以可靠性為中心的水輪機組檢修模式研究

謝亞琴

（水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310012）

近年來，隨著我國水電工程建設的快速發展，水電機組的設計呈現高水頭、高轉速、高效率和大容量的趨勢，導致設備的維護要求日益復雜，維修費用不斷增長。隨著廠網分開、競價上網改革的深入，設備可靠性和維修成本將成為發電企業經濟效益的重要考核指標。目前我國大中型水電廠的大部分設備處于耗損故障期或初期故障期，其故障率都比較高[1]，而傳統的定期檢修方式由于針對性不強，往往會導致過度檢修或檢修不及時，其弊端越來越突出。以可靠性為中心的維修 （Reliability centered Maintenance，RCM），是一種先進的維修優化方法，能夠分析設備的維修需求，決策最佳的維修方式。實施RCM能夠提高設備的可利用率和可靠性，保證設備安全高效運行，同時使維修工作量和維修費用大幅減少。美國電力研究院維修診斷中心的經驗表明， RCM可將設備大修周期從3～5 a延長至6～8 a，甚至10 a，節省大量的檢修費用，延長設備的使用壽命，投資回報率達 250%～1 100%，同時可減少停電時間，提高供電效率 50%以上，確保供電可靠性，提早發現事故隱患，避免突發故障造成的損失。

1 RCM維修理論概述

隨著設備的復雜性增加，傳統維修方式的維修費用越來越大，但設備的可靠性并沒有得到提高，由此引發了對傳統維修思想的檢討和對故障規律和影響的分析[2]。RCM維修理論正是在這樣的背景下產生的，它是繼預防性維修之后，被全球認可和廣泛推廣的一種方法和策略。

RCM以可靠性理論為依據，以對維修對象的系統監控為手段，以保持運行系統應具有的功能或固有的可靠性為目標，對組成系統的諸設備的維修需求進行分析決策，確定檢修計劃及維修方式。RCM實施時根據零部件的可靠性特點，應用邏輯決斷法，減少定期維修方式的對象數，擴大視情維修方式，盡可能充分利用系統的固有可靠性來制定既安全又經濟的維修大綱。RCM從消除設備隱含的故障原因入手，減少了設備突發事故的機會，取消了不必要的大、小修，從而降低了維修成本。

2 水輪機組RCM策略

RCM分析的一般步驟為：①確定重要功能產品（FSI）；②進行故障模式影響分析 （FMEA）；③應用邏輯決斷圖選擇預防性維修工作類型；④系統綜合，形成計劃。水輪機組RCM策略，需要針對以水輪機、發電機、主要輔機等構成的發電系統做出全面的RCM分析后，才能確定具體的檢修策略。

2.1 確定重要功能產品

水輪機組設備是由大量的零部件組成的，每個零部件都有其具體的功能，工作中都有可能發生故障，但有些故障后果危及到安全，有些只影響任務的完成，而且大部分故障對設備整體沒有直接影響，只須及時地予以排除，其唯一的后果就是事后修理的費用，且修理費用低于預防修理費用。因此，制訂基于RCM的維修大綱時，沒有必要對所有零件逐一進行分析，只需要針對重要功能產品，即那些發生故障會影響任務完成和安全性，或有重大經濟性后果的產品，這些產品可以是系統、部件或零件。具體的做法是依次列出整個水輪機組的所有產品，形成 “構造樹”，然后把顯然對設備沒有嚴重后果的故障產品從 “樹”中略去，留下來的產品是必須做維修研究的產品。

不重要的產品是指其功能對設備的整體使用功能沒有重大影響，或者在設計上有余度，其功能不會影響使用能力，或者故障沒有安全性和使用性后果，很容易進行修復，或者根據經驗和實際分析不可能發生故障的產品。但是隱蔽功能產品 （后面講述）不管它們是否重要都要求做預防性維修。因此，隱蔽功能產品都要做為重要產品。

