艦船電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估方法

王建明

（91663部隊(duì)，山東 青島 266012）

艦船電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估方法

王建明

（91663部隊(duì)，山東 青島 266012）

針對(duì)艦船電氣設(shè)備在使用過(guò)程中的安全性、可靠性，簡(jiǎn)要分析了電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估方法及理論，提出了實(shí)施剩余使用壽命評(píng)估的工作思路。

艦船；電氣設(shè)備；剩余使用壽命；評(píng)估

艦船全壽命管理涉及到艦船論證、研制、使用、維修、退役、封存、延壽等工作，艦船設(shè)備各部件的壽命有設(shè)計(jì)壽命、安全運(yùn)行壽命和實(shí)際壽命。設(shè)計(jì)壽命是指各部件在設(shè)計(jì)參數(shù)下能夠保證安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最小累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)。安全運(yùn)行壽命是指機(jī)組或部件在正常運(yùn)行狀況下安全運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。安全運(yùn)行壽命不等于設(shè)計(jì)壽命，通常是安全運(yùn)行壽命大于設(shè)計(jì)壽命。實(shí)際壽命是指機(jī)組或部件從開(kāi)始運(yùn)行至停止運(yùn)行累計(jì)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。實(shí)際壽命通常比設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，它可能比安全運(yùn)行壽命長(zhǎng)，也可能比安全運(yùn)行壽命短。

剩余使用壽命是安全運(yùn)行壽命減迄今為止的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間所剩余的可繼續(xù)安全運(yùn)行的時(shí)間。它需要通過(guò)全面的檢驗(yàn)和估算預(yù)測(cè)得出。

目前,部分艦船在達(dá)到服役年限后，由于實(shí)際情況的需要仍在服役，其電氣設(shè)備除少量報(bào)廢外，部分仍在繼續(xù)使用，但實(shí)際已超過(guò)安全運(yùn)行壽命，不同程度的存在有高溫部件的鋼材性能老化，產(chǎn)生蠕變損傷乃至裂紋等危險(xiǎn)性缺陷。由于受財(cái)力、物力等方面的制約，而沒(méi)有做必要的檢驗(yàn)、維修、更換，使得在使用過(guò)程中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，為確保超到期艦船安全、有效地開(kāi)展工作，如何科學(xué)地對(duì)其電氣設(shè)備剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估評(píng)定，為裝備使用、修理、退役、報(bào)廢等提供科學(xué)依據(jù)，是一個(gè)不容回避且值得探討的重要課題。

1 電氣設(shè)備剩余壽命評(píng)估和診斷

剩余使用壽命評(píng)估是指部件累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)或遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命，通過(guò)對(duì)其運(yùn)行歷史的分析、無(wú)損探傷及金相檢驗(yàn)等多種檢驗(yàn)鑒定、斷裂力學(xué)計(jì)算、其他直接和間接的壽命診斷技術(shù)作為科學(xué)依據(jù)，評(píng)估部件還能夠繼續(xù)安全運(yùn)行的時(shí)間，也就是預(yù)測(cè)機(jī)組或部件的剩余使用壽命。這種評(píng)估是偏實(shí)踐的、偏經(jīng)驗(yàn)的。剩余使用壽命評(píng)估也有的稱(chēng)為剩余使用壽命預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估。為了進(jìn)行剩余使用壽命評(píng)估，需要做大量的資料分析、實(shí)地檢驗(yàn)、試驗(yàn)等工作。所以，將這些技術(shù)稱(chēng)為剩余使用壽命診斷技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)壽命診斷。

對(duì)于艦船電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，主要是預(yù)測(cè)電氣設(shè)備故障或異常可能發(fā)展的速度和后果，提出臨時(shí)處理的意見(jiàn)和根本治理的建議。

（1）剩余使用壽命評(píng)估評(píng)定的一般步驟包括：

①明確評(píng)估目標(biāo)，分析評(píng)估對(duì)象。

②收集和研究歷史數(shù)據(jù)。

③選擇評(píng)估方法和建立數(shù)學(xué)模型。

④分析和編制評(píng)估評(píng)定報(bào)告。

（2）通過(guò)壽命診斷、評(píng)估和管理可以做到：

①掌握部件所用鋼材隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)其材質(zhì)性能變化的規(guī)律及長(zhǎng)期運(yùn)行后老化的程度；

②發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，監(jiān)督其發(fā)展?fàn)顩r，掌握設(shè)備健康水平；

③確定壽命損耗率，評(píng)估剩余使用壽命；

④提出合理運(yùn)行方式；

⑤為制訂設(shè)備修理、改、換裝方案及反事故措施提供科學(xué)依據(jù)；

⑥延長(zhǎng)超到期服役設(shè)備的運(yùn)行壽命，這是最經(jīng)濟(jì)的，進(jìn)行壽命診斷和評(píng)估所需費(fèi)用僅為更換該設(shè)備所需費(fèi)用的1/6～1/3。

