淺談基于RCM分析的 船舶起重機(jī)關(guān)鍵部件故障預(yù)防

劉曉君，丁東華，崔宗偉，時(shí)均蓮，王鼎，田立彬，侯俊民

（1.海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部；2.海洋石油工程股份有限公司規(guī)劃計(jì)劃部；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津300450）

起重船是海洋工程開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中的重大工程裝備，其船舶起重機(jī)是海上模塊、導(dǎo)管架等大型結(jié)構(gòu)物的吊裝作業(yè)的核心設(shè)備。在海洋潮濕的環(huán)境下，頻繁的使用起重機(jī)并隨著服役時(shí)間的增加，船舶起重機(jī)的機(jī)械零部件、電氣控制元件、鋼結(jié)構(gòu)等均會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，表現(xiàn)為松動(dòng)、發(fā)熱、腐蝕、磨損、斷裂、變形等不同形式的失效模式并引發(fā)故障，其安全性能逐漸下降，影響其安全使用和壽命。采用可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance簡(jiǎn)稱(chēng)“RCM”）方法對(duì)起重機(jī)各種故障和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的維護(hù)預(yù)防措施，有效防止重大故障和風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

1 RCM方法應(yīng)用及分析過(guò)程

圖1 RCM分析技術(shù)路線(xiàn)圖

1.1 RCM分析前的準(zhǔn)備工作

首先確定船舶起重機(jī)設(shè)備邊界，并對(duì)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。設(shè)備邊界定義后，就應(yīng)在其邊界范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。可靠性數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)的置信度以及以后任何分析結(jié)果的置信度都取決于采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.2 船舶起重機(jī)RCM分析過(guò)程

1.2.1 建立設(shè)備臺(tái)賬并對(duì)設(shè)備進(jìn)行篩選

設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的順序登記，并符合功能位置原則以便于分析。設(shè)備篩選按系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的順序進(jìn)行，評(píng)估設(shè)備的重要程度。評(píng)估設(shè)備重要度通常采用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)法和綜合打分法。

1.2.2 開(kāi)展船舶起重機(jī)FMECA分析

確定船舶起重機(jī)設(shè)備邊界和劃分單元后，開(kāi)始失效模式、影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)。對(duì)于每一種故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，確定其風(fēng)險(xiǎn)的大小。

1.2.3 制定維修策略和維修任務(wù)

設(shè)備的失效模式和失效原因確定之后，針對(duì)具體的失效原因選擇相應(yīng)的維修策略和維修工作內(nèi)容。維修策略的選擇依據(jù)RCM邏輯決斷圖進(jìn)行。通過(guò)對(duì)船舶起重機(jī)設(shè)備功能的每一個(gè)失效原因進(jìn)行邏輯決斷分析，尋找出相應(yīng)有效的維修策略、維修工作內(nèi)容、所需要的工種和維修間隔期等。

維修策略分為4個(gè)方面：預(yù)測(cè)性維修、預(yù)防性維修、故障查找和一次性變更，具體的維修任務(wù)包括視情況維修任務(wù)、定期恢復(fù)任務(wù)、定期報(bào)廢任務(wù)、機(jī)會(huì)恢復(fù)任務(wù)、機(jī)會(huì)報(bào)廢任務(wù)、定期測(cè)試任務(wù)、定期試驗(yàn)任務(wù)、糾正性維修任務(wù)等。

2 船舶起重機(jī)關(guān)鍵部件故障預(yù)防措施

在船舶起重機(jī)實(shí)施RCM方法的過(guò)程中，基于風(fēng)險(xiǎn)分析理論以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定起重機(jī)的滑輪組、鋼絲繩、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、以及鉤頭、扒桿桿件為起重機(jī)的關(guān)鍵機(jī)械部件，是設(shè)備管理者重點(diǎn)管控的機(jī)械部件。

2.1 滑輪組故障模式分析及預(yù)防措施

2.1.1 故障模式

滑輪作為起重機(jī)重要的部件，由輻板、輪轂、筋板、鉚釘、無(wú)縫鋼管等組成，由于鋼絲繩與滑輪繩槽復(fù)雜的接觸情況，滑輪繩槽底部出現(xiàn)壓痕磨損、輪緣大變形等問(wèn)題，為生產(chǎn)帶來(lái)巨大的安全隱患。

