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离心泵可靠性分析及可靠度估算探讨

来源:泵友圈作者:谢小青  陈广福  李艳杰

泵友圈法律顾问

北京市京师律师事务所 王璠律师/公司法律顾问

作者:谢小青1   陈广福2   李艳杰3

1. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司

2. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司

3. 吉林省宇琦泵业有限公司

摘 要:本文从可靠性、可靠度定义着手,简要回顾了可靠性工程的发展历史,着重介绍了离心泵可靠性指标的选择及确定、产品可靠性分析的方法及基本步骤,并以实际案例尝试给出一种离心泵可靠性分析及可靠度的计算方法。


关键词:离心泵   可靠性   可靠度   分析   估算

背景



随着社会的发展、科技的进步,人们对健康、环保、安全等方面的要求越来越高。作为通用机械的离心泵、特别是重要工况离心泵(如核电站、火电厂、石化等关键用泵)的各项指标也越来越受到人们的关注,其中最关键的一个指标是产品的可靠性。这可以从近些年来的一些大型项目招标文件中得到具体体现。


在很多关键泵的技术规格书中通常都有这样的要求,如:投标方应提供高质量的设备,这些设备应是成熟可靠、技术先进的产品;……应保证泵具有较高的运行效率和可靠性;投标方提供的设备应为全新的、先进的、成熟的、完整的和安全可靠的……


实际工程应用中,如何对产品的可靠性或可靠度进行分析和评估?目前,在我国离心泵行业招标过程中基本没有涉及,只是在少数重要项目(如核电站关键用泵)的招标文件中要求泵制造商提供其产品的可用率数据。


文章从可靠性、可靠度定义着手,首先回顾了可靠性工程的发展历史,着重介绍了离心泵可靠性指标的选择及确定、可靠性分析的方法及基本步骤,并以实际案例尝试给出一种离心泵可靠性分析及可靠度的评估(估算)方法。仅供同行们探讨、参考。


名词及术语


1.1   可靠性


在规定的条件下和规定的时间区间内,完成规定功能的能力,称为产品的可靠性。


产品的可靠性定义包括下列四要素:


1)   规定的时间;

2)   规定的环境和使用条件;

3)   规定的任务和功能;

4)   具体的可靠性指标。


产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性,即在设计、制造阶段所确立的可靠性;使用可靠性是指已生产的产品,经过包装、运输、储存、安装、使用、维护等因素影响的可靠性。


1.2   可靠度


可靠度是“产品在规定的条件下和规定的时间区间内,完成规定功能”的概率(有些国外文献将其称为“可靠性系数”),它是时间的函数,记为R(t)。即:


R(t) = P(T>t) = 1 - F(t)


式中,T为产品的寿命;t为规定的时间;F(t)为产品在规定时间t时的不可靠度,即失效率或失效概率。


产品可靠度数值0.00表示无可靠性,可靠度值1.00表示完全可靠性。可接受的可靠度一般不得小于0.90,因为小于该值表明泵的可靠性不足。而对于一些重要用泵,其可靠度通常要求在0.95以上。


【示例】某型号轴承100只,在恒定载荷下,工作100小时后失效了16只;工作400小时后失效了28只,则工作100小时和工作400小时后的轴承可靠度分别为:


R(100) =(100 – 16)/100 = 0.84;R(400) =(100 – 28)/100 = 0.72。


可靠度一般分成两个层次:组件可靠度和系统可靠度。组件可靠度是指构成产品的不同的零件或部件的可靠度;而系统可靠度是指各组件所组成的整个系统的整体可靠度。


可靠性工程的历史



可靠性工程是第二次世界大战后发展起来的一门新兴学科。第二次世界大战和朝鲜战争期间,美国军事部门的产品在使用和储存期间失效率很高,引起了有关部门对可靠性问题的高度重视。


美国国防部在1952年成立了专门机构研究电子设备的可靠性,1957年发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告,提出了在产品研制、生产过程中对可靠性进行试验和鉴定的方法和电子产品在生产、包装、储存、运输等方面要注意的问题及要求。这个报告奠定了可靠性理论的基础。从此,可靠性工程发展成为一门独立的、多学科的交叉学科。


