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海上石油平台吊车钢丝绳寿命与经济性研究

发布时间:2021-06-22 14:49 文章来源:未知 文章编辑:admin 点击数:

吊车是海上油田的关键作业设备,为海上石油平台设施的日常生产和生活提供支撑,每天担负着油田人员、物资及海上平台作业的吊装工作,是油田稳定生产的物质基础。钢丝绳是吊车


吊车是海上油田的关键作业设备,为海上石油平台设施的日常生产和生活提供支撑,每天担负着油田人员、物资及海上平台作业的吊装工作,是油田稳定生产的物质基础。钢丝绳是吊车的重要备件,也是吊车的主要承重部件,由多根或多股钢丝缠绕而成,具有柔韧性较好、自重轻、承载能力大、安全系数高、可承受交变载荷、在高速运转时具有良好的稳定性、噪音小等优点。钢丝绳在吊车中主要用于起升机构及变幅机构。若钢丝绳发生突然断裂,将会造成严重后果。因此,分析和评估钢丝绳故障及失效原因,在经济性和安全性方面均有重要意义。
本文对使用十年以上的吊车数据信息进行收集,分析研究吊车更换钢丝绳的数据信息,根据实际使用频率、次数和载重等相关参数,对吊车钢丝绳失效故障进行统计分析。

