基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法研究

庄法坤,刘 文,宋 策,陈 铭

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

螺栓法兰接头结构简单、装配方便，是石油化工设备、管道和阀门广泛使用的可拆卸连接形式。但螺栓法兰接头目前仍是炼化、能源、医药等行业发生原料或产品泄漏、逸出、燃烧、爆炸等事故的主要源头[1]。由于泄漏引起的设备失效和环境问题，是当前石化企业安全、环保生产最大的安全隐患。同时，成套装置内法兰接头应用数量巨大、管理难度大、安装维护困难，又是设备易发生泄漏的部位，严重影响装置的正常生产和安全运行。因此，分析法兰泄漏的影响因素，减少泄漏至关重要。

对于石化装置中在用螺栓法兰接头来说，导致其泄漏的原因众多，如介质对法兰密封面的腐蚀、工艺波动引起接头螺栓松动、螺栓断裂导致预紧力不足引起泄漏、高温引起垫片发生蠕变导致泄漏等，上述诸多因素可以单独或者共同作用，导致螺栓法兰接头发生泄漏失效。当前法兰接头的可靠性分析方法，以复杂的理论模型为基础[2]，适用于关键接头的初始设计阶段，对于运行之后成套装置内的螺栓法兰接头难以应用，且可靠性分析同后期维护并未进行关联。因此，通过螺栓法兰接头的操作、工艺、材料信息，分析螺栓法兰接头潜在的损伤模式，开展密封接头可靠性维护对于降低接头泄漏具有重要意义。

故障模式与影响分析(Fault Modes Effects and Criticality Analysis,FMEA)，是一种重要的定性可靠性分析方法。FMEA分析方法的优势是能够通过分析设备中各个组成部件，辨识出设备可能存在的故障模式，进而通过风险优先级排列，分析得到影响设备使用的薄弱环节，从而进行针对性的维护，这对于在用的设备或部件来说至关重要。本文基于FMEA方法，研究制定在用螺栓法兰接头可靠性维护方法，分析在用螺栓法兰接头常见潜在的损伤模式，通过某蒸汽管道法兰接头的FMEA分析工作，详解该方法的应用过程，并依据FMEA分析结果，制定针对性的检维修措施。

1 在用螺栓法兰接头可靠性维护方法

1.1 故障模式及影响分析(FMEA)

FMEA方法主要研究设备的每个组成部分可能存在的故障模式，并确定每个故障模式对产品其他组成部分和产品功能要求功能影响，一般用于产品的设计阶段。

FMEA分析程序主要包括4个步骤[3]：

(1)确定FMEA的基本原则、制定计划和安排进度，保证分析有足够的时间的专业技术。

(2)选用合适的工作表实施FMEA，或者采用其他方法，例如逻辑图或故障树。

(3)对分析进行总结并编写报告。

(4)随着设计工作的深入，更新FMEA。

1.2 基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法

在用螺栓法兰静密封接头使用过程中，常因介质腐蚀、密封件性能不达标或螺栓力不足而引起泄漏，而FMEA分析的核心内容为故障模式、故障原因和故障影响分析，多用于机械装备，因此，将FMEA方法应用到螺栓法兰接头这一部件时，其故障模式分析更改为损伤模式分析。

图1 技术方法Fig.1 Technical method

通过分析FMEA实施过程，基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法，如图1所示，主要包括部件功能分析、损伤模式分析、损伤原因分析、损伤影响分析、风险评估和维护策略制定等部分。

部件功能分析主要围绕构成法兰接头的零部件开展，即法兰、垫片和螺栓，如图2所示。

损伤模式分析，主要辨识法兰潜在的损伤类型，参照英国能源协会规范[4]，并结合法兰接头常见失效案例，如表1所示，在用螺栓法兰接头常见潜在的损伤模式主要有：法兰损伤(大气腐蚀、保温层下腐蚀、应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀、电偶腐蚀)、垫片损伤(化学劣化、物理劣化、蠕变、机械损坏或断裂)、连接螺栓(松动、断裂)等。

1螺柱，2下法兰，3上法兰，4垫圈，5螺母，6垫片图2 螺栓法兰接头Fig.2 Schematic diagram of bolted flange joint

表1 主要部件及其常见损伤模式、影响和原因Table 1 Main component and its common damage modes,effect and cause