20世纪60年代,随着航空航天工业的迅速发展,可靠性设计和试验方法被接受并应用于航空电子系统中。


我国从20世纪60年代到70年代开始,在国防、电子工业部门进行可靠性研究工作。机械行业从20世纪80年代开始进行可靠性工作,把提高产品可靠性水平作为提高产品实物质量的核心,对老产品进行可靠性限期考核达标,对新产品进行可靠性设计,规定产品标准必须有可靠性指标和内容[1]。


今天,可靠性工程早已从军工企业发展到民用电子信息、机械装备、交通、能源等行业,可靠性知识已成为人们的基本常识,许多产品明确了可靠性定量指标。


离心泵可靠性指标的选择及指标水平高低的确定



3.1   离心泵可靠性指标的选择


JB/T 6881-2006标准[2]规定:


1)可以修复的泵产品可靠性指标应选用平均无故障工作时间(MTBF)和平均检修寿命(MOL)。


2)某些原则上虽然可修复但是进行处理很不方便或很困难甚至是不可能修复的泵,可以当成不可修复产品处理(如深井泵和某些船用泵等),其可靠性指标选用失效前平均工作时间(MTTF)。


3)当有条件收集到泵维修数据的情况的,除上述1)和2)外,指标可同时选用平均修复时间(MTTR)和有效度A(t)。


工程上习惯称有效度为可用率,当故障间隔时间和维修间隔时间服从指数分布(即事件以恒定平均速率连续且独立地发生的过程)时,可用率为:


4) 当考核泵的零、部件时(如叶轮、机械密封等),除了选用以上的指标外,可靠性指标还可选用可靠度R(t)。


3.2    离心泵可靠性指标水平高低的确定


指标水平高低的确定原则:


1)根据使用工况及产品(在系统中)的重要程度。例如,涉及到人身安全、环境灾难、重大财产损失的产品,要求高可靠性及可靠度。


2)用户或市场竞争要求。例如,为了取得市场竞争优势,可靠性比同类产品高一些。


3)现有技术水平和使用要求。例如,新研发的产品,初期可给出大概的可靠性指标,然后在研制中修改完善。


泵可靠性判定和分析的方法



泵的可靠性可通过“可靠性测定试验”来判定,也可以通过分析的方法来判定。其中,泵可靠性测定试验可参见JB/T6881-2006标准,在此不再赘述。


可靠性分析是指利用逻辑、归纳、演绎的方法对可能会发生的故障进行分析,研究失效(故障)的原因、后果及影响、严重程度,从而为产品设计提供改进建议。


4.1    组件可靠性


组件可靠性分析,就是分析泵与零部件之间的逻辑关系,将泵的可靠性指标分解到各个零部件,或根据零部件的可靠性来估算组件的可靠性。


离心泵(泵头)可以看成一个组件,一般由:泵壳体零部件、转子部件(包括泵轴、叶轮、轴套及平衡机构等)、密封部件和轴承部件等由一百多零件至数百零件组成,其中任何一个零部件失效,离心泵就失效。因此,离心泵(泵头)属于一个串联系统,即属于串联故障模式。


离心泵的可靠度为所有零部件可靠度的乘积。可表示为:

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组件可靠性分析的方法,其实就是统计分析。根据同种/同类泵型在相同或相近的工况运行的业绩或者经过大量可靠性试验,统计不同零部件的失效情况来分析(估算)其可靠度。


4.2    系统可靠性


对于系统可靠性分析,常用的方法有两种:故障模式、影响及危害分析(FMECA)和故障树分析(FTA)。


FMECA包括:失效模式分析(FMA)、失效影响分析(FEA)和失效危害分析(FCA),它是一种系统化的故障预想技术,运用归纳的方法系统地分析产品设计可能存在的每一种故障模式及其产生的后果和危害的程度。


FTA是指在系统设计过程中通过对可能造成系统失效的各种因素、系统失效原因的各种可能组合方式或其发生的概率,以计算系统失效概率,然后采取相应的纠正措施,以提高系统可靠性的一种设计方法。


两种分析方法各有所长,相辅相成,常常综合两种方法进行可靠性分析[3]。


离心泵系统可靠度相对比较复杂,特别是对于新设计的产品,变量太多,很多系统中同时包含串联故障模式和并联故障模式。可根据设计和实际工程应用经验(包括他人经验),对系统中各组件的失效概率给出预测和/或统计值,并参考以下步骤进行分析。


系统可靠性分析的步骤[4]



