離心泵可靠性分析及可靠度估算探討
2021-08-16 13:53:23力士霸泵業
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摘 要：本文從可靠性、可靠度定義著手，簡要回顧了可靠性工程的發展歷史，著重介紹了離心泵可靠性指標的選擇及確定、產品可靠性分析的方法及基本步驟，并以實際案例嘗試給出一種離心泵可靠性分析及可靠度的計算方法。
關鍵詞：離心泵 可靠性 可靠度 分析 估算
背景
隨著社會的發展、科技的進步，人們對健康、環保、安全等方面的要求越來越高。作為通用機械的離心泵、特別是重要工況離心泵（如核電站、火電廠、石化等關鍵用泵）的各項指標也越來越受到人們的關注，其中最關鍵的一個指標是產品的可靠性。這可以從近些年來的一些大型項目招標文件中得到具體體現。
在很多關鍵泵的技術規格書中通常都有這樣的要求，如：投標方應提供高質量的設備，這些設備應是成熟可靠、技術先進的產品；……應保證泵具有較高的運行效率和可靠性；投標方提供的設備應為全新的、先進的、成熟的、完整的和安全可靠的……
實際工程應用中，如何對產品的可靠性或可靠度進行分析和評估？目前，在我國離心泵行業招標過程中基本沒有涉及，只是在少數重要項目（如核電站關鍵用泵）的招標文件中要求泵制造商提供其產品的可用率數據。
文章從可靠性、可靠度定義著手，首先回顧了可靠性工程的發展歷史，著重介紹了離心泵可靠性指標的選擇及確定、可靠性分析的方法及基本步驟，并以實際案例嘗試給出一種離心泵可靠性分析及可靠度的評估（估算）方法。僅供同行們探討、參考。
名詞及術語
1.1 可靠性
在規定的條件下和規定的時間區間內，完成規定功能的能力，稱為產品的可靠性。
產品的可靠性定義包括下列四要素：
1） 規定的時間；
2） 規定的環境和使用條件；
3） 規定的任務和功能；
4） 具體的可靠性指標。
產品實際使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是產品設計制造者必須確立的可靠性，即在設計、制造階段所確立的可靠性；使用可靠性是指已生產的產品，經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維護等因素影響的可靠性。
1.2 可靠度
可靠度是“產品在規定的條件下和規定的時間區間內，完成規定功能”的概率（有些國外文獻將其稱為“可靠性系數”），它是時間的函數，記為R(t)。即：
R(t) = P(T>t) = 1 - F(t)
式中，T為產品的壽命；t為規定的時間；F(t)為產品在規定時間t時的不可靠度，即失效率或失效概率。
產品可靠度數值0.00表示無可靠性，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，因為小于該值表明泵的可靠性不足。而對于一些重要用泵，其可靠度通常要求在0.95以上。
【示例】某型號軸承100只，在恒定載荷下，工作100小時后失效了16只；工作400小時后失效了28只，則工作100小時和工作400小時后的軸承可靠度分別為：
R(100) =（100 – 16）/100 = 0.84；R(400) =（100 – 28）/100 = 0.72。
可靠度一般分成兩個層次：組件可靠度和系統可靠度。組件可靠度是指構成產品的不同的零件或部件的可靠度；而系統可靠度是指各組件所組成的整個系統的整體可靠度。
可靠性工程的歷史
可靠性工程是第二次世界大戰后發展起來的一門新興學科。第二次世界大戰和朝鮮戰爭期間，美國軍事部門的產品在使用和儲存期間失效率很高，引起了有關部門對可靠性問題的高度重視。
美國國防部在1952年成立了專門機構研究電子設備的可靠性，1957年發表了著名的“軍用電子設備的可靠性”報告，提出了在產品研制、生產過程中對可靠性進行試驗和鑒定的方法和電子產品在生產、包裝、儲存、運輸等方面要注意的問題及要求。這個報告奠定了可靠性理論的基礎。從此，可靠性工程發展成為一門獨立的、多學科的交叉學科。