风险评估主要依据风险顺序数RPN进行分级，RPN由损伤严酷度(SER)、损伤发生概率(PFO)和损伤检测概率(PD)相乘得到，其数值越大说明潜在问题越严重，风险越高，须采取措施的优先级越高；反之则越低。借鉴FMEA的评分原则[5]，制定了在用螺栓法兰静密封接头的评分原则，如表2～4所示。风险评估原则依据企业管理制度进行划分。

表2 损伤严酷度(SER)评分依据和细则Table 2 Damage severity score basis and detailed rules

表3 损伤发生概率(PFO)评分依据和细则Table 3 Damage probability score basis and detailed rules

表4 损伤检测概率(PD)评分依据和细则Table 4 Damage detection probability score basis and detailed rules

基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法，最终目的是依据其损伤模式及其影响开展维护工作，因此通过FMEA分析得到其风险评价结果后，依据风险等级进行相应的维护。对于在用螺栓法兰接头，其潜在泄漏风险为低风险时，采取事后维修策略；其潜在泄漏风险为中风险时，采取预防性维修策略，如定期在线检查泄漏情况、定期更换密封元件；其潜在泄漏风险为高风险时，采取预测性维修策略，如通过进一步的寿命预测、在线监测方法，及时开展维护。

2 应用案例分析

以某企业常减压装置中某蒸汽管道中的法兰接头为例，实施基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法。该法兰接头由一对整体对焊突面法兰组成，法兰材质为20钢，垫片为金属波齿复合垫片(0Cr18Ni9+柔性石墨)，螺栓为35CrMoA等长双头螺柱。法兰接头内为270℃的1.0MPa蒸汽，接头外部有保温覆盖。

该蒸汽管道法兰接头FMEA分析结果见表5，由表5可见，根据风险优先数排序结果可知，蒸汽管道法兰接头潜在损伤模式中，垫片发生蠕变的风险最高，其次为垫片化学劣化和法兰面缝隙腐蚀，最后为法兰面的电偶腐蚀。

表5 某蒸汽管道法兰接头FMEA分析结果Table 5 FMEA results of the bolted flange joint of a steam pipe

根据该法兰接头FMEA的结果，针对其潜在的损伤模式，制定相应的预防措施，确保密封接头在运行过程中对各种故障及时发现和处理，从而降低接头泄漏失效的发生率或减轻泄漏的危害性。具体从以下几个方面开展接头的维护工作。

(1)垫片的蠕变损伤潜在风险排序较高，应当采取预测性维修方式。蒸汽管道法兰接头中垫片在高温长期作用下发生蠕变变形，回弹性能下降，因此在垫片使用之前进行蠕变率测量，必要时开展寿命预测，以确定合适的更换周期。

(2)垫片化学劣化和法兰面缝隙腐蚀，潜在风险水平居中，应当采取预防性维修方式。日常巡检时定期查看接头泄漏情况，此外在企业管道大修周期时，拆解法兰接头查看垫片和法兰面的损伤情况，按照标准规范对密封面进行修复，使其符合下一阶段运行要求。

(3)法兰的电偶腐蚀，潜在风险水平较低，可以采取事后维修的方式。在该接头中，主要是碳钢法兰和不锈钢垫片之间存在异种金属接触，若蒸汽在密封面冷凝后形成潮湿环境，提供了电偶腐蚀的条件，可在企业大修期间查看腐蚀情况并进行修复。

3 结论

本文基于FMEA方法提出了在用螺栓法兰接头的可靠性维护方法，阐述了该方法的具体内容，并以蒸汽管道法兰接头的FMEA分析为例详解了该方法的应用过程，得到以下主要结论：

(1)基于FMEA的在用螺栓法兰接头可靠性维护方法，主要包括部件功能分析、损伤模式分析、损伤原因分析、损伤影响分析、风险评估和维护策略制定等部分。

(2)在用螺栓法兰接头常见潜在的损伤模式主要有：法兰损伤(大气腐蚀、保温层下腐蚀、应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀、电偶腐蚀)、垫片损伤(化学劣化、物理劣化、蠕变、机械损坏或断裂)、连接螺栓(松动、断裂)等。

(3)依据螺栓法兰接头的损伤模式制定针对性的检维修措施，可以提高维护可靠度并合理配置维护资源。关于在用螺栓法兰接头的损伤模式分析，本文给出的常见损伤模式并不能包含所有情况，还应当根据接头的操作、工艺、材料信息确定，因此在今后的工作中，建议依据装置和工段开展此项工作。