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海上石油平臺吊車鋼絲繩壽命與經(jīng)濟性研究
發(fā)布時間：2021-06-22 14:49 文章來源：未知 文章作者：admin 點擊數(shù)：
吊車是海上油田的關鍵作業(yè)設備，為海上石油平臺設施的日常生產(chǎn)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(yè)的吊裝工作，是油田穩(wěn)定生產(chǎn)的物質基礎。鋼絲繩是吊車
吊車是海上油田的關鍵作業(yè)設備，為海上石油平臺設施的日常生產(chǎn)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(yè)的吊裝工作，是油田穩(wěn)定生產(chǎn)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(shù)高、可承受交變載荷、在高速運轉時具有良好的穩(wěn)定性、噪音小等優(yōu)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(fā)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(jīng)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(shù)據(jù)信息進行收集，分析研究吊車更換鋼絲繩的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)實際使用頻率、次數(shù)和載重等相關參數(shù)，對吊車鋼絲繩失效故障進行統(tǒng)計分析。
1歷史數(shù)據(jù)分析
1.1歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)量統(tǒng)計如表1：
表1更換鋼絲繩統(tǒng)計表
鋼絲繩類型|小鉤|大鉤|變幅數(shù)量|49（22）|28（1）|48（18）
其中括號中數(shù)字代表磨損超標更換的鋼絲繩數(shù)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(shù)據(jù)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(yè)起重作業(yè)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(yè)中使用，并且海上吊車的檢查、維護與保養(yǎng)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(jù)每臺吊車的實際工況、使用時間、總載荷和使用次數(shù)結合鋼絲繩檢查的各項參數(shù)來決定是否更換鋼絲繩。
對公司20臺吊車更換鋼絲繩次數(shù)按年限進行統(tǒng)計如表2：
表2鋼絲繩更換次數(shù)年限統(tǒng)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(shù)數(shù)據(jù)表可分別分析出小鉤、大鉤、變幅鋼絲繩更換發(fā)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|02/289/28|1/28|13/28變暢|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(jīng)常受到多種力的共同作用，超過極限時有可能出現(xiàn)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(jù)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)存在的缺陷，及時分析處理，就可避免鋼絲繩斷裂等事故發(fā)生。根據(jù)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(shù)結合鋼絲繩檢查的各項數(shù)據(jù)來決定是否更換鋼絲繩。在油田投產(chǎn)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(jù)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(jīng)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(shù)量為表4：
表4鋼絲繩更換數(shù)量表
小鉤|31|45 49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(guī)律：
表5鋼絲繩更換的概率
P小鉤|3/49 | 1/49|45/49
P大鉤|1/282/2825/28
P變幅 |6/48|5/48|37/48
按年限更換鋼絲繩次數(shù)的數(shù)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(shù)的期望值為：
E.~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(nèi)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(shù)的期望值為：
E.-Xenel+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(nèi)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=ll·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(shù)的期望值為：
E.-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(nèi)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=l2·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(nèi)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(shù)量為表6：
表6鋼絲繩更換數(shù)量表
年限|12|3|4|5.|合計
小鉤|3|1|8 |10 |27 |49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(guī)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 |2/28|0|2/28|23/28|
P變額|6/48 |5/48| 3/48|6/48|28/48|
按年限更換的鋼絲繩數(shù)學期望為：
E.-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(shù)的期望值為：
Ea-Zen=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(nèi)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：
A1=（X1+M1）-X·En·X-n=861（萬元）大鉤：
五年更換周期時更換的鋼絲繩次數(shù)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
2鋼絲繩常見故障
3提高鋼絲繩壽命的建議
元，鋼絲繩均價M2=5萬元，20臺吊車在油田壽命周期20年內(nèi)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(shù)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(nèi)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=l660.08（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(nèi)所用費用為：
A=Al+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+M1）-X·En-X·n=834.45（萬元）A2=（X2+M2）-X·En·X·n=1042.36（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(nèi)所用費用為：
A=Al+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(jīng)濟，比第一種模式可以節(jié)約近1400萬元。
結合歷史數(shù)據(jù)和計算結果，參考API SPEC 2C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(jù)鋼絲繩滾筒結構、起重載荷和破斷力等，并根據(jù)起重機廠家的推薦，參考相關的行業(yè)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(yè)過程中。因此定期檢查鋼絲繩，評估鋼絲繩的狀態(tài)十分重要。鋼絲繩的檢驗標準主要依據(jù)GB5972-86《起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規(guī)范》進行判定，達到報廢標準應予以報廢。
鋼絲繩應按照規(guī)定定期對其檢查，各項檢查標準必須在范圍之內(nèi)，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(tài)。發(fā)現(xiàn)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(fā)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(guī)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(jīng)常出現(xiàn)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(shù)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(yōu)質鋼，經(jīng)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(jīng)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(jīng)過熱處理和冷拔之后，使得鋼絲的金相組織中滲碳體數(shù)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(jīng)過滑輪和滾筒，很快就會出現(xiàn)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(guī)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：鋼絲繩需繞過鋼練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(shù)量，鋼絲繩就應報廢，若繼續(xù)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(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(huán)境中不易硬化結塊，在氣溫高時不易流滿。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(xiàn)疲勞，導致表面出現(xiàn)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(huán)境中空氣潮濕，鹽府大，鋼絲繩的工作環(huán)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，做了記錄定期潤滑。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(huán)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(yǎng)潤滑可以延長鋼絲繩壽命2倍以上l。
（3）正確操作，定期的保養(yǎng)，出現(xiàn)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?jīng)_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?shù)踯嚦霈F(xiàn)問題時及時處理，避免造成其他損傷。若滑輪出現(xiàn)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?shù)踹\重物時，對其損害就會越大，嚴重時可直接導致鋼絲繩報廢。