美國(guó)電力研究院采用多數(shù)國(guó)家使用的“三級(jí)評(píng)估法”，并制定出較完整的“綜合壽命管理程序”，作為美國(guó)電力企業(yè)壽命管理工作的通用導(dǎo)則。

中國(guó)的壽命管理工作目前還是處于初級(jí)階段，它僅限于某些技術(shù)專(zhuān)業(yè)內(nèi)的活動(dòng)，而且只作為個(gè)別設(shè)備、部件必要時(shí)的安全評(píng)估手段。

2 電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估的方法及理論

2.1 電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估方法分為三類(lèi)：

（1）解析法

解析法屬于間接壽命評(píng)估，根據(jù)各種運(yùn)行情況下的材質(zhì)老化數(shù)據(jù)和本機(jī)組使用的時(shí)間、溫度、應(yīng)力大小及其分布的狀況、起停次數(shù)等工況，利用各種曲線、公式進(jìn)行綜合判斷，然后可以預(yù)測(cè)部件的剩余使用壽命，此方法的關(guān)鍵在于正確收集到部件運(yùn)行的完整真實(shí)的資料，如部件內(nèi)部介質(zhì)的溫度、壓力、金屬的壁溫等。該方法可以評(píng)價(jià)設(shè)備的任意部位，但有很多局限性。這種方法能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

（2）破壞性檢測(cè)法

從有代表性的部位取得試樣后，進(jìn)行相應(yīng)的性能實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行組織斷口狀況分析、化學(xué)成分分析及碳化合物分析，而后進(jìn)行綜合判斷，進(jìn)而預(yù)測(cè)部件材料的剩余使用壽命。該方法預(yù)測(cè)損傷的精度高，但做蠕變斷裂試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，受到限制的部件和部位不能使用，該方法不適宜監(jiān)測(cè)。

（3）非破壞性檢測(cè)法

不破壞機(jī)組部件，通過(guò)外部測(cè)量、試驗(yàn)就可以定量掌握材質(zhì)狀況，因此也稱(chēng)為無(wú)損檢測(cè)法。該方法不需要切割小型樣品，僅在實(shí)物表面上測(cè)定，比較方便，但該方法也有局限性，因?yàn)椴牧系墓逃刑匦云钶^大，即使相同的部件，運(yùn)行條件不同，則材料老化程度也各不相同。該方法能定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

實(shí)際上，在對(duì)機(jī)組部件進(jìn)行剩余使用壽命評(píng)估時(shí)，往往將以上三種方法綜合運(yùn)用。

2.2 基于異常現(xiàn)象信息的故障診斷與故障預(yù)測(cè)

通過(guò)被觀測(cè)對(duì)象在非正常工作狀態(tài)下所表現(xiàn)出來(lái)或可監(jiān)測(cè)到的異常現(xiàn)象（振動(dòng)、噪聲、污染、溫度、電磁場(chǎng)等）進(jìn)行故障判斷，并基于趨勢(shì)分析進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品由于存在明顯的退化過(guò)程，多采用這種故障診斷與預(yù)測(cè)方式。

基于異常現(xiàn)象信息進(jìn)行故障診斷與故障預(yù)測(cè)的任務(wù)是基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、故障注入獲得的數(shù)據(jù)等各類(lèi)已知信息，針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品異常現(xiàn)象特征，進(jìn)行故障損傷程度的判斷及故障預(yù)測(cè)。概率分析方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、專(zhuān)家系統(tǒng)（ES）、模糊（Fuzzy）集、被觀測(cè)對(duì)象物理模型等都可以用于建立異常現(xiàn)象與故障損傷關(guān)系模型。

3 艦船電氣設(shè)備剩余使用壽命評(píng)估工作思路

電氣設(shè)備如電機(jī)的故障表現(xiàn)在三個(gè)環(huán)節(jié)：電氣環(huán)節(jié)、磁耦合環(huán)節(jié)、機(jī)械環(huán)節(jié)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜、惡劣，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，絕緣逐漸老化，擊穿電壓逐步下降，因此對(duì)大電機(jī)剩余壽命（特別是絕緣壽命）的評(píng)估一直是人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。從國(guó)內(nèi)外電機(jī)剩余壽命評(píng)估的手段和方法來(lái)看，一種是電機(jī)制造廠和使用方都在積極開(kāi)發(fā)的電機(jī)運(yùn)行中絕緣在線監(jiān)測(cè)與診斷方法。此法中廣泛應(yīng)用的有局部放電電荷法、電位變化檢測(cè)法、超聲波法、測(cè)色法和微粒子檢測(cè)法等，其特點(diǎn)是多數(shù)都需要敷設(shè)較先進(jìn)的傳感器或使用一些較先進(jìn)的儀器設(shè)備。另一種方法即在兩次大修期間診斷、評(píng)估電機(jī)絕緣剩余壽命的方法，利用先進(jìn)的儀器設(shè)備監(jiān)測(cè)和檢查電機(jī)的工作狀況，據(jù)此判斷其剩余壽命。同時(shí)發(fā)展的用概率模型估算電機(jī)剩余壽命的方法也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。如通過(guò)馬爾可夫模型模擬電機(jī)的絕緣系統(tǒng)劣化過(guò)程以評(píng)估其剩余壽命等。