滑輪組主要故障模式包括滑輪組軸承損壞、滑輪油道堵塞、滑輪外緣磨損、滑輪本體損壞。

2.1.2 故障原因分析

滑輪系統(tǒng)損傷：由于起重機(jī)滑輪系統(tǒng)的損傷是隨時(shí)間變化的漸變過(guò)程，因?yàn)闈L動(dòng)體或者保持架的損壞是起重機(jī)多次應(yīng)用后載荷累計(jì)作用導(dǎo)致的現(xiàn)象。累積損傷可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備局部的特征信號(hào)（如振動(dòng)、溫度等）加以識(shí)別。即，可以通過(guò)信號(hào)采集的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑輪系統(tǒng)的狀態(tài)，記錄易損部件的性能演變過(guò)程，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)人員在相關(guān)部件損壞前進(jìn)行保養(yǎng)或者更換。

設(shè)計(jì)問(wèn)題：如果不是累積損傷，那么歸屬于設(shè)計(jì)問(wèn)題，滑輪存在設(shè)計(jì)缺陷，若軸承配合間隙配合，拆開(kāi)滑輪后軸承將掉出，正常應(yīng)為過(guò)度配合，從而導(dǎo)致滑輪故障。

潤(rùn)滑問(wèn)題：滑輪潤(rùn)滑不良油口堵塞會(huì)導(dǎo)致滑輪軸磨損，從而更換滑輪軸，變幅小輪滑輪內(nèi)外緣磨損，由于磨損而更換，滑輪本體修復(fù)補(bǔ)焊。

2.1.3 預(yù)防措施

對(duì)滑輪系統(tǒng)進(jìn)行失效模式及影響分析，根據(jù)以往發(fā)生過(guò)的故障，確定其失效周期，結(jié)合滑輪組的潤(rùn)滑、保養(yǎng)以及使用情況，分析損壞潛在原因，有針對(duì)性地制定有效的維護(hù)保養(yǎng)方式，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，看是否具備安裝監(jiān)測(cè)裝置的條件等，找到滑輪組的最薄弱環(huán)節(jié)，制定預(yù)防監(jiān)測(cè)方案。如增加攝像頭，對(duì)滑輪潤(rùn)滑油路定期保養(yǎng)，對(duì)新購(gòu)置的滑輪進(jìn)行表面硬度測(cè)試等，以降低故障及風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，從而增加滑輪運(yùn)行的可靠性。

2.2 鋼絲繩故障分析及預(yù)防措施

2.2.1 故障模式及原因分析

起重機(jī)鋼絲繩是重要傳動(dòng)部件，包括提升鋼絲繩和變幅鋼絲繩，鋼絲繩故障模式包括磨損、斷絲、斷股、拉斷、腐蝕等。鋼絲繩的選型不當(dāng)，滾筒繩槽設(shè)計(jì)，以及鋼絲繩本身質(zhì)量、環(huán)境腐蝕，受到外力作用等都是鋼絲繩損壞的重要原因。

2.2.2 預(yù)防措施

（1）起重機(jī)作業(yè)時(shí)吊載不要超過(guò)額定載荷，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行定期的潤(rùn)滑，盡量避免鋼絲繩受到突然的沖擊力，選擇質(zhì)量可靠的鋼絲繩；

（2）對(duì)于長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，比較粗的起升鋼絲繩，因其更換成本比較昂貴，除了進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)外，可以對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命監(jiān)測(cè)。開(kāi)發(fā)鋼絲繩的壽命計(jì)算軟件，該軟件具備鋼絲繩強(qiáng)度校核功能、通過(guò)記錄吊載次數(shù)及噸位等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算鋼絲繩的剩余壽命。

①建立鋼絲繩的有限元模型，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仿真分析其在軸向拉伸和繞滑輪彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)有鋼絲繩的損傷檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)起重機(jī)的服役記錄和鋼絲繩有限元分析結(jié)果，依據(jù) Miner 線(xiàn)性累積損傷理論進(jìn)行鋼絲繩的疲勞壽命仿真分析，預(yù)測(cè)鋼絲繩的剩余壽命，為鋼絲繩的檢測(cè)和更換提供依據(jù)，節(jié)約成本。

