張瑋
( 萊鋼集團(tuán)設(shè)備檢修中心，山東萊蕪271104)
摘要: 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)備結(jié)構(gòu)及多年的故障統(tǒng)計(jì)，結(jié)合故障樹(shù)建立分析過(guò)程，建立轉(zhuǎn)爐設(shè)備故障樹(shù)并進(jìn)行定性分析，通過(guò)故障樹(shù)建立及定性分析有效地提高了設(shè)備維護(hù)的針對(duì)性，降低了設(shè)備故障的發(fā)生。
關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐; 故障樹(shù); 定性分析
0 引言
山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠1－3#爐是50 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，該轉(zhuǎn)爐原設(shè)計(jì)為25 t 頂吹式轉(zhuǎn)爐， 2003 年挖潛改造爐體擴(kuò)容至50 t。2016 年隨著鋼鐵產(chǎn)能提升要求，對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)備維護(hù)的水平逐步增加，如何通過(guò)對(duì)歷年故障統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)分析，為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)，成為提高有效作業(yè)率的關(guān)鍵。通過(guò)采用轉(zhuǎn)爐設(shè)備結(jié)構(gòu)、歷年故障統(tǒng)計(jì)，結(jié)合故障樹(shù)建立的模式，對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)備進(jìn)行故障樹(shù)建立及定性分析，為提高設(shè)備運(yùn)行效率奠定了良好的基礎(chǔ)。
1 轉(zhuǎn)爐設(shè)備的主要構(gòu)成
轉(zhuǎn)爐煉鋼是長(zhǎng)流程技術(shù)( 高爐煉鋼) 煉鋼重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)爐車(chē)間設(shè)備組成總體可概括分為五大部分，主要包括轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備、原料供應(yīng)系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、副槍檢測(cè)系統(tǒng)及余熱鍋爐系統(tǒng)( 煙氣凈化及回收處理系統(tǒng)) ，其中股份煉鋼受前期設(shè)計(jì)空間影響，未采用副槍檢測(cè)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備重點(diǎn)包括轉(zhuǎn)爐爐體、轉(zhuǎn)爐支撐系統(tǒng)及轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置及相應(yīng)控制系統(tǒng); 原料供應(yīng)系統(tǒng)主要包括四個(gè)方面: 鐵水供應(yīng)系統(tǒng)、散裝料供應(yīng)系統(tǒng)、廢鋼供應(yīng)系統(tǒng)及合金供應(yīng)系統(tǒng); 供氧系統(tǒng)主要
涉及氧氣、氮?dú)狻⒌状担潢P(guān)鍵核心為氧槍系統(tǒng); 余熱鍋爐系統(tǒng)主要包括一次除塵系統(tǒng)，主要包括余熱鍋爐煙道、汽包、一次除塵風(fēng)機(jī)、相應(yīng)的水系統(tǒng)等。同時(shí)隨著環(huán)保的重視，排放指標(biāo)的嚴(yán)格落實(shí)與控制，部分鋼廠增設(shè)有二次除塵系統(tǒng)，甚至包括三次除塵系統(tǒng)。
其中轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)主要包括爐型、爐體裝配、爐體支撐結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)結(jié)構(gòu)四部分。爐型主要是指轉(zhuǎn)爐爐襯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要表示參數(shù)為爐容比及高寬比，目前使用爐型主要包括球型及截錐型兩種，其中截錐型爐底主要優(yōu)點(diǎn)為制造和砌磚都較為簡(jiǎn)便，其缺點(diǎn)為強(qiáng)度不如球型底好，故只適用于中小型轉(zhuǎn)爐。