Eo-Xen=el+e2+e3=8.681目前公司更換鋼絲繩的外委服務費用X3=6萬元,鋼絲繩均價M3=6萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用三年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換大鉤鋼絲繩費用為:
A3=(X3+M3)X·En·X·n=12·X·8.681·X·20
=2083.44(萬元)在強制更換為三年的前提下,公司目前所有吊車,在油田壽命20年的周期內所用費用為:
A=A1+A2+A3=1132.5+1623.6+2083.44
=4839.54(萬元)
(2)5年強制更換
對鋼絲繩更換時間按五年強制更換,則相對應的小鉤、大鉤和變幅鋼絲繩的更換數量為表6:
表6鋼絲繩更換數量表
|年限|1|2|3|4 |5 |合計|
大鈞|1|2|0|2|23|28
|變幅|6|5|3| 6 |28 |48假設20臺吊車更換鋼絲繩符合隨機變量,對于小鉤、大鉤、變幅鋼絲繩更換的概率符合下面的隨機布規律:
表7鋼絲繩更換的概率
年限|1|2|3|4|5
|p小鉤|3/49| 1/49| 8/49 | 10/49|27/49|
P大鉤|1/28|2/280|2/28|23/28|
|P變幅|6/48| 5/48| 3/48 | 6/48|28/48|
按年限更換的鋼絲繩數學期望為:
Ea=Zen其中:en=Pn·X·20/n小鉤:
五年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
En-Xen=el+e2+e3+e4+e5=5.74目前公司更換鋼絲繩的外委服務費用X1=5萬元,鋼絲繩均價M1=2.5萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用五年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換小鉤鋼絲繩費用為:
Al=(X1+M1)-X·En-X-n=86l(萬元)大鉤:
五年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
E.-Zen=el+e2+e3+e4+e5=5.071目前公司更滑鋼絲繩的外委服務費用X2=6萬
元,鋼絲繩均價M2=5萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用五年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換大鉤鋼絲繩費用為:
A2=(X2+M2)-X·En·X·n=1115.62(萬元)變幅:
五年更換周期時更換的鋼絲繩次數的期望值為:
E-Xen=el+e2+e3+e4+e5=6.917目前公司更滑鋼絲繩的外委服務費用X3=6萬元,鋼絲繩均價M3=6萬元,20臺吊車在油田壽命周期20年內若采用五年到期強制更換鋼絲繩,則公司20年吊車更換大鉤鋼絲繩費用為:
A3=(X3+M3)·X·En·X·n=1660.08(萬元)在五年強制更換的前提下,公司目前所有吊車,在油田壽命20年的周期內所用費用為:
A=A1+A2+A3=3636.7(萬元)
(3)6年強制更換
依照上述計算方式,可得:
Al=(X1+Ml)·X·En·X·m=834.45(萬元)A2=(X2+M2)·X·En-X-n=l042.36萬元)A3=(X3+M3)·X·En·X-n=1596.72(萬元)在六年強制更換的前提下,公司目前所有吊車,在油田壽命20年的周期內所用費用為:
A=A1+A2+A3=3473.53(萬元)對三種模式進行分析,顯然第三種模式(更換周期六年)最經濟,比第一種模式可以節約近1400萬元。
結合歷史數據和計算結果,參考API SPEC2C中對海上起重機鋼絲繩更換時間間隔(TBR)的要求,在保障吊機可靠性的前提下,最終確定整個油田吊機鋼絲繩更換策略為:“小鉤和變幅鋼絲繩每三年更換,大鉤鋼絲繩每五年更換”。

2鋼絲繩常見故障
鋼絲繩的選型根據鋼絲繩滾筒結構、起重載荷和破斷力等,并根據起重機廠家的推薦,參考相關的行業標準來確定鋼絲繩的型號。吊車在使用時,由于摩擦、擠壓作用的存在,導致鋼絲繩的磨損會一直存在于吊車使用的整個作業過程中。因此定期檢查鋼絲繩,評估鋼絲繩的狀態十分重要。鋼絲繩的檢驗標準主要依據GB5972-86《起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規范》進行判定,達到報廢標準應予以報廢。
鋼絲繩應按照規定定期對其檢查,各項檢查標準必須在范圍之內,否則就要報廢。但鋼絲繩的損壞往往是由多種因素累積造成的,這就需要綜合考慮評估鋼絲繩的狀態。發現鋼絲繩異常磨損或損壞時,要及時分析造成鋼絲繩損壞的原因,若是設計或機械結構缺陷造成的,要及時處理缺陷,避免二次傷害發生。