在研究電機(jī)可靠性中，常提到可靠度（R）、可靠壽命（tR）和平均壽命（MTBF）等，由于生產(chǎn)廠、型號(hào)規(guī)格、使用環(huán)境、維護(hù)工作等諸多不同因素，評(píng)估其剩余壽命是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算機(jī)，將非破壞性試驗(yàn)結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)檢查結(jié)果及概率模型估算值等輸入，通過(guò)分析大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料，依據(jù)一個(gè)科學(xué)的判斷劣化標(biāo)準(zhǔn)，將專(zhuān)家的思考過(guò)程和判斷邏輯規(guī)律化，自動(dòng)得出一個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)論，這就構(gòu)成了絕緣可靠壽命評(píng)估專(zhuān)家系統(tǒng)，通常每年要至少重估一次電機(jī)絕緣剩余壽命。

裝備監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)是在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)用檢測(cè)手段，獲取設(shè)備的運(yùn)行信息，并運(yùn)用診斷理論和方法，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，從而確定故障產(chǎn)生的原因、部位和性質(zhì)，預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)診斷，可以及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭和隱患，降低故障損失；充分發(fā)揮設(shè)備潛能，延長(zhǎng)服役期限和使用壽命，監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)能有效地減少和杜絕事故的發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，裝備監(jiān)測(cè)診斷是裝備全系統(tǒng)、全壽命管理的重要手段，促進(jìn)裝備建設(shè)由粗放式快速發(fā)展到健康穩(wěn)定的道路上。

如發(fā)電機(jī)可從故障診斷的基本方法入手：

（1）電氣分析法 通過(guò)頻譜等信號(hào)分析方法對(duì)負(fù)載電流的波形進(jìn)行檢測(cè)，從而診斷出發(fā)電機(jī)故障的原因和程度，檢測(cè)局部放電信號(hào)，對(duì)比外部施加脈沖信號(hào)的響應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)等；

（2）絕緣診斷法 利用各種電氣試驗(yàn)裝置和診斷技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)和參數(shù)及工作性能是否存在缺陷作出判斷，并對(duì)絕緣壽命作出評(píng)估；

（3）溫度檢測(cè)方法 采用各種溫度測(cè)量方法對(duì)發(fā)電機(jī)各個(gè)部位的溫升進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)電機(jī)的溫升與各種故障現(xiàn)象相關(guān)；

（4）振動(dòng)與噪聲診斷法 通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)與噪聲的檢測(cè)，并對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，診斷出發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障的原因和部位，尤其是對(duì)機(jī)械上的損壞診斷特別有效；

（5）化學(xué)診斷的方法 可以檢測(cè)到絕緣材料和潤(rùn)滑油劣化后的分解物以及一些軸承、密封件的磨損碎屑，通過(guò)對(duì)比其中一些化學(xué)成分的含量，可以判斷相關(guān)部位元件的破壞程度；

條件許可的話，也可采用發(fā)電機(jī)故障診斷的現(xiàn)代分析方法：基于信號(hào)變換的診斷方法如希爾伯特變換和小波變換、基于專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的診斷方法、基于集成型智能系統(tǒng)的診斷方法等。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)艦船電氣設(shè)備剩余壽命的評(píng)估是關(guān)系到艦船安全性、可靠性的重要手段，按照剩余壽命評(píng)估評(píng)定一般步驟，分析制定科學(xué)合理的艦船電氣設(shè)備剩余壽命報(bào)告，為裝備使用、修理、退役、報(bào)廢等提供科學(xué)依據(jù)，從而提高裝備全系統(tǒng)全壽命科學(xué)管理水平。

[1] 馬宏忠.電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] 張建.機(jī)械故障診斷技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

The remaining useful life assessment method of the electrical equipment in ship

For the safety and reliability of the electrical equipment used in ship ,the paper analyzes the remaining useful life assessment method and theory of the electrical equipment briefly,and proposes work plans for implementation of remaining useful life assessment..

Ship; electrical equipmen; remaining useful life ;assessment

TM201.4+2;TM247+.1

A

1008-1151(2015)03-0085-02

2015-02-13

王建明（1963－），男，山西人，91663部隊(duì)高級(jí)工程師，從事裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。