基于故障樹分析方法的化工離心泵常見故障研究

李磊磊，高勇強(qiáng)，馬 驥，史家同

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶石化公司，陜西咸陽(yáng) 712000）

離心泵機(jī)組是煉化企業(yè)重要且普遍存在的組成部分，承擔(dān)著為化工生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定輸送物料的重任，所處工藝環(huán)境復(fù)雜、工況苛刻，而且輸送介質(zhì)經(jīng)常是易燃、易爆、有毒、有害物質(zhì)［1］，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系裝置的正常生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益和人員安全，采取合適的方法做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理非常必要。文中采用故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)［2］方法對(duì)離心泵常見故障進(jìn)行可靠性分析及研究。

1 化工離心泵結(jié)構(gòu)及常見故障

1.1 結(jié)構(gòu)組成

單級(jí)化工離心泵結(jié)構(gòu)組成見圖1。化工離心泵主要由泵殼、機(jī)封、葉輪、軸承及平衡裝置組成［3］。離心泵需要在開始工作前灌泵，使液體充滿泵殼。葉輪多為封閉式，負(fù)責(zé)將機(jī)械能輸送到流體中。葉輪、軸與泵殼之間有密封件，起防止液體泄漏作用。軸和軸承結(jié)構(gòu)可防止葉輪在正背面受到不同壓力時(shí)的振動(dòng)和磨損。離心泵工作時(shí)，葉輪在泵軸的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，將液體從中心拋出，此時(shí)，葉輪的中心出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)壓，液體從泵的進(jìn)口流到葉輪的中央，泵不停地旋轉(zhuǎn)，將液體抽出來(lái)［4］。

圖1 單級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)組成示圖

1.2 常見故障

煉化企業(yè)生產(chǎn)通常為連續(xù)狀態(tài)，離心泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)發(fā)生一些常見故障。例如，泵體振動(dòng)較嚴(yán)重、異常聲響、電流電壓異常、軸承發(fā)熱嚴(yán)重、流量不足等［5］。長(zhǎng)慶石化公司離心泵故障維修記錄的多種常見故障及其代號(hào)見表1。

表1 長(zhǎng)慶石化公司離心泵常見故障

2 故障樹分析法理論

2.1 故障樹建立

故障樹分析法是一種自上而下的圖形推理法［6］，由H.A.Watson 等人在1961年提出，F(xiàn)TA 能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)隱藏的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和安全性分析，是進(jìn)行故障識(shí)別、可靠性分析的有效方法和手段。

化工裝置的故障診斷需要有一定的維修經(jīng)驗(yàn)，還需要對(duì)裝置的組成和工作狀態(tài)有很好的了解，這些都符合故障樹的實(shí)際應(yīng)用特征，因此運(yùn)用FTA 對(duì)系統(tǒng)的薄弱部分進(jìn)行分析，對(duì)了解指導(dǎo)設(shè)備的操作與維護(hù)具有重要的意義和作用［7］。故障樹法分析流程見圖2。

圖2 故障樹法分析流程

故障樹以故障現(xiàn)象為頂事件，按系統(tǒng)、組件、零件方式進(jìn)行分層，以失效的根源作為底事件，用事件符號(hào)將其關(guān)系以樹狀的形式表示出來(lái)。常用的故障樹符號(hào)見表2。

表2 常用故障樹符號(hào)

2.2 定性分析

故障樹的定性分析是進(jìn)行定量計(jì)算的前提，它的主要目的是找出頂部事件故障產(chǎn)生的全部原因及組合，也就是要找出故障樹最小割集。割集是由底事件組成的，當(dāng)?shù)资录渴r(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頂部事件故障的出現(xiàn)。如果去掉其中的任何一個(gè)底事件就不能是割集，那么這個(gè)集合就是最小割集［8］。復(fù)雜系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)通常伴隨著多個(gè)底事件，最小割集是頂事件發(fā)生的充分必要條件，每個(gè)最小割集都可能導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，而系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)與最小割集的數(shù)目相關(guān)［9］。因此，定性分析尋找最小割集能確定系統(tǒng)的主要故障模式，識(shí)別出易發(fā)生故障的關(guān)鍵部件，為設(shè)備部件的維護(hù)和故障識(shí)別提供可靠依據(jù)。