1历史数据分析
1.1历年数据统计
截止2019年12月,企业使用10年以上的共计20台吊车更换钢丝绳的数量统计如表1:
表1更换钢丝绳统计表
钢丝绳类型|小钩|大钩|变幅数量|49(22)|28(1)|48(18)
其中括号中数字代表磨损超标更换的钢丝绳数量。
从表1可以看出,累计更换钢丝绳125根,其中小钩49根,大钩28根,变幅48根。其中磨损超标41根,年限到期84根,占比例67.2%。
1.2历年数据分析
企业所属吊车更换钢丝绳主要参考两方面因素。一是五年年限到期,二是钢丝绳达到报废标准。在实际使用中,与专业起重作业的吊车相比,海上平台吊车使用频率较低,主要用于轻载荷的人员、物料的运送及油田日常作业中使用,并且海上吊车的检查、维护与保养工作比较全面和完善,更加保证了吊车的安全可靠性。在国家相关标准要求下,可根据每台吊车的实际工况、使用时间、总载荷和使用次数结合钢丝绳检查的各项参数来决定是否更换钢丝绳。
对企业20台吊车更换钢丝绳次数按年限进行统计如表2:
表2钢丝绳更换次数年限统计表
|年限|1|2|3|4|5|6|≥7|合计
|小钩|3|1|8| 10|14| 5 |8|49
|大钩|1|2|0|2|9|1|13|28
|变幅|6|5|3|6|9|10|9 |48
|合计|10|8|11|18|32|16|30|125从钢丝绳更换的次数数据表可分别分析出小钩、大钩、变幅钢丝绳更换发生的概率。对钢丝绳更换按照年限更换的概率如下:
表3钢丝绳更换概率表
|年限|1|2|3|4|5|6|≥7
|小钩|3/49|1/49|8/49|10/49|14/49|5/49|8/49大钩|1/28|2/28|02/289/28|1/28|13/28变畅|6/48|5/48|3/48|6/48|9/48|10/48|9/481.3分析
吊车在使用时,钢丝绳承受多种受力,主要
为拉应力、弯曲应力、接触挤压应力和扭转剪切应力等。钢丝绳使用中,经常受到多种力的共同作用,超过极限时有可能出现疲劳断裂。磨损和锈蚀也是加快断丝的重要原因。
良好的润滑可以有效地延长钢丝绳使用寿
命。据研究,定期、定量的有效润滑可以使钢丝绳寿命延长2-3倍。因此在吊车使用过程中要加强钢丝绳的各项维保,及时发现故障,在早期解决存在的问题,可以提高钢丝绳的使用寿命,及时发现存在的缺陷,及时分析处理,就可避免钢丝绳断裂等事故发生。根据目前企业的钢丝绳使用实际工况、使用时间、总载荷和使用次数结合钢丝绳检查的各项数据来决定是否更换钢丝绳。在油田投产以来近十年更换的小钩、大钩和变幅钢丝绳使用超过7年以上的达30根,占25%。根据实际情况参考国家相关标准以及华南吊车厂家的相关推荐,对钢丝绳更换的标准分三种模式进行经济性分析:3年强制更换;5年强制更换;6年强制更换。
(1)3年强制更换
对更换钢丝绳更换时间按三年强制更换,则
相对应的小钩、大钩和变幅钢丝绳的更换数量为表4:
表4钢丝绳更换数量表
小钩|31|45 49假设20台吊车更换钢丝绳符合随机变量,对于小钩、大钩、变幅钢丝绳更换的概率符合下面的随机布规律:
表5钢丝绳更换的概率
P小钩|3/49 | 1/49|45/49
P大钩|1/282/2825/28
P变幅 |6/48|5/48|37/48
按年限更换钢丝绳次数的数学希望为:
E.Zen其中:en=Pn-X·20/n小钩:
el=P1·X·20=1.224
e2=P2·X·20/2=0.204e3=P3·X·30/3=6.122因此,三年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
E.~Xen=el+e2-7.55目前企业更换小钩钢丝绳的外委服务费用X1=5万元,钢丝绳均价M1=2.5万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用三年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换小钩钢丝绳费用为:
A1=(X1+M1)X·En·X·n=7.5·X·7.55·X·20
=1132.5(万元)大钩:
el-P1·X·20-0.714
e2=P2·X·20/2=0.714e3=P3·X·30/3=5.952因此,三年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
E.-Xenel+e2+e3=7.38目前企业更换钢丝绳的外委服务费用X2=6万元,钢丝绳均价M2=5万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用三年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换大钩钢丝绳费用为:
A2=(X2+M2)X·En·X·n=ll·X·7.38·X·20
=1623.6(万元)变幅:
el-P1·X·20-2.5
e2=P2·X·20/2=1.042e3=P3·X·30/3=5.139因此,三年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
E.-Xen=el+e2+e3=8.681目前企业更换钢丝绳的外委服务费用X3=6万元,钢丝绳均价M3=6万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用三年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换大钩钢丝绳费用为:
A3=(X3+M3)X·En·X·n=l2·X-8.681·X·20
=2083.44(万元)在强制更换为三年的前提下,企业目前所有吊车,在油田寿命20年的周期内所用费用为:
A=A1+A2+A3=1132.5+1623.6+2083.44
=4839.54(万元)
(2)5年强制更换
对钢丝绳更换时间按五年强制更换,则相对应的小钩、大钩和变幅钢丝绳的更换数量为表6:
表6钢丝绳更换数量表
年限|12|3|4|5.|合计
小钩|3|1|8 |10 |27 |49变幅|6|5|3| 6 |28|48|
假设20台吊车更换钢丝绳符合随机变量,对于小钩、大钩、变幅钢丝绳更换的概率符合下面的随机布规律:
表7钢丝绳更换的概率
年限|1|2|3|4|5
P小钩| 3/49| 1/49| 8/49| 10/49|27/49|
P大钩1/28 |2/28|0|2/28|23/28|
P变额|6/48 |5/48| 3/48|6/48|28/48|
按年限更换的钢丝绳数学希望为:
E.-Zen其中:en=Pn·X·20/n小钩:
五年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
Ea-Zen=el+e2+e3+e4+e5=5.74目前企业更换钢丝绳的外委服务费用X1=5万元,钢丝绳均价M1=2.5万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用五年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换小钩钢丝绳费用为:
A1=(X1+M1)-X·En·X-n=861(万元)大钩:
五年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
E.-Zen=el+e2+e3+e4+e5=5.071目前企业更滑钢丝绳的外委服务费用X2=6万
元,钢丝绳均价M2=5万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用五年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换大钩钢丝绳费用为:
A2=(X2+M2)-X·En·X·n=1115.62(万元)变幅:
五年更换周期时更换的钢丝绳次数的希望值为:
E.-Xen=el+e2+e3+e4+e5=6.917目前企业更滑钢丝绳的外委服务费用X3=6万元,钢丝绳均价M3=6万元,20台吊车在油田寿命周期20年内若采用五年到期强制更换钢丝绳,则企业20年吊车更换大钩钢丝绳费用为:
A3=(X3+M3)·X·En·X·n=l660.08(万元)在五年强制更换的前提下,企业目前所有吊车,在油田寿命20年的周期内所用费用为:
A=Al+A2+A3=3636.7(万元)
(3)6年强制更换
依照上述计算方式,可得:
Al=(X1+M1)-X·En-X·n=834.45(万元)A2=(X2+M2)-X·En·X·n=1042.36(万元)A3=(X3+M3)·X·En-X·n=1596.72(万元)在六年强制更换的前提下,企业目前所有吊车,在油田寿命20年的周期内所用费用为:
A=Al+A2+A3=3473.53(万元)对三种模式进行分析,显然第三种模式(更换周期六年)最经济,比第一种模式可以节约近1400万元。
结合历史数据和计算结果,参考API SPEC 2C中对海上起重机钢丝绳更换时间间隔(TBR)的要求,在保障吊机可靠性的前提下,最终确定整个油田吊机钢丝绳更换策略为:“小钩和变幅钢丝绳每三年更换,大钩钢丝绳每五年更换”。

2钢丝绳常见故障
钢丝绳的选型根据钢丝绳滚筒结构、起重载荷和破断力等,并根据起重机厂家的推荐,参考相关的行业标准来确定钢丝绳的型号。吊车在使用时,由于摩擦、挤压作用的存在,导致钢丝绳的磨损会一直存在于吊车使用的整个作业过程中。因此定期检查钢丝绳,评估钢丝绳的状态十分重要。钢丝绳的检验标准主要依据GB5972-86《起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范》进行判定,达到报废标准应予以报废。
钢丝绳应按照规定定期对其检查,各项检查标准必须在范围之内,否则就要报废。但钢丝绳的损坏往往是由多种因素累积造成的,这就需要综合考虑评估钢丝绳的状态。发现钢丝绳异常磨损或损坏时,要及时分析造成钢丝绳损坏的原因,若是设计或机械结构缺陷造成的,要及时处理缺陷,避免二次伤害发生。

