船海工程液壓潛液泵系統可靠性分析與設計*

陳長欽，王 琰，矯 艷，常百津，趙雷剛，丁洪志，李美玉

（1.海油能源發展股份有限公司，天津 300425；2.武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084）

0 引言

液壓潛液泵系統作為船海工程化學品船、成品油船、FPSO用于將液貨艙內的液貨向外部輸送的泵送設備，卸載介質包括液態化學品、成品油、原油等。由于輸送介質易燃易爆，其工作過程具有非常高的風險性，同時其故障將導致液貨不能按時、正常卸載，對船舶經營者將產生較大經濟損失，要求液壓潛液泵系統設計壽命周期內，不會出現I 類（引起人員死亡或產品毀壞、重大環境損害）、Ⅱ類（引起人員的嚴重傷害或重大經濟損失或導致任務失敗、產品嚴重損壞及嚴重環境損害）故障而影響外輸安全。潛液泵系統的使用環境，決定了其需具有非常高的工作可靠性，工作性能應在規定時間內得到保證，同時部件應具有免維護性［1－2］。

潛液泵系統可靠性設計將針對潛液泵系統建立可靠性模型，制定可靠性指標，進行可靠性分析，消除潛液泵系統壽命薄弱環節，采用有效的科學性設計方法，減少產品故障的發生，最終實現可靠性的要求。

1 可靠性設計基本流程

1.1 系統組成

液壓潛液泵系統主要由4 部分組成：潛液泵、液壓系統、電控系統、系統附件。潛液泵承擔液貨卸載，液壓系統為潛液泵提供驅動動力及液壓控制，電氣系統實現潛液泵、液壓系統監測與控制，系統附件為潛液泵系統安裝、維護工具。如圖1所示。

圖1 液壓潛液泵系統

1.2 可靠性設計流程

液壓潛液泵系統可靠性設計目標是在設計壽命周期內，不會出現I 類、Ⅱ類（參考GJB1391 －2006 進行定義）故障而影響船海工程正常外輸［3］。結合液壓潛液泵系統產品特點，并依據可靠性設計相關標準規范、制定液壓潛液泵系統可靠性設計基本流程，如圖2 所示［4－6］。

圖2 液壓潛液泵系統可靠性設計基本流程

2 FMEA可靠性分析

2.1 FMEA分析步驟

FMEA即“故障模式和影響分析”，是生產過程中一項事前預防的分析手段。FMEA 方法以表格形式分析當系統最基本構成零件或構件發生故障時，會對上層子系統或系統造成何種影響。通過FMEA分析可以確定故障原因，并通過對策來消除故障原因，降低故障影響［7－8］。FMEA 的基本分析步驟如圖3所示。

圖3 FMEA分析步驟

2.2 液壓潛液泵系統FMEA分析

2.2.1 系統定義

系統定義主要包括確定產品的任務功能和工作方式、定義產品約定層次、制定產品的編碼體系、繪制產品方框圖、確定產品的故障判據等。

（1）確定產品的功能和工作方式

在進行系統定義時，應對產品的功能進行準確描述。以系統中液壓潛液泵為例，其設計功能是采用液壓馬達將液體壓力能轉換成液體能量的機械，液壓潛液泵用來增加液體的位能、壓能、動能（高速液流），以獲得滿足設計要求的流量和揚程的液體。

（2）定義產品約定層次

定義產品的約定層次的過程實際上是建立產品系統結構樹的過程。在FMEA 中的約定層次，劃分為“初始約定層次”、“約定層次” 和“最低約定層次”［9］。以潛液泵單元為例，經過對潛液泵的功能和結構分析，潛液泵單元主要包括泵頭組件、管柱組件和頂板組件3 部分。泵頭組件功能是將液壓動力轉化為機械能，驅動水力元件作功，向外輸送液貨介質，其所包含的零件又可分為驅動軸系組件、水力執行組件、泵罩組件、密封組件等。驅動軸系組件功能是通過液壓馬達的動力，帶動泵軸旋轉，泵軸通過輪轂帶動葉輪旋轉，軸承用于支撐泵軸；水力執行組件用于實現液貨介質的輸送；密封組件實現液壓油、密封液、貨油介質三者之間的有效隔離，并實現泵罩內部的零部件與貨油介質的隔離，實現密封、密封監測、防腐耐蝕等功能；泵罩組件用于實現驅動軸系組件的有效支撐。

（3）制定產品的編碼體系

為了對產品的每個故障模式進行統計、分析、跟蹤和反饋，應根據產品的功能及結構分解或所劃分的約定層次，制定編碼體系。以液壓潛液泵系統為例。首先定義液壓潛液泵系統編碼為000。液壓潛液泵系統包含的4 個組件潛液泵單元100、液壓系統200、電控系統300、系統附件400。下屬的組件、零件分別對應增加為第三層編碼和第四層編碼。液壓潛液泵系統可靠性編碼框圖如圖4 所示。

圖4 液壓潛液泵系統可靠性方框圖

（4）確定產品的故障判據

故障判據是判別產品故障的界限，以潛液泵單元為例潛液泵單元的故障判據可根據基本參數要求和功能要求來確定，對應的故障判據有以下幾點：①流量達不到規定值或流量超標，或流量不穩定；②揚程達不到規定值或壓頭超標，或壓力不穩定；③調速閥調節功能失效，不能實現轉速的無極控制，或限速功能失效；④掃艙殘油量不符合設計要求；⑤密封出現泄漏；⑥泵單元不滿足貨油介質防腐耐蝕要求，或不滿足海洋環境下的防腐蝕要求；⑦振動值不滿足JB／ T8097－1999；⑧噪聲不滿足標準JB／ T8098－1999 要求。