2.3 定量分析

故障樹定量分析能夠根據(jù)所有原因事件發(fā)生的概率估算求出頂事件發(fā)生概率，進(jìn)而也能計(jì)算得到各基本事件導(dǎo)致頂事件發(fā)生的影響程度及系統(tǒng)主要部件的可靠性指標(biāo)［10］。

將最小割集看作獨(dú)立事件且最小割集中不存在多次發(fā)生的底部事件，設(shè)故障樹有n 個(gè)最小割集，則頂事件T 發(fā)生的概率P(T)為：

設(shè)底事件Xm發(fā)生的概率為P（Xm）（m=1,2，…，Ci），則包含底事件Xm的最小割集Ci的概率P(Ci)為：

式中：m 為最小割集Ci的階級(jí)。

設(shè)最小割集Ci的概率重要度為ICi，底部事件Xm的概率重要度為IXm，則ICi、IXm分別表達(dá)如下：

根據(jù)計(jì)算的底事件發(fā)生概率值和最小割集的重要性次序，從大到小依次排列所有底事件，可以得到底事件排序。依據(jù)事件的嚴(yán)重性，可以采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2.4 可靠度［11］

可靠度是指在規(guī)定的條件下和時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品完成指定功能的可能性。可靠度是時(shí)間的函數(shù)，記為R（t），即：

式中：T＇為產(chǎn)品的壽命；t 為規(guī)定的時(shí)間；F（t）為產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間t 時(shí)的不可靠度，即失效率或失效概率。

離心泵可以看成一個(gè)組件，其可靠度是各部件可靠度的乘積，可表示為：

3 離心泵故障樹分析

3.1 故障樹建模

根據(jù)表1 中化工離心泵常見故障描述，以最不希望離心泵出現(xiàn)故障為頂事件，以異常振動(dòng)和噪聲、排量為0、原動(dòng)機(jī)過(guò)載、系統(tǒng)外泄、流量不足和軸承發(fā)熱等6 類（分別用E1～E6表示）故障作為子樹，同時(shí)以E2包括的排壓為封閉壓力、吸入真空大、真空不足和排壓低為4 個(gè)中間事件(分別用E7～E10表示)，建立故障樹模型，見圖3。

圖3 離心泵故障樹圖模型

3.2 定性分析［12］

基于離心泵故障樹模型，運(yùn)用下行法求出故障樹的最小割集并進(jìn)行布爾運(yùn)算。頂部事件P=E1+E2+E3+E4+E5+E6，中間事件E1=X1+X2+X3+X4+X5+X6，E2=E7+E8+E9+E10，E3=X7+X8+X9+X10+X11，E4=X25+X26，E5=X27+X28+X29+X30，E6=X12+X13+X14，E7=X15+X16，E8=X17+X18+X19，E9=X20+X21，E10=X22+X23+X24。由于各底事件相互獨(dú)立，可知離心泵故障樹最小割集共有30 個(gè)(X1～X30),且每一個(gè)都表示可能導(dǎo)致離心泵故障的原因和失效機(jī)理。

3.3 定量分析

3.3.1 發(fā)生概率計(jì)算

離心泵故障類別繁雜，發(fā)生故障的條件各不相同，無(wú)法直接得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。通過(guò)分析零部件維修記錄及估算故障發(fā)生頻率這2 種途徑統(tǒng)計(jì)最小割集包含的底部事件，以固定機(jī)泵區(qū)域1 a 時(shí)間發(fā)生的故障樹為總量，計(jì)算所有底部事件發(fā)生概率，結(jié)果見表3。

