三菱SJ系列分油機典型故障樹的建立與應用

2018-07-18 07:43:18陳建良

世界海運 2018年7期

陳建良袁對

目前，全球航運業仍在低位徘徊，有效控制船舶的運營成本對廣大船東來說至關重要。航行于全球各航線的商船，除了在對環境控制有嚴格要求的區域以外，基本都以劣質燃料油作為船舶燃料。由于劣質燃油在提煉過程中殘留了大量的固體顆粒和催化劑殘留物，其預處理的質量往往直接影響柴油機等設備的運行穩定性。

目前，分油機作為燃油、滑油等油料的預處理凈化設備，在船舶上廣泛使用。其中又以ALPHA LAVAL、WESTFALIA、三菱等品牌為主流產品，其結構和性能各有特點。由于分油機的系統龐大復雜，工作條件惡劣，其故障率相對比較高。傳統上輪機管理人員往往依賴個人的管理經驗進行故障診斷，既耗時又費力，而且準確性差，嚴重影響船舶動力裝置的安全運行。

一、故障樹分析法簡介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是目前在系統可靠性分析、評估和故障診斷領域應用最重要的邏輯和概率技術之一。[1]

所謂故障樹分析法是一種基于圖形演繹的故障分析方法[1]。它從頂事件開始，系統性地向下發展，逐級確定造成系統故障的下一級事件，并明確下一級事件與頂事件的邏輯關系，最終找出系統內部可能導致頂事件的元件故障為止。

利用故障樹可以形象地將導致系統故障的原因以圖形演繹的形式展現出來，方便工程技術人員查找出導致系統故障的因果鏈和故障譜。

二、三菱SJ系列分油機系統簡介

目前，三菱SJ系列分油機在船舶上廣泛應用。其系統基本由燃油回路、控制水回路、壓縮空氣回路、分油機、啟動箱、自動控制板、油加熱器等組成。系統結構原理如圖1所示。

未凈化的燃油由機帶齒輪泵從A口吸入，送至油加熱器加熱至分離溫度，由三通電磁閥SV4控制壓縮空氣打開原液三通閥CV1，使燃油進入分油機，經過分油機分離后的凈液由B口出送至日用柜，分離出的重液（水和油泥）由D管排出。

開閥用電磁閥SV1控制分離筒排渣口開啟。閉閥用電磁閥SV2控制分離筒排渣口關閉。封水用電磁閥SV3控制置換水。

該系列分油機的控制系統是以單片機為核心的HIDENS系統，能實現分油機的全自動時序控制、運行狀態監測報警控制等功能，從而提高了系統整體的操作性能和可靠性。

從圖1可以看出，該系統機電相結合，結構復雜。當發生故障時，輪機管理人員往往無法及時、全面掌握故障產生的因果鏈關系，為故障的準確、迅速診斷帶來困難。

圖1 三菱SJ系列分油機系統結構原理圖

三、故障樹的建立和應用

故障樹模型一般從確定頂事件開始，逐級往下分解，通過多層中間事件直至底事件為止，其基本過程為確定頂事件，頂事件分析、分解，限定邊界條件，建立故障樹，分析應用等。[2]

1.確定頂事件

故障樹的頂事件就是用于診斷系統故障和評估系統故障率的事件，是診斷分析對象的系統級故障模式[3]。選取恰當的頂事件，能將復雜系統的各種故障模式有效合理地相互聯系，以利于對系統進行整體的分析和診斷。

對于分油機而言，在運行中由于其運動部件高速回轉，內部分離筒部件直接與高溫的劣質燃油接觸，各水腔直接與高溫淡水接觸等惡劣條件，往往使各部件產生磨損、腐蝕、裂紋等，從而導致各類運行功能故障。根據設備說明書和筆者平時的管理經驗，三菱SJ系列分油機的常見運行功能故障主要有異常流出、排出不良、異常振動等?，F以此三種功能故障作為頂事件進行分析和建樹。

2.頂事件的分析和分解

在確定頂事件后，就要進一步分析造成頂事件和各級事件之間的相互關系，使建樹的思路清晰，邏輯縝密，從而使建立的故障樹布局合理，便于分析和理解。

按照以上造成系統故障的三個典型功能故障（頂事件）逐級分解至基本元部件，確定造成功能故障的底事件，參考SELFJECTOR系列使用說明書，其具體分析結果如表1、表2、表3所示[4]。

3.限定邊界條件

與任何其他建模技術一樣，故障樹的邊界條件必須明確限定。限定故障樹的邊界條件的目的主要是設定合理的分析范圍，減少不必要的分析過程，從而能抓住故障的主要矛盾，迅速確定故障位置。