不同的分析方法,分析的步骤各不相同。


5.1    FMECA分析步骤


FMECA法的基本步骤是按照FMECA表格逐项分析和填表,其典型表格形式见表1。


表1   FMECA分析表

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(1) 零部件名称:将进行FMECA分析的零部件的名称列出一张清单。


(2) 功能:给零部件所执行的功能编写一简要说明。这个说明既要包括零部件的固有功能,也应包括其有关接口设备的相互关系。


(3) 失效模式:零部件所有可能的失效表现形式。


(4) 失效后果等级:分析失效模式出现对系统工作、功能或状态所引起的各种后果。后果一般分成四级:Ⅰ级(灾难性的)、Ⅱ级(关键性的)、Ⅲ级(边缘的)和Ⅳ级(次要的)。


(5) 概率等级:失效模式出现的概率是以某一失效模式出现次数除以全系统的失效次数来计算。可将这一概率划分为五个等级:A级(经常的,概率大于20%)、B级(相当可能的,概率为10%~20%)、C级(偶然的,概率为1%~10%)、D级(小的,概率为1%~10%)、E级(极不可能的,概率小于1%)。


(6) 致命度:根据失效等级和概率等级,致命度分为以下四级:1级(ⅠA)、2级(ⅠB、ⅡA)、3级(ⅠC、ⅡB、ⅢA)和4级(ⅠD、ⅡC、ⅡD、ⅢB、ⅢC、ⅢD、ⅣA、ⅣB、ⅣC、ⅣD、ⅠE、ⅡE、ⅢE、ⅣE)。


(7) 预防措施:针对各种失效模式及影响提出可能的预防措施。


5.2   故障树分析的主要步骤

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离心泵可靠度估算示例



制造商和用户面临的最大挑战是如何提高产品的可靠性。对于该议题请参考文献[5]。


影响离心泵运行可靠性/可靠度的因素很多,但对于一个成熟产品来说,其可靠性/可靠度影响的因素基本可以确定,其主要体现在机械密封、轴承、耐磨环、密封圈及垫、泵轴、叶轮、轴套等零部件上。而这些零部件的可靠度的估算应基于实际应用经验 – 即对相同泵型在相同或相似工况应用中这些零部件的实际使用情况进行收集、汇总,在统计出各个零部件的可靠度后,则可以估算出离心泵泵头(不包括驱动设备及联轴器)的可靠度。


现以某系统中BB2型离心泵为例,具体要求如下:


  • 机械密封寿命不低于16000小时(两年);

  • 轴承寿命不低于40000小时(5年);

  • 耐磨环寿命不低于40000小时(5年);

  • 密封圈及垫寿命不低于一个大修周期(3年);

  • 泵轴、叶轮及轴套的寿命不低于80000小时(10年)。


除了上述易损件及正常磨损件以外,要求泵整体设计使用寿命不低于20年。

该泵为成熟产品,可以修复。


通过查询其以往的维修记录后,可得出各零部件的平均无故障工作时间(MTBF)和平均检修寿命(MOL)。则可换算出其在规定的时间内各故障的类别发生失效的概率及可靠度,汇总如表2。

表2 – 故障的类别、失效概率及可靠度汇总表

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由此,根据组件可靠度计算公式,可以估算出该泵的可靠度为R(t):


R(t) = 0.978 × 0.995 × 0.990 × 0.989 × 1.000 ≈ 0.953


总结



目前,在我国离心泵行业招标过程中,还很少涉及可靠性分析和可靠度估算。

离心泵的可靠性可通过“泵可靠性测定试验”来判定,也可以通过分析的方法来判定。


离心泵泵头是由不同零部件组成的一个串联系统,属于串联故障模式。


对于成熟产品来说,可靠性分析和可靠度估算是基于对产品以往应用经验的统计;对于新设计的产品,可根据设计和实际工程应用经验(包括他人经验),基于对系统中各组件可能故障的概率给出预测和/或统计值进行分析和评估。


参考文献


[1] 金树德,陈次昌,现代水泵设计方法,兵器工业出版社,1993年5月

[2] JB/T 6881-2006,泵可靠性测定试验

[3] 黄维明,企业质量成本控制方法与实践,中国标准出版社,2009.03

[4] 徐颖强,产品可靠性设计与分析,2016.6,DOC88.COM

[5] 谢小青,如何打造高可靠性离心泵,泵工程师,2020年12月号总第84期,P30-35


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