基于故障樹診斷的煙塵回收裝置優化

李光輝，肖德琳，吳培龍

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

基于故障樹診斷的煙塵回收裝置優化

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年出現的各種故障為底事件進行了優化分析。分析結果表明，皮帶損壞、濾芯受潮進水和濾芯漏風等是煙塵回收失靈的主要原因，提出了相應的優化措施。改造優化后的分析及實際使用結果表明，此次優化改造降低了煙塵回收失靈故障率，有效降低了車間內的煙塵污染，凈化了生產環境。

焊管；等離子切割；煙塵回收；故障樹；優化

1 焊管生產中切割煙塵的處理方法

焊管連續生產過程中，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的需要，目前已經被大部分鋼管生產廠家淘汰。飛鋸在線切割因會產生巨大的噪音，且鋸片的消耗會增加生產成本，目前使用的也相對較少。等離子切割具有切割速度快，生產成本低等優點，使其成為目前在線切割的主流。

等離子切割過程中會產生氣化金屬蒸氣、臭氧、氮氧化物等煙塵，對周圍環境造成污染，通常需要配套相應的煙塵回收系統。常見的煙塵回收系統有水淋式、布袋式、濾芯式3種。3種煙塵回收系統的優缺點及回收效果對比見表1。

表1 3種煙塵回收系統的優缺點及回收效果對比

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

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2009—2013年某公司7套煙塵回收裝置中各個故障除以故障總和得出。底事件分別為：X1緊急制動未開、X2電源未打開、X3皮帶損壞、X4電機損壞、X5風機損壞、X6風管漏風、X8參數不當、X9漏氣、X10空氣進水、X11濾芯漏風。定性來看，最小割集為10項，階數較為平均，沒有特別薄弱的環節。

圖1 煙塵回收失靈故障樹

已知頂事件發生的概率計算公式為

式中：Cj—故障樹中的第j個最小割集；

k—故障樹種最小割集的數目。

系統的可靠度Rs為

利用式（1）和式（2）可算出頂事件N1發生的概率，通過軟件CAFTA可以計算出頂事件發生概率為0.67，系統可靠度為0.33。現針對每一底事件對其進行優化分析。

2.1 緊急制動未開、電源未打開

這兩項主要為操作人員問題，且發生概率較小，故不做優化，但是可以將生產主機與煙塵回收接為聯動狀態來降低人員忘記操作的概率。

2.2 皮帶損壞

該故障發生的概率較大，其原因為系統原裝V帶為SPA1682三條，首先V帶的質量直接關系其使用壽命，另外，系統可靠性分析中，組成系統的所有單元中任一單元失效叫串聯系統，串聯系統的可靠度為

式中： Rs（t）—系統的可靠度；

Ri（t）—為第 i個單元的可靠度。

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。通過扭矩計算，可以選用聯組窄V帶15J1682代替原有的窄V帶SPA1682。

聯組窄V帶整體性好，受力均勻，橫向剛度大，運轉平穩。在聯組窄V帶運行過程中，即使出現部分磨損，也不會像普通V帶那樣立即斷裂失效，從而提高了系統的穩定性。

2.3 電機或風機損壞

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

2.4 風管漏風

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

2.5 參數不當、漏氣

煙塵回收系統的參數要根據實際情況嚴格設定在說明書范圍之內，且每隔一段時間要按照實際壓差進行調整，以避免因參數設置不當而造成的濾芯堵塞。設備外部的壓力氣體管道應盡量采用硬管，同時減少PU聚氨酯氣管的使用；設備內部的聚氨酯氣管也要盡量增加保護套，以防止硬質灰塵對其劃傷。

2.6 濾芯受潮進水

常見的兩種濾芯濾材的斷面結構如圖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中先要經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清灰過程如圖3所示。由圖3可以看出，反吹時空氣中如果存在水分，水分使濾材纖維受潮，一段時間內水分和纖維上及PTFE微孔膜的內壁上的灰塵混合后形成硬質泥灰，進而很快堵塞濾芯，使反吹失效。可見進水是濾芯報廢、回收失靈的一個重要原因。

圖2 常見的兩種濾芯濾材的斷面結構

圖3 濾筒的工作過程及自動清灰過程

車間內通常使用的都是空壓機－儲氣罐－冷凍式干燥機的壓縮空氣系統，這種系統的除水效果一般。為了將水分對濾芯的影響降至最低，可在煙塵回收設備機體之前加裝一套三聯除水濾芯，三聯除水濾芯的實物照片如圖4所示。從實際使用效果來看，該做法有效延長了濾芯的壽命，降低了因濾芯進水而造成的煙塵回收系統失靈。

圖4 三聯除水濾芯的實物照片

2.7 濾芯漏風

濾芯漏風是導致回收失靈的最常見原因。出現此故障時，甚至會將煙塵以高壓的狀態噴射出去，造成車間內更嚴重的污染。煙塵回收濾芯通常安裝方式及濾芯結構如圖5所示。

傳統煙塵回收裝置的固定方式如圖6所示，通常按3個一組進行固定。每個濾芯頂起4個角至固定頂板上，使密封圈起到密封效果。由式（3）可知串聯系統的可靠性計算方法，設每個角的頂緊可靠度為X，則一排中任一濾芯頂緊的概率為X12。當煙塵回收設備較新且維護良好的情況下，濾芯漏風問題并不突出。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，各處進灰后導致安裝不暢，常常需要更大的力才能頂緊，所以固定頂板經常會變形而導致濾芯不能全部被頂緊，從而出現濾芯漏風。

圖5 煙塵回收濾芯通常安裝方式及濾芯結構示意圖

圖6 傳統煙塵回收裝置固定方式

為了預防濾芯漏風導致的系統失效，可將濾芯設計成單獨緊固，并使用螺紋連接。帶螺紋的濾芯結構如圖7所示。仍假設每個角的頂緊可靠度為X，則任一濾芯頂緊的概率為X4，可靠度顯著提高。

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

圖7 帶螺紋的濾芯結構示意圖

3 優化后回收失靈故障樹的建立

優化后回收失靈的故障樹如圖8所示，由于制動、電源未打開、風管漏風，濾芯進水等優化無法用數字來衡量，故暫時使用原有底事件概率。從圖8可以看出，頂事件發生概率降為0.502，較之前的頂事件概率0.672降低了26%，證明優化是有效果的。實際使用效果也表明，此次改造優化是成功的，有效地降低了車間內的煙塵污染，凈化了生產環境。

圖8 優化后的回收失靈故障樹

4 結 語

在焊管生產中使用等離子切割可大幅度提高生產效率，但等離子切割過程中產生的氣化金屬蒸氣、臭氧、氮氧化物等煙塵，會對周圍環境造成污染，因此需要配套相應的煙塵回收裝置。通過對焊管切割煙塵回收系統回收失靈這一典型故障建立故障樹，找出了故障產生的主要原因。并對皮帶損壞、濾芯受潮進水和濾芯漏風等造成回收失靈的主要故障進行了系統優化。此次改造優化降低了回收失靈故障率，有效降低了車間內的煙塵污染，凈化了生產環境。

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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備的技術管理工作。

2016-02-26

謝淑霞