2.2.2 故障模式及影響分析

（1）故障模式分析故障模式是故障的表現形式。故障模式的獲取方法：在進行FMEA 時，一般可以通過統計、試驗、分析、預測等方法獲取故障模式。對采用現有的產品，可從該產品在過去的使用中所發生的故障模式為基礎；對采用新的產品，可根據該產品的功能原理和結構特點進行分析、預測，或以與該產品具有相似功能和相似結構的產品所發生的故障模式作為基礎，如可以以多級葉輪式離心泵的故障模式作為基礎，來分析潛液泵的故障模式。

在進行故障模式分析時，應注意區分兩類不同性質的故障，即功能故障和潛在故障。功能故障是指產品或產品的一部分不能完成預定功能的事件或狀態。潛在故障是指產品或產品的一部分將不能完成預定功能的事件或狀態。圖5 所示為功能故障和潛在故障的關系，其中點A表示無故障；點B表示初始裂紋，不可見；點C表示潛在故障，裂紋可見；點D表示功能故障，斷裂。

圖5 功能故障和潛在故障的關系

在進行故障模式分析時還應注意，應確定和描述產品在每一種功能下的可能的故障模式，一個產品可能具有多種功能，而每一種功能又可能具有多種故障模式。在獲取潛液泵每個零件的故障模式時，可以參考已有的故障模式。如密封圈常見的故障模式為老化、塑性變形。泵軸的故障模式有：裂紋、疲勞斷裂、彎曲、塑性變形、腐蝕、磨損、振動。

（2）故障影響分析

故障影響指每一個故障模式可能造成的各種后果，這些后果既包括對產品本身的影響，也包括對操作和使用人員、公共設施、財產、環境等多方面的影響。在分析時，不僅需要確定對當前層次產品造成的影響，而且還要確定對其他層次產品的影響。GJB 1391 推薦的表格中，FMEA 應確定的故障影響包括局部影響、高一層次影響和最終影響3 項。

（3）分析結果

依據液壓潛液泵系統以及各組成模塊的功能要求。查找相關液壓潛液泵系統故障資料，詳細分析統計液壓潛液泵系統以及各組成模塊的故障模式，結合故障模式初步判定故障影響，故障影響系指每個假設的故障模式對潛液泵使用、功能或狀態所導致的后果。并根據后果判定其故障類型。液壓潛液泵系統共計梳理出22 條故障模式、潛液泵單元共計梳理出19 條故障模式、液壓系統共計梳理出25 條故障模式、電控系統共計梳理出20 條故障模式。液壓潛液泵系統部分故障模式如表1所示。

表1 液壓潛液泵系統部分故障模式

故障原因分析的主要目的是找出每個故障模式產生的原因，進而采取針對性的有效改進措施，防止或減少故障模式發生的可能性。

針對液壓潛液泵系統、潛液泵單元、液壓系統、電控系統故障模式進行詳細分析，液壓潛液泵系統16 條故障模式共計梳理出33 條故障原因；潛液泵單元19 條故障模式共計梳理出90條故障原因；液壓系統22 條故障模式共計梳理出46 條故障原因；電控系統16 條故障模式共計梳理出48 條故障原因。最后形成液壓潛液泵系統FMEA 表。液壓潛液泵系統失效模式FMEA表如表2 所示。

表2 液壓潛液泵系統失效模式FMEA表示例

3 可靠性設計

依據FMEA表中的詳細分析，系統的梳理設計過程控制預防、設計過程控制探測等措施，并形成控制策略匯總表。針對液壓潛液泵系統、潛液泵單元、液壓系統、電控系統各個故障模式的各個故障原因進行了詳細控制策略分析，液壓潛液泵系統16 條故障模式共計梳理出33 條故障原因，33 條故障原因共計梳理出20 條控制策略。控制策略主要從冗余設計、降額設計、工藝控制、主動維保、系統監測、備品備件等6 個方面進行梳理［10］。

4 可靠性試驗驗證

基于液壓潛液泵系統可靠性分析和設計，依據可靠性驗證要求，對產品進行可靠性試驗驗證，包括整機和關鍵部件可靠性試驗如圖6～7 所示。產品已連續無故障運行168 h，累積無故障運行2000 h，調試閥經過3000 次耐久性試驗驗證，經驗證系統可靠性滿足要求［11－12］。

圖6 潛液泵系統整機可靠性驗證

圖7 潛液泵系統關鍵部件調速閥可靠性驗證

5 結束語

針對液壓潛液泵系統的高危險性使用環境和高可靠性使用要求，制定了系統可靠性設計目標。通過FMEA 可靠性分析，識別了液壓潛液泵系統各部套和零件故障模式、故障原因和影響，找出了液壓潛液泵系統的薄弱環節，制定了基于可靠性分析的控制策略，包括系統冗余設計、降額設計、工藝控制、主動維保、備品備件以及系統監控6 個方面的可靠性控制措施，有效地指導產品進行可靠性試驗，保證產品可靠性。可靠性措施實施后，通過關鍵部件和整機可靠性試驗驗證，試驗結果合格，符合標準和使用要求，液壓潛液泵系統可靠性設計方法合理，能夠滿足復雜工況高風險的使用環境。