根據設備實際運行工況，此故障樹的邊界條件設置如下：

（1）考慮人為因素的影響；

（2）由于HIDENS系統可靠性較高，因此暫不考慮控制系統的故障；

（3）各流體管路連接正常；

（4）各電路接口和線路正常；

（5）考慮環境的影響，例如船體振動等。

表1 異常流出功能故障分析

表2 排出不良功能故障分析

表3 異常振動功能故障分析

4.建立故障樹

根據上述限定的邊界條件和表1、表2、表3的分析結果，分別畫出三種功能故障樹模型如圖2、圖3、圖4所示。在建立模型以后，應對故障樹進行整體仔細核查，刪減其中相同的事件，合并邏輯門，進一步簡化模型。

5.故障樹的應用

在建立了設備的故障樹模型后，我們可以方便地應用故障樹模型進行故障診斷。

案例分析1：某船同品牌分油機在運行中發生無法排渣的現象。利用上述“排出不良”的故障樹模型（如圖3所示）進行故障診斷。

首先對該故障樹模型進行基本的定性分析。利用上行法求得該模型的布爾代數表達式為

根據該布爾表達式，可求出該模型有13個最小割集，表示造成分油機無法排渣的故障模式有13種。

再根據式（2）求出所有底事件的結構重要度的近似值。

其中：I（j）為基本事件nj結構重要度的近似值；Kr為第r個最小割集；mj為包含nj的最小割集的基本事件數量。[3]

因此該故障模型的底事件的結構重要度為

根據式（3）可知各底事件的結構重要度數值相等，因此導致該類型故障的所有底事件具有相同的重要性。

根據上述定性分析的結果，在不擴大檢修范圍的原則下，先將分油機的控制模式轉至手動控制。從故障樹頂事件f2出發，首先進行手動排渣操作，判斷開閥電磁閥SV1是否正常動作。經操作確認電磁閥SV1動作正常，因此可以排除中間事件n1。繼續從n2事件向下查找。對分離筒進行整體吊離縱軸，檢查配水裝置出水量情況。發現出水量正常，因此排除中間事件n7，從中間事件n13處繼續向下查找。檢查主閥體的密封圈和活絡情況，基本可以排除n14和n15兩個底事件。最后將故障定位在先導閥組件的兩個底事件n16和n17。

該先導閥組件是三菱SJ系列分油機在結構上的獨特部分，其結構可參考圖5。兩只先導閥組對角安裝在回轉體上隨回轉體高速旋轉。在密封階段，先導閥體產生的離心力使閥芯壓緊在密封墊上形成密封，閉閥水進入密封水腔產生向上的推力，使主閥體上移關閉排渣口。在排渣階段，開閥水從開啟水流道大量進入先導閥體的左腔，其產生向內的推力大于閥芯產生的離心力，從而使先導閥向內移動，打開密封面，將密封水腔的水通過排水口泄放掉。主閥體下移打開排渣口，分油機排渣完成。

根據以上的診斷，故障應該是先導閥引起的。通過解體先導閥組，發現其閥腔內有少量水垢且O形密封圈已經磨損。清潔閥腔，更換O形密封圈后，故障排除，排渣功能恢復正常。

案例分析2：某船同類型分油機在運行過程中發生排渣口異常排出的故障報警。

查閱HIDENS系統的報警信息，顯示該分油機并未發生輕液出口水分超標的報警，因此可以排除水分超標產生的連續排渣。在系統轉換至手動操作模式后仍然在建立水封短時運行后發生自動排渣的情況。根據故障樹模型（圖2）及上述定性分析結果，基本確定發生在中間事件l14上。解體分油機后，檢查配水裝置出水情況正常，進一步排除中間事件l25。再根據故障樹所示，檢查主閥體的動作情況，未發現主閥體卡阻，排除中間事件l30。

到此故障只剩下先導閥組件和排水口情況。通過檢查，發現排水口通暢。那么問題發生在先導閥組上。最后發現主要是先導閥組的密封墊老化，造成密封不良，在密封水進入密封水腔抬起主閥體后，密封水腔的水從先導閥組的密封面處緩慢泄漏，最終導致在分離過程中排渣口異常打開。

通過以上兩個案例可以發現，該型分油機的先導閥由于尺寸限制、工作條件等各種因素影響，在運行中存在較高的故障率，因此在每次的拆解保養過程中應加強檢查，及時了解該部件的實際狀況，根據需要更換易損零件，提前預防此類故障的發生。