20世紀60年代，隨著航空航天工業的迅速發展，可靠性設計和試驗方法被接受并應用于航空電子系統中。
我國從20世紀60年代到70年代開始，在國防、電子工業部門進行可靠性研究工作。機械行業從20世紀80年代開始進行可靠性工作，把提高產品可靠性水平作為提高產品實物質量的核心，對老產品進行可靠性限期考核達標，對新產品進行可靠性設計，規定產品標準必須有可靠性指標和內容[1]。
今天，可靠性工程早已從軍工企業發展到民用電子信息、機械裝備、交通、能源等行業，可靠性知識已成為人們的基本常識，許多產品明確了可靠性定量指標。
離心泵可靠性指標的選擇及指標水平高低的確定
3.1 離心泵可靠性指標的選擇
JB/T 6881-2006標準[2]規定：
1）可以修復的泵產品可靠性指標應選用平均無故障工作時間（MTBF）和平均檢修壽命（MOL）。
2）某些原則上雖然可修復但是進行處理很不方便或很困難甚至是不可能修復的泵，可以當成不可修復產品處理（如深井泵和某些船用泵等），其可靠性指標選用失效前平均工作時間（MTTF）。
3）當有條件收集到泵維修數據的情況的，除上述1）和2）外，指標可同時選用平均修復時間（MTTR）和有效度A（t）。
工程上習慣稱有效度為可用率，當故障間隔時間和維修間隔時間服從指數分布（即事件以恒定平均速率連續且獨立地發生的過程）時，可用率為：
4） 當考核泵的零、部件時（如葉輪、機械密封等），除了選用以上的指標外，可靠性指標還可選用可靠度R（t）。
3.2 離心泵可靠性指標水平高低的確定
指標水平高低的確定原則：
1）根據使用工況及產品（在系統中）的重要程度。例如，涉及到人身安全、環境災難、重大財產損失的產品，要求高可靠性及可靠度。
2）用戶或市場競爭要求。例如，為了取得市場競爭優勢，可靠性比同類產品高一些。
3）現有技術水平和使用要求。例如，新研發的產品，初期可給出大概的可靠性指標，然后在研制中修改完善。
泵可靠性判定和分析的方法
泵的可靠性可通過“可靠性測定試驗”來判定，也可以通過分析的方法來判定。其中，泵可靠性測定試驗可參見JB/T6881-2006標準，在此不再贅述。
可靠性分析是指利用邏輯、歸納、演繹的方法對可能會發生的故障進行分析，研究失效（故障）的原因、后果及影響、嚴重程度，從而為產品設計提供改進建議。
4.1 組件可靠性
組件可靠性分析，就是分析泵與零部件之間的邏輯關系，將泵的可靠性指標分解到各個零部件，或根據零部件的可靠性來估算組件的可靠性。
離心泵（泵頭）可以看成一個組件，一般由：泵殼體零部件、轉子部件（包括泵軸、葉輪、軸套及平衡機構等）、密封部件和軸承部件等由一百多零件至數百零件組成，其中任何一個零部件失效，離心泵就失效。因此，離心泵（泵頭）屬于一個串聯系統，即屬于串聯故障模式。
離心泵的可靠度為所有零部件可靠度的乘積。可表示為：
組件可靠性分析的方法，其實就是統計分析。根據同種/同類泵型在相同或相近的工況運行的業績或者經過大量可靠性試驗，統計不同零部件的失效情況來分析（估算）其可靠度。
4.2 系統可靠性
對于系統可靠性分析，常用的方法有兩種：故障模式、影響及危害分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）。
FMECA包括：失效模式分析（FMA）、失效影響分析（FEA）和失效危害分析（FCA），它是一種系統化的故障預想技術，運用歸納的方法系統地分析產品設計可能存在的每一種故障模式及其產生的后果和危害的程度。
FTA是指在系統設計過程中通過對可能造成系統失效的各種因素、系統失效原因的各種可能組合方式或其發生的概率，以計算系統失效概率，然后采取相應的糾正措施，以提高系統可靠性的一種設計方法。
兩種分析方法各有所長，相輔相成，常常綜合兩種方法進行可靠性分析[3]。
離心泵系統可靠度相對比較復雜，特別是對于新設計的產品，變量太多，很多系統中同時包含串聯故障模式和并聯故障模式。可根據設計和實際工程應用經驗（包括他人經驗），對系統中各組件的失效概率給出預測和/或統計值，并參考以下步驟進行分析。