簡化的 “構造樹”可以確定一個重要產品層，僅對該層次的產品進行分析，簡化了分析過程。

2.2 故障模式及影響分析

通過故障模式及影響分析 （FMEA），明確產品的功能、故障模式、故障原因和故障影響，從而為基于故障原因的RCM決斷分析提供基本信息。

2.3 應用邏輯決斷圖確定維修工作的類型

對每一故障模式，RCM決斷分析首先進行故障后果分析，以確定故障后果的種類。這是選擇預防故障或降低故障后果設備維修策略首要解決的問題。故障后果主要有4種：隱蔽性故障后果；安全或環境性后果；使用性后果；非使用性后果。在分析時，首先應按隱蔽性、安全或環保性、使用性、非使用性的順序進行分析判斷，確定故障后果的性質。在確定故障后果后，按不同的故障后果選擇維修方式。

故障后果分析決斷主要采用邏輯決斷圖方法，通常用于選擇那些技術可行且經濟合理的維修策略。

2.4 系統綜合，形成維修計劃

單項工作的間隔期最優并不能保證總體的工作效果最優，為了提高維修工作的效率，我們有時把不同維修時間間隔的維修工作組合在一起，這樣會使某些工作的頻度比其計算出的結果要高一些，但是提高工作效率所節約的費用會超過所增加的費用。組合工作時應以預定的間隔期為基準，盡量符合預定的間隔期，同時應結合現有的維修制度，盡可能的與現有的維修制度一致，把各項預防性維修工作按間隔時間靠入相鄰的預定間隔期，但對安全后果和任務后果的預防性維修工作靠入的預定間隔期，不應大于其分析得到的工作間隔期。各類預防性維修工作間隔期的確定可以參考以下數據與方法：產品生產廠家提供的數據；類似產品的相似數據；已有的現場故障統計數據；有經驗的分析人員的分析判斷；對重要、關鍵產品的維修工作間隔期的確定要有模型支持和定量分析。

3 隱患檢測間隔期

3.1 隱蔽功能故障與隱患檢測

檢查并排除隱蔽功能故障是預防多重故障嚴重后果的必要措施。隱蔽功能故障包括正在工作的設備，其功能故障對操作人員是不明顯的；或者不工作的設備，將要使用時狀態是否良好，對操作人員是不明顯的。多重故障則是指由連續發生的兩個或兩個以上獨立故障所組成的故障事件，它可能造成其中任一故障不能單獨引起的后果。

多重故障與隱蔽功能故障有著密切的關系，如果隱蔽功能故障沒有及時被發現和排除，有可能會造成多重故障。例如長引水系統電站的水輪機全油壓調壓閥，在機組正常運行時調壓閥是關閉的，僅在機組甩負荷或緊急停機時動作。即正常情況，調壓閥是不工作的，只有當需要使用它時，使用人員才發現它能否工作。因此，一個隱蔽功能故障本身可能沒有直接的后果，但可能增大多重故障的概率。

基于RCM策略所提出的隱蔽功能故障和多重故障概念，對多重故障的嚴重后果是可以預防的，至少可以將多重故障的概率降低到一個可以接受的水平，它取決于對隱蔽功能故障的檢測頻率和更改設計。

3.2 隱患檢測間隔周期的確定

對隱蔽功能故障的檢測稱為隱患檢測，科學合理地確定隱患檢測間隔周期是RCM策略的一項重要內容。

隱患檢測間隔期的確定是一個重要的研究內容，根據現有研究成果建立的模型過于復雜，導致實際應用很少。在實際生產中，隱患檢測間隔期主要依據設備生產廠家的說明書初步確定，或者參照相似設備確定。運行一定時間后，根據實際運行情況進行調整，即通過科學地分析設備的故障、維修記錄數據，確定符合設備實際狀況的故障分布模式，從而調整和優化原來的隱患檢測間隔期。

3.3 水輪機組隱患檢測策略模型

3.3.1 按經濟性要求確定檢測間隔期

如果多重故障不影響使用安全性，則可按經濟性要求來確定隱患檢測間隔期。隱患檢測間隔期過長，將會使系統在2個周期內經常發生功能故障，增加系統因功能故障引起的停機損失費用；間隔期過短，又會造成不必要的過多檢測費用損失。因此，我們建立隱患檢測模型來尋找最優的檢測間隔期，使其在長期運行下的單位時間的期望損失達到最小。