3提高钢丝绳寿命的建议
延长钢丝绳使用寿命,也就是延长钢丝绳的更换周期。吊车所使用的钢丝绳规格品种较多,使用千差万别,在长期使用实践中,钢丝绳损坏的原因归纳起来主要有:摩擦磨损和线性划伤、锈蚀损坏、疲劳缺陷、打折、扭曲、挤压变形和钢丝绳咬绳等。针对钢丝绳经常出现的几种故障,分析历史原因,进行分类归纳总结,可以从以下几方面提升钢丝绳的使用寿命。
3.1设计与采购
钢丝绳主要由钢丝和绳芯组成。钢丝绳是先由多层钢丝捻成股,再以绳芯为中心,由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。所以钢丝的材质及性质决定了钢丝绳的质量。钢丝绳材质一般为优质钢,经过一系列的热处理加工成直径小于6mm的圆钢,然后进过多次冷拔后成为丝状。经过热处理及冷拔后,钢丝的强度大大提高,抗拉强度最高可以达到2000MPa。起重钢丝绳由于工作特性,需要具有较高的安全特性以及较长的使用寿命。若钢丝质量不合格,钢丝绳就会存在缺陷,降低了钢丝绳的使用寿命。
如果钢丝绳的原材料选择含碳量较高的合金钢,经过热处理和冷拔之后,使得钢丝的金相组织中渗碳体数量会明显增多,渗碳体的外形也大了不少。这时钢丝韧性降低,变得较脆,多次弯折就会断裂。若使用这种钢丝缠绕而成的钢丝绳,钢丝绳在使用中多次经过滑轮和滚筒,很快就会出现断丝,并且断丝存均布于整根钢丝绳中,使用几次就会达到报废极限。因此,采购钢丝绳时,要购买正规厂家的,从根源上杜绝钢丝绳的缺陷。
3.2使用与维护
(1)做好钢丝绳检查。研究表明,吊车正常使用过程中,由于重物,导致钢丝绳受到拉伸应力、弯曲应力及挤压应力等多种力的共同作用。钢丝绳的损坏过程为:钢丝绳需绕过钢练绳滚筒和多个滑轮组,当受吊运物品重力影响,会使钢丝绳拉在滚筒处受到挤压变形,滑轮处磨损加剧以及钢丝绳自身之间的摩擦磨损加剧。长时间、重载荷的运转,钢丝绳最外层的钢丝磨损和疲劳,会造成外层钢丝断裂,随着磨损加剧,断丝越来越多。当断丝较多超过一定数量,钢丝绳就应报废,若继续使用,很有可能造成钢丝绳突然断裂,给人员或设备造成伤害。因此,定期对钢丝绳检查十分必要,可及早发现问题,及早处理。
(2)加强钢丝绳润滑。钢丝绳的润滑主要分为制造时的润滑和使用中的润滑。制造时主要是多钢丝绳内部绳芯的润滑,使用中主要是针对外部润滑防腐以及通过油品的渗透性,对内部进行进行润滑。因此。钢丝绳用油应具有良好的渗透性、黏度较大,在低温环境中不易硬化结块,在气温高时不易流满。防锈蚀和润滑性能均较好的油脂。
良好的润滑是延长钢丝绳寿命的有效措施。
一方面,钢丝绳在使用中受力挤压,导致钢丝绳中间以及表面涂抹的润滑脂就会被挤压出来,造成钢丝绳缺少润滑,导致钢丝绳磨损和锈蚀加剧。同时,钢丝绳在使用中,会出现疲劳,导致表面出现微小裂纹,当涂抹润滑脂之后,就可以有效防止钢丝绳进一步的电化学腐蚀。另一方面,由于海上的环境中空气潮湿,盐府大,钢丝绳的工作环境较恶劣,钢丝绳的润滑就需要采取合理的润滑工艺,选择合适的钢丝绳润滑剂,严格控制油脂质量,做了记录定期润滑。这样才能有效地提高钢丝绳的使用寿命。研究表明,吊车在露天环境中,若钢丝绳不进行润滑仅8个月就可能彻底腐蚀,导致无法使用,定期保养润滑可以延长钢丝绳寿命2倍以上l。
(3)正确操作,定期的保养,出现故障及时处理。操作吊车进行起升或下放时,要匀速。快速起停使得钢丝绳受到冲击载荷较大,同时可导致钢丝绳跳槽,造成钢丝绳挤压变形及加快钢丝绳的磨损。当吊车出现问题时及时处理,避免造成其他损伤。若滑轮出现卡滞,需要及时停车处理故障,避免滑轮卡滞或不转动时,摩擦阻力较大,当吊运重物时,对其损害就会越大,严重时可直接导致钢丝绳报废。
 


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