系統可靠性分析的步驟[4]
不同的分析方法，分析的步驟各不相同。
5.1 FMECA分析步驟
FMECA法的基本步驟是按照FMECA表格逐項分析和填表，其典型表格形式見表1。
表1 FMECA分析表
（1） 零部件名稱：將進行FMECA分析的零部件的名稱列出一張清單。
（2） 功能：給零部件所執行的功能編寫一簡要說明。這個說明既要包括零部件的固有功能，也應包括其有關接口設備的相互關系。
（3） 失效模式：零部件所有可能的失效表現形式。
（4） 失效后果等級：分析失效模式出現對系統工作、功能或狀態所引起的各種后果。后果一般分成四級：Ⅰ級（災難性的）、Ⅱ級（關鍵性的）、Ⅲ級（邊緣的）和Ⅳ級（次要的）。
（5） 概率等級：失效模式出現的概率是以某一失效模式出現次數除以全系統的失效次數來計算。可將這一概率劃分為五個等級：A級（經常的，概率大于20%）、B級（相當可能的，概率為10%~20%）、C級（偶然的，概率為1%~10%）、D級（小的，概率為1%~10%）、E級（極不可能的，概率小于1%）。
（6） 致命度：根據失效等級和概率等級，致命度分為以下四級：1級（ⅠA）、2級（ⅠB、ⅡA）、3級（ⅠC、ⅡB、ⅢA）和4級（ⅠD、ⅡC、ⅡD、ⅢB、ⅢC、ⅢD、ⅣA、ⅣB、ⅣC、ⅣD、ⅠE、ⅡE、ⅢE、ⅣE）。
（7） 預防措施：針對各種失效模式及影響提出可能的預防措施。
5.2 故障樹分析的主要步驟
離心泵可靠度估算示例
制造商和用戶面臨的最大挑戰是如何提高產品的可靠性。對于該議題請參考文獻[5]。
影響離心泵運行可靠性/可靠度的因素很多，但對于一個成熟產品來說，其可靠性/可靠度影響的因素基本可以確定，其主要體現在機械密封、軸承、耐磨環、密封圈及墊、泵軸、葉輪、軸套等零部件上。而這些零部件的可靠度的估算應基于實際應用經驗 – 即對相同泵型在相同或相似工況應用中這些零部件的實際使用情況進行收集、匯總，在統計出各個零部件的可靠度后，則可以估算出離心泵泵頭（不包括驅動設備及聯軸器）的可靠度。
現以某系統中BB2型離心泵為例，具體要求如下：
機械密封壽命不低于16000小時（兩年）；
軸承壽命不低于40000小時（5年）；
耐磨環壽命不低于40000小時（5年）；
密封圈及墊壽命不低于一個大修周期（3年）；
泵軸、葉輪及軸套的壽命不低于80000小時（10年）。
除了上述易損件及正常磨損件以外，要求泵整體設計使用壽命不低于20年。
該泵為成熟產品，可以修復。
通過查詢其以往的維修記錄后，可得出各零部件的平均無故障工作時間（MTBF）和平均檢修壽命（MOL）。則可換算出其在規定的時間內各故障的類別發生失效的概率及可靠度，匯總如表2。
表2 – 故障的類別、失效概率及可靠度匯總表
由此，根據組件可靠度計算公式，可以估算出該泵的可靠度為R(t)：
R(t) = 0.978 × 0.995 × 0.990 × 0.989 × 1.000 ≈ 0.953
總結
目前，在我國離心泵行業招標過程中，還很少涉及可靠性分析和可靠度估算。
離心泵的可靠性可通過“泵可靠性測定試驗”來判定，也可以通過分析的方法來判定。
離心泵泵頭是由不同零部件組成的一個串聯系統，屬于串聯故障模式。
對于成熟產品來說，可靠性分析和可靠度估算是基于對產品以往應用經驗的統計；對于新設計的產品，可根據設計和實際工程應用經驗（包括他人經驗），基于對系統中各組件可能故障的概率給出預測和/或統計值進行分析和評估。
作者：謝小青1 陳廣福2 李艷杰3
參考文獻
[1] 金樹德，陳次昌，現代水泵設計方法，兵器工業出版社，1993年5月
[2] JB/T 6881-2006，泵可靠性測定試驗
[3] 黃維明，企業質量成本控制方法與實踐，中國標準出版社，2009.03
[4] 徐穎強，產品可靠性設計與分析，2016.6，DOC88.COM
[5] 謝小青，如何打造高可靠性離心泵，泵工程師，2020年12月號總第84期，P30-35
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