基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法研究

莊法坤,劉 文,宋 策,陳 銘

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

螺栓法蘭接頭結構簡單、裝配方便，是石油化工設備、管道和閥門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、醫藥等行業發生原料或產品泄漏、逸出、燃燒、爆炸等事故的主要源頭[1]。由于泄漏引起的設備失效和環境問題，是當前石化企業安全、環保生產最大的安全隱患。同時，成套裝置內法蘭接頭應用數量巨大、管理難度大、安裝維護困難，又是設備易發生泄漏的部位，嚴重影響裝置的正常生產和安全運行。因此，分析法蘭泄漏的影響因素，減少泄漏至關重要。

對于石化裝置中在用螺栓法蘭接頭來說，導致其泄漏的原因眾多，如介質對法蘭密封面的腐蝕、工藝波動引起接頭螺栓松動、螺栓斷裂導致預緊力不足引起泄漏、高溫引起墊片發生蠕變導致泄漏等，上述諸多因素可以單獨或者共同作用，導致螺栓法蘭接頭發生泄漏失效。當前法蘭接頭的可靠性分析方法，以復雜的理論模型為基礎[2]，適用于關鍵接頭的初始設計階段，對于運行之后成套裝置內的螺栓法蘭接頭難以應用，且可靠性分析同后期維護并未進行關聯。因此，通過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，開展密封接頭可靠性維護對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分析方法的優勢是能夠通過分析設備中各個組成部件，辨識出設備可能存在的故障模式，進而通過風險優先級排列，分析得到影響設備使用的薄弱環節，從而進行針對性的維護，這對于在用的設備或部件來說至關重要。本文基于FMEA方法，研究制定在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法，分析在用螺栓法蘭接頭常見潛在的損傷模式，通過某蒸汽管道法蘭接頭的FMEA分析工作，詳解該方法的應用過程，并依據FMEA分析結果，制定針對性的檢維修措施。

1 在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法

1.1 故障模式及影響分析(FMEA)

FMEA方法主要研究設備的每個組成部分可能存在的故障模式，并確定每個故障模式對產品其他組成部分和產品功能要求功能影響，一般用于產品的設計階段。

FMEA分析程序主要包括4個步驟[3]：

(1)確定FMEA的基本原則、制定計劃和安排進度，保證分析有足夠的時間的專業技術。

(2)選用合適的工作表實施FMEA，或者采用其他方法，例如邏輯圖或故障樹。

(3)對分析進行總結并編寫報告。

(4)隨著設計工作的深入，更新FMEA。

1.2 基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法

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

圖1 技術方法Fig.1 Technical method

通過分析FMEA實施過程，基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法，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、風險評估和維護策略制定等部分。

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

損傷模式分析，主要辨識法蘭潛在的損傷類型，參照英國能源協會規范[4]，并結合法蘭接頭常見失效案例，如表1所示，在用螺栓法蘭接頭常見潛在的損傷模式主要有：法蘭損傷(大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、應力腐蝕開裂、縫隙腐蝕、電偶腐蝕)、墊片損傷(化學劣化、物理劣化、蠕變、機械損壞或斷裂)、連接螺栓(松動、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 主要部件及其常見損傷模式、影響和原因Table 1 Main component and its common damage modes,effect and cause

風險評估主要依據風險順序數RPN進行分級，RPN由損傷嚴酷度(SER)、損傷發生概率(PFO)和損傷檢測概率(PD)相乘得到，其數值越大說明潛在問題越嚴重，風險越高，須采取措施的優先級越高；反之則越低。借鑒FMEA的評分原則[5]，制定了在用螺栓法蘭靜密封接頭的評分原則，如表2～4所示。風險評估原則依據企業管理制度進行劃分。

表2 損傷嚴酷度(SER)評分依據和細則Table 2 Damage severity score basis and detailed rules

表3 損傷發生概率(PFO)評分依據和細則Table 3 Damage probability score basis and detailed rules

表4 損傷檢測概率(PD)評分依據和細則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方法，最終目的是依據其損傷模式及其影響開展維護工作，因此通過FMEA分析得到其風險評價結果后，依據風險等級進行相應的維護。對于在用螺栓法蘭接頭，其潛在泄漏風險為低風險時，采取事后維修策略；其潛在泄漏風險為中風險時，采取預防性維修策略，如定期在線檢查泄漏情況、定期更換密封元件；其潛在泄漏風險為高風險時，采取預測性維修策略，如通過進一步的壽命預測、在線監測方法，及時開展維護。

2 應用案例分析

以某企業常減壓裝置中某蒸汽管道中的法蘭接頭為例，實施基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法。該法蘭接頭由一對整體對焊突面法蘭組成，法蘭材質為20鋼，墊片為金屬波齒復合墊片(0Cr18Ni9+柔性石墨)，螺栓為35CrMoA等長雙頭螺柱。法蘭接頭內為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分析結果見表5，由表5可見，根據風險優先數排序結果可知，蒸汽管道法蘭接頭潛在損傷模式中，墊片發生蠕變的風險最高，其次為墊片化學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分析結果Table 5 FMEA results of the bolted flange joint of a steam pipe

根據該法蘭接頭FMEA的結果，針對其潛在的損傷模式，制定相應的預防措施，確保密封接頭在運行過程中對各種故障及時發現和處理，從而降低接頭泄漏失效的發生率或減輕泄漏的危害性。具體從以下幾個方面開展接頭的維護工作。

(1)墊片的蠕變損傷潛在風險排序較高，應當采取預測性維修方式。蒸汽管道法蘭接頭中墊片在高溫長期作用下發生蠕變變形，回彈性能下降，因此在墊片使用之前進行蠕變率測量，必要時開展壽命預測，以確定合適的更換周期。

(2)墊片化學劣化和法蘭面縫隙腐蝕，潛在風險水平居中，應當采取預防性維修方式。日常巡檢時定期查看接頭泄漏情況，此外在企業管道大修周期時，拆解法蘭接頭查看墊片和法蘭面的損傷情況，按照標準規范對密封面進行修復，使其符合下一階段運行要求。

(3)法蘭的電偶腐蝕，潛在風險水平較低，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境，提供了電偶腐蝕的條件，可在企業大修期間查看腐蝕情況并進行修復。

3 結論

本文基于FMEA方法提出了在用螺栓法蘭接頭的可靠性維護方法，闡述了該方法的具體內容，并以蒸汽管道法蘭接頭的FMEA分析為例詳解了該方法的應用過程，得到以下主要結論：

(1)基于FMEA的在用螺栓法蘭接頭可靠性維護方法，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、風險評估和維護策略制定等部分。

(2)在用螺栓法蘭接頭常見潛在的損傷模式主要有：法蘭損傷(大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、應力腐蝕開裂、縫隙腐蝕、電偶腐蝕)、墊片損傷(化學劣化、物理劣化、蠕變、機械損壞或斷裂)、連接螺栓(松動、斷裂)等。

(3)依據螺栓法蘭接頭的損傷模式制定針對性的檢維修措施，可以提高維護可靠度并合理配置維護資源。關于在用螺栓法蘭接頭的損傷模式分析，本文給出的常見損傷模式并不能包含所有情況，還應當根據接頭的操作、工藝、材料信息確定，因此在今后的工作中，建議依據裝置和工段開展此項工作。