3提高鋼絲繩壽命的建議
延長鋼絲繩使用壽命,也就是延長鋼絲繩的更換周期。吊車所使用的鋼絲繩規格品種較多,使用千差萬別,在長期使用實踐中,鋼絲繩損壞的原因歸納起來主要有:摩擦磨損和線性劃傷、銹蝕損壞、疲勞缺陷、打折、扭曲、擠壓變形和鋼絲繩咬繩等。針對鋼絲繩經常出現的幾種故障,分析歷史原因,進行分類歸納總結,可以從以下幾方面提升鋼絲繩的使用壽命。
3.1設計與采購
鋼絲繩主要由鋼絲和繩芯組成。鋼絲繩是先由多層鋼絲捻成股,再以繩芯為中心,由一定數量股捻繞成螺旋狀的繩。所以鋼絲的材質及性質決定了鋼絲繩的質量。鋼絲繩材質一般為優質鋼,經過一系列的熱處理加工成直徑小于6mm的圓鋼,然后進過多次冷拔后成為絲狀。經過熱處理及冷拔后,鋼絲的強度大大提高,抗拉強度最高可以達到2000MPa。起重鋼絲繩由于工作特性,需要具有較高的安全特性以及較長的使用壽命。若鋼絲質量不合格,鋼絲繩就會存在缺陷,降低了鋼絲繩的使用壽命。
如果鋼絲繩的原材料選擇含碳量較高的合金鋼,經過熱處理和冷拔之后,使得鋼絲的金相組織中滲碳體數量會明顯增多,滲碳體的外形也大了不少。這時鋼絲韌性降低,變得較脆,多次彎折就會斷裂。若使用這種鋼絲纏繞而成的鋼絲繩,鋼絲繩在使用中多次經過滑輪和滾筒,很快就會出現斷絲,并且斷絲存均布于整根鋼絲繩中,使用幾次就會達到報廢極限。因此,采購鋼絲繩時,要購買正規廠家的,從根源上杜絕鋼絲繩的缺陷。
3.2使用與維護
(1)做好鋼絲繩檢查。研究表明,吊車正常使用過程中,由于重物,導致鋼絲繩受到拉伸應力、彎曲應力及擠壓應力等多種力的共同作用。鋼絲繩的損壞過程為:鋼絲繩需繞過鋼絲繩滾筒和多個滑輪組,當受吊運物品重力影響,會使鋼絲繩拉在滾筒處受到擠壓變形,滑輪處磨損加劇以及鋼絲繩自身之間的摩擦磨損加劇。長時間、重載荷的運轉,鋼絲繩最外層的鋼絲磨損和疲勞,會造成外層鋼絲斷裂,隨著磨損加劇,斷絲越來越多。當斷絲較多超過一定數量,鋼絲繩就應報廢,若繼續使用,很有可能造成鋼絲繩突然斷裂,給人員或設備造成傷害。因此,定期對鋼絲繩檢查十分必要,可及早發現問題,及早處理。
(2)加強鋼絲繩潤滑。鋼絲繩的潤滑主要分為制造時的潤滑和使用中的潤滑。制造時主要是多鋼絲繩內部繩芯的潤滑,使用中主要是針對外部潤滑防腐以及通過油品的滲透性,對內部進行進行潤滑。因此。鋼絲繩用油應具有良好的滲透性、黏度較大,在低溫環境中不易硬化結塊,在氣溫高時不易流淌。防銹蝕和潤滑性能均較好的油脂。
良好的潤滑是延長鋼絲繩壽命的有效措施。
一方面,鋼絲繩在使用中受力擠壓,導致鋼絲繩中間以及表面涂抹的潤滑脂就會被擠壓出來,造成鋼絲繩缺少潤滑,導致鋼絲繩磨損和銹蝕加劇。同時,鋼絲繩在使用中,會出現疲勞,導致表面出現微小裂紋,當涂抹潤滑脂之后,就可以有效防止鋼絲繩進一步的電化學腐蝕。另一方面,由于海上的環境中空氣潮濕,鹽度大,鋼絲繩的工作環境較惡劣,鋼絲繩的潤滑就需要采取合理的潤滑工藝,選擇合適的鋼絲繩潤滑劑,嚴格控制油脂質量,做好記錄定期潤滑。這樣才能有效地提高鋼絲繩的使用壽命。研究表明,吊車在露天環境中,若鋼絲繩不進行潤滑僅8個月就可能徹底腐蝕,導致無法使用,定期保養潤滑可以延長鋼絲繩壽命2倍以上]。
(3)正確操作,定期的保養,出現故障及時處理。操作吊車進行起升或下放時,要勻速。快速起停使得鋼絲繩受到沖擊載荷較大,同時可導致鋼絲繩跳槽,造成鋼絲繩擠壓變形及加快鋼絲繩的磨損。當吊車出現問題時及時處理,避免造成其他損傷。若滑輪出現卡滯,需要及時停車處理故障,避免滑輪卡滯或不轉動時,摩擦阻力較大,當吊運重物時,對其損害就會越大,嚴重時可直接導致鋼絲繩報廢。

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