球型爐底的優(yōu)缺點(diǎn)與截錐型剛好相反，通常為大型轉(zhuǎn)爐采用; 爐體裝配主要包括爐殼、水冷爐口及爐底三部分組成，主要對(duì)爐型及爐襯進(jìn)行支撐作用，其中爐體裝配主要包括死爐底結(jié)構(gòu)及活爐底結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式，目前中小噸位轉(zhuǎn)爐多采用活爐底結(jié)構(gòu); 爐體支撐系統(tǒng)主要包括托圈與耳軸、止動(dòng)裝置、球面支撐、耳軸軸承座等五部分; 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)按其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式不同可分為落地式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、半懸掛式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、全懸掛式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及液壓傳動(dòng)的傾動(dòng)結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)在綜合考慮設(shè)計(jì)的安全性，普遍采用的爐傾結(jié)構(gòu)為全懸掛式爐傾結(jié)構(gòu)。其中全懸掛式爐傾結(jié)構(gòu)主要包括四臺(tái)電機(jī)、制動(dòng)器、控制系統(tǒng)、一級(jí)減速器及二級(jí)減速器及扭力桿裝置、事故緩沖裝置等，重點(diǎn)針對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2 故障因素及故障統(tǒng)計(jì)
如圖1 為50 t 轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)圖，股份煉鋼廠50 t轉(zhuǎn)爐原設(shè)計(jì)為25 t 轉(zhuǎn)爐，先后經(jīng)過(guò)2003 年擴(kuò)容改造、2007 年水冷改造成為目前設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式。其爐型為截錐型，爐體裝配為活爐底結(jié)構(gòu)，如圖2 所示為50 t轉(zhuǎn)爐砌筑模型圖，其爐容比計(jì)算方式如下:
式( 1) ～ ( 4) 中: V帽為爐帽部位體積; V身為爐身部位體積; V0為爐底部位體積; T 為出鋼量。
鑒于轉(zhuǎn)爐爐容比小于0．7，冶煉過(guò)程噴濺較為嚴(yán)重，造成設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，同時(shí)受空間限制，裙板與圍板之間距離為190 mm，水冷改造后爐帽、爐口水箱等管路與耳軸采用軟管進(jìn)行聯(lián)接，造成爐體冷卻水管損壞，同時(shí)裙板使用壽命較低，裙板損壞嚴(yán)重，爐殼受?chē)姙R渣烘烤影響，爐底、爐口法蘭燒損變形，爐殼使用壽命較低。如表1 爐體裝配使用壽命所示，為設(shè)備自2009～2011 年以來(lái)設(shè)備使用壽命情況。
對(duì)頻發(fā)故障進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計(jì)，如表2 爐體冷卻水管頻繁故障情況所示，為50 t 轉(zhuǎn)爐集中頻繁故障階段的故障原因分析。
表3 為轉(zhuǎn)爐支撐裝置使用壽命情況記錄表。
轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置主要包括托圈、球面支撐、止動(dòng)裝置及耳軸軸承，耳軸軸承型號(hào)為239 /710W33，傳動(dòng)側(cè)軸承考慮其更換的方便性采用剖分軸承，采用內(nèi)圈加寬的方式; 球面支撐及止動(dòng)裝置采用傳統(tǒng)加持器機(jī)構(gòu)，球面支撐橫銷(xiāo)采用螺紋連接固定結(jié)構(gòu)，減少了球面支撐橫向竄動(dòng)造成銷(xiāo)軸竄出問(wèn)題; 托圈寬度為540 mm，高度為1 400 mm，收集自2003～2013 年設(shè)備故障數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)爐支撐裝置進(jìn)行壽命分析。
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置采用全懸掛爐傾裝置，主要由4 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)電機(jī)能夠完成轉(zhuǎn)爐一個(gè)工作循環(huán)，一次減速機(jī)為圓柱齒輪減速機(jī)，二次減速機(jī)采用四級(jí)齒輪軸與大齒輪嚙合，大齒輪與耳軸采用切向鍵聯(lián)接，全懸掛減速機(jī)底部設(shè)置扭力桿裝置，將爐傾減速機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力矩轉(zhuǎn)化為扭矩。爐傾系統(tǒng)試用壽命如表4。
3 故障樹(shù)
3．1 故障樹(shù)概述
故障樹(shù)分析法( Fault Tree Analysis，縮寫(xiě)為FTA) ， 1961 年由美國(guó)貝爾電話研究所沃森首次提出，同時(shí)該所在后期進(jìn)行了不斷改進(jìn)，重點(diǎn)針對(duì)火箭偶發(fā)事故預(yù)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。1976 年，清華大學(xué)首次在國(guó)內(nèi)核反應(yīng)工程開(kāi)展可靠性工程研究應(yīng)用，截止目前可靠性工程已廣泛應(yīng)用于宇航、核能、電子、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。故障樹(shù)分析法是一種圖形分析演繹方法，是故障事件發(fā)生的邏輯規(guī)律。它主要由圖、節(jié)點(diǎn)、邊、連通圖、圈等要素組成。樹(shù)即是一個(gè)無(wú)圈的連通圖; 故障樹(shù)，它是一種從結(jié)果到原因描繪事故發(fā)生的一種有向邏輯樹(shù)，其中樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)有邏輯判斷性質(zhì)，它具有有向性和開(kāi)放性?xún)蓚€(gè)特點(diǎn)［1］。