②鋼絲繩失效模式進(jìn)行分析，根據(jù)以往發(fā)生過(guò)的故障，結(jié)合吊載次數(shù)，分析其失效原因，計(jì)算鋼絲繩使用壽命，確定其失效周期。制定合理的更換周期，定期進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的故障模式及預(yù)防措施

2.3.1 故障模式及原因分析

起重船起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)軸承、保持架、內(nèi)外圈、滾道等組成，故障模式包括軸承鋼球磨損、滾道磨損、回轉(zhuǎn)間隙超標(biāo)、回轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、異響等。因缺乏潤(rùn)滑、疲勞或過(guò)載等原因可導(dǎo)致回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)損壞。

2.3.2 預(yù)防措施

零部件的故障可以用更換零部件的方式進(jìn)行解決，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的故障可采用力學(xué)性能模擬仿真的方法。

基于有限元方法，建立起重機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，可模擬軸承的滾柱/滾珠與保持架、內(nèi)圈、外圈的接觸關(guān)系。依據(jù)GB 3811 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范等進(jìn)行回轉(zhuǎn)系統(tǒng)載荷計(jì)算和不同工況下的強(qiáng)度計(jì)算和校核，同時(shí)進(jìn)行疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的受力模擬仿真流程類(lèi)似起重機(jī)整機(jī)力學(xué)性能分析流程，起重機(jī)整機(jī)力學(xué)性能分析重點(diǎn)研究起重臂、A型架、基座和連接部分的強(qiáng)度和疲勞性能，而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的力學(xué)分析重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)易損/薄弱部件局部的力學(xué)性能進(jìn)行分析和校核。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)的故障模式及預(yù)防措施

2.4.1 故障模式及原因分析

鉤頭、扒桿等鋼結(jié)構(gòu)件是起重機(jī)的關(guān)鍵受力部件，其主要故障模式為疲勞裂紋、彎曲變形、腐蝕。造成疲勞裂紋的主要原因是使用年限及頻次的增加，彎曲變形則是由于受到斜拉歪拽等不正當(dāng)操作或外力的作用而產(chǎn)生的，腐蝕則是海上鹽霧雨水的侵蝕而造成，重要結(jié)構(gòu)件一旦出現(xiàn)故障將會(huì)使起重設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。

2.4.2 預(yù)防措施

對(duì)于主體結(jié)構(gòu)件，應(yīng)避免超載并定期進(jìn)行探傷檢查；

建立主吊機(jī)整機(jī)力學(xué)性能分析模型，重點(diǎn)分析研究扒桿、A型架、基座和連接部分等處的強(qiáng)度和疲勞性能，從而找到扒桿等處的最大受力部位及薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)確認(rèn)結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理來(lái)得出失效可能性大小，并確定損傷所造成的失效后果，進(jìn)而計(jì)算出其風(fēng)險(xiǎn)大小，給出風(fēng)險(xiǎn)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，有針對(duì)性地制定探傷方案；

針對(duì)處于高、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的桿件、焊縫確定其失效的機(jī)理和原因，針對(duì)失效機(jī)理和失效原因應(yīng)采取哪些應(yīng)對(duì)對(duì)策，即如何控制這些風(fēng)險(xiǎn)包括：日常操作使用中注意事項(xiàng)；針對(duì)結(jié)構(gòu)部分具體檢驗(yàn)位置、檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)手段、檢驗(yàn)技術(shù)要求、維修方案等。

3 結(jié)語(yǔ)

按照設(shè)備完整性管理的思路，通過(guò)對(duì)船舶起重機(jī)應(yīng)用RCM分析方法的應(yīng)用，對(duì)起重機(jī)各種故障和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行認(rèn)真的梳理分析，并采取相應(yīng)的維護(hù)預(yù)防措施，結(jié)合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析技術(shù)、離線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)等手段將設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)降低，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行管理，使其減輕或者可控，最終達(dá)到設(shè)備健康運(yùn)行的目的。尤其是對(duì)船舶起重機(jī)關(guān)鍵部件故障預(yù)防，可有效防止重大故障和風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。