隱患檢測模型建立的基本思想是針對具有隱蔽功能故障的系統每隔一個確定的檢測周期就對系統的某些狀態參量進行一次檢測，并視具體情況進行維修。假定Cm、Ci分別表示一次檢測和事后更換的費用損失，f（t）、Cf表示保護裝置故障時間分布和故障造成的單位時間的損失費用，若檢測間隔期為τ，一個檢測周期為T=（n+1）τ，當保護裝置的壽命t滿足關系式：nτ

3.3.2 按安全性要求確定隱患檢測周期

如果多重故障影響到使用安全性，則隱患檢測間隔期的確定要保證隱蔽功能裝置具有所要求的可用度，從而將多重故障發生的概率控制在可接受的水平內。

假定隱蔽功能裝置的可用度可由隱患檢測間隔期中的平均可用度來衡量。由于隱患檢測間隔期內不進行修理，故可用度A（t）與可靠度R（t）相等，則平均可用度為[2]

根據用戶可以接受的多重故障概率的大小和被保護設備在某期間內發生故障的概率，可以確定同一期間內必須達到的可用度，再根據式（2）確定與平均可用度水平相對應的隱患檢測間隔時間T。

3.4 用威布爾分布擬合故障間隔時間的分布模式

在研究設備的預防維修問題時，以前通常將故障間隔時間或平均故障間隔時間假設為指數分布，其理論依據是故障宏觀規律遵循經典的浴盆曲線。事實上，在許多工程維修問題中，浴盆曲線的精確度無法滿足要求。為更精確地表達設備的故障規律，工程中可采用威布爾分布來描述電子與機械產品的故障規律，如滾動軸承、繼電器、電動機、齒輪、材料疲勞等。

威布爾分布具有形狀參數m，改變此m可表達各種函數，實際上它具有靈活的性質，能夠表達所有的零部件故障形式，使企業的維修業務簡單化，使用起來十分方便，是零部件故障分析的良好手段，廣泛應用于可靠性和壽命數據分析[3]。二參數威布爾分布的概率密度函數為

式中，m、η分別為形狀參數和尺度參數。

水輪機故障數據利用威布爾分布圖形化的基本步驟：

（1）現場數據采集。數據記錄可按一定間隔進行觀察，記錄從上次到本次之間發生的故障；也可連續不斷地進行觀察，當發生故障時記錄該時間。

（2）數據準備。填寫威布爾概率紙之前必須進行數據處理，即使用某產品N個；到時間t為止；得到的累計故障數n；將時間t作為變量 （橫軸），將累計故障概率 F（t）=n/N（%）作為函數 （縱軸）。

（3）求形狀參數m。首先在威布爾概率紙上描點，確認直線性后再以作圖方式求得m。盡管可用由測定值直接計算的方法算出，但采用描點法可避免兩個以上不同的形狀參數m的模式混在一起時，根據公式計算的m值偏離真實情況。

4 結論

隨著水電設備性能越來越先進，結構越來越復雜，其維修活動也越來越受到重視，水輪機組實施以可靠性為中心的檢修是檢修技術發展的必然趨勢。本文探討了RCM策略應用于水輪機組維修的主要內容和方法，闡明了其必要性和具體應用思路。這一方法如能在國內水輪機組的維修管理中得到應用，對于提高水輪機組的管理和維修水平、從而提升社會和經濟效益將會起到重要的作用。今后，隨著狀態監測和故障診斷技術的廣泛應用，先進的機電一體化的在線自動監測和故障診斷等儀器設備將越來越普遍，以可靠性為中心的維修思想必將成為未來水電設備運行維護的主要模式。

［1］謝志江，胥文剛.大型水電設備健康狀態智能分析系統的研究［J］.精密制造與自動化（機械動力學專集）， 2003（B09）:87-88.

［2］陳學楚.維修基礎理論［M］.北京：科學出版社，1998.

［3］額田綮三.機械可靠性與故障分析［M］.北京：國防工業出版社，2006.