表3 離心泵故障樹底部事件發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)

已知各底部事件的發(fā)生概率之后，根據(jù)式（1）計(jì)算離心泵故障頂部事件和各中間事件的失效概率。以異常振動(dòng)和噪聲發(fā)生概率P（E1）為例，P（E1）=1-［1-P(X1)］［1-P(X2)］［1-P(X3)］［(1-P(X4))［1-P(X5)］［1-P(X6)］=1-0.948=0.052。同理，得到所有中間事件失效概率，見表4。

表4 離心泵故障樹各中間事件失效概率計(jì)算結(jié)果

3.3.2 重要度計(jì)算

計(jì)算各底部事件的重要度，即底部事件對(duì)頂部事件發(fā)生概率的影響程度，能夠進(jìn)一步確定泵故障預(yù)防的重點(diǎn)，對(duì)減少事故發(fā)生有著重要意義［13］。對(duì)于一階割集，其重要度與對(duì)應(yīng)底部事件的重要度一致。以中間事件E1的重要度IE1為例，根據(jù)式（3）可得到IE1=P (E1)/P (T)=0.052/0.304 1=0.171 0。同理，計(jì)算各最小割集的概率重要度，結(jié)果見表5。

表5 離心泵故障樹中間事件概率重要度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，排量及流量問(wèn)題是離心泵故障的重要事項(xiàng)，會(huì)導(dǎo)致流量不穩(wěn)甚至不上量，造成操作波動(dòng)及機(jī)泵機(jī)封的干磨。其次，異常振動(dòng)、噪聲及電機(jī)過(guò)載等說(shuō)明機(jī)泵和電機(jī)潤(rùn)滑出現(xiàn)缺陷，引起振動(dòng)和溫度異常。因此，需建立嚴(yán)格的管理制度，強(qiáng)化日常巡檢任務(wù)，確定日常維護(hù)檢查內(nèi)容，為高危機(jī)泵加裝振動(dòng)、溫度等傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，減小機(jī)泵故障出現(xiàn)的概率。

3.3.3 可靠度計(jì)算

影響化工離心泵運(yùn)行可靠性的因素很多，但主要體現(xiàn)在機(jī)封、軸承、泵軸、葉輪等零部件上［14］。離心泵重要零部件的實(shí)際使用情況及可靠度計(jì)算值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 離心泵重要零部件可靠度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

采用表6 的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（6）估算離心泵系統(tǒng)的可靠度R（t）。

R（t）=0.978×0.995×0.991×0.984×0.983×1.000≈0.933

計(jì)算結(jié)果表明，離心泵的發(fā)展已非常成熟，可靠度較高。日常生產(chǎn)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注離心泵的機(jī)封及密封狀態(tài)，保證油杯及二級(jí)密封的油液位在正常范圍，調(diào)整隔離液油溫合適。計(jì)劃性檢維修時(shí)，可以通過(guò)更換新的機(jī)封等密封件來(lái)延長(zhǎng)機(jī)泵使用周期，使運(yùn)行更加可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

化工離心泵作為使用廣泛的動(dòng)設(shè)備，在企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)中占有重要地位，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣，故障多發(fā)而且原因多樣，有必要系統(tǒng)研究，總結(jié)常見故障，提出預(yù)防措施。故障樹分析可對(duì)離心泵設(shè)備易出現(xiàn)故障的脆弱部件及日常檢修提供指導(dǎo)并提前制定預(yù)防措施，有效提高設(shè)備運(yùn)行的可靠度，確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行，促進(jìn)企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，維護(hù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文中建立了化工離心泵常見故障模型，通過(guò)定性分析系統(tǒng)故障和定量計(jì)算各底部事件和頂部事件的失效概率，得到了各底事件在離心泵系統(tǒng)的重要度，估算了零部件和系統(tǒng)的可靠度，可為化工離心泵常見故障的處理提供參考。