3．2 故障樹(shù)定義
故障樹(shù)，形似倒立著的樹(shù)。樹(shù)的“根部”頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)通常表示系統(tǒng)的某一個(gè)事故; 樹(shù)的“梢”底部節(jié)點(diǎn)表示事故發(fā)生的基本原因，樹(shù)的“枝杈”中間節(jié)點(diǎn)表示由基本原因促成的事故結(jié)果，又是系統(tǒng)事故的中間原因; 事故因果關(guān)系的不同性質(zhì)通常用不同的邏輯門(mén)表示。這樣畫(huà)成的一個(gè)“樹(shù)”，用來(lái)描述某種故障發(fā)生的因果關(guān)系，稱(chēng)之為故障樹(shù)［2］。
3．3 故障樹(shù)分析建立步驟
故障樹(shù)建立步驟主要包括: 明確的系統(tǒng)、可進(jìn)行定量或者定性分析的頂事件、故障樹(shù)模型建立、模型的不斷完善與優(yōu)化、故障樹(shù)的定量或者定性分析，具體實(shí)施步驟如圖3 所示。
建立故障樹(shù)模型的主要符號(hào)包括事件符號(hào)、邏輯門(mén)符號(hào)以及轉(zhuǎn)移符號(hào)三種; 事件符號(hào)如圖4 所示，圖4 中從左向右依次為事件、基本事件、省略事件、外部事件、條件事件。
邏輯門(mén)符號(hào)主要包括與門(mén)、或門(mén)、禁門(mén)、順序與門(mén)及異或門(mén)四種符號(hào)，與門(mén)( and 門(mén)) ，表示事件同時(shí)存在才能發(fā)生結(jié)構(gòu)，表達(dá)式為F = F1∩F2∩……; 或門(mén)( or 門(mén)) ，表示事件不管哪一個(gè)發(fā)生時(shí)都會(huì)出現(xiàn)故障;表達(dá)式為F = F1∪F2∪……; 禁門(mén)，表示某輸入事件在一定的條件下才能引起輸出事件發(fā)生; 順序與門(mén)，只有當(dāng)F1先于F2發(fā)生時(shí)，時(shí)間發(fā)生; 否則事件不發(fā)生; 異或門(mén)，表示正常情況與或門(mén)相同，當(dāng)兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)，事件不再發(fā)生，如圖5、6 所示。
轉(zhuǎn)移符號(hào)的主要作用為①可避免相同的子樹(shù)在作圖上的重復(fù); ②可解決一張圖紙上畫(huà)不開(kāi)大的故障樹(shù)時(shí)，作為子樹(shù)在不同圖紙上的相互銜接的標(biāo)志。
3．4 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)故障樹(shù)建立
選取轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)作為研究對(duì)象，選取轉(zhuǎn)爐不動(dòng)作作為頂事件進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立如圖7 轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)故障樹(shù)。
3．5 故障樹(shù)定性分析
通過(guò)故障樹(shù)的建立，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，共計(jì)建立40 個(gè)最小分割集，最小徑集3 個(gè)。也就是說(shuō)轉(zhuǎn)爐不運(yùn)轉(zhuǎn)共計(jì)有40 個(gè)可能性。但從3 個(gè)徑集可得出，只要采取徑集方案中的任何一個(gè)，轉(zhuǎn)爐不動(dòng)作故障就可以避免。通過(guò)系統(tǒng)分析通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性可有效解決目前轉(zhuǎn)爐設(shè)備不動(dòng)作故障的發(fā)生。
4 結(jié)語(yǔ)
以故障樹(shù)分析的建立為理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合近年來(lái)50 t 轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障特點(diǎn)，建立完善50 t 轉(zhuǎn)爐故障樹(shù)，通過(guò)對(duì)故障樹(shù)系統(tǒng)分析，將故障樹(shù)分析成40 個(gè)分割集及3 個(gè)徑集，為可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
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［2］ 張英會(huì)．機(jī)械系統(tǒng)故障樹(shù)分析法［J］．中國(guó)機(jī)械工程，1985( 2) : 42－44．