以可靠性為中心的水輪機(jī)組檢修模式研究

謝亞琴

（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012）

近年來(lái)，隨著我國(guó)水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，水電機(jī)組的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)高水頭、高轉(zhuǎn)速、高效率和大容量的趨勢(shì)，導(dǎo)致設(shè)備的維護(hù)要求日益復(fù)雜，維修費(fèi)用不斷增長(zhǎng)。隨著廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)改革的深入，設(shè)備可靠性和維修成本將成為發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要考核指標(biāo)。目前我國(guó)大中型水電廠的大部分設(shè)備處于耗損故障期或初期故障期，其故障率都比較高[1]，而傳統(tǒng)的定期檢修方式由于針對(duì)性不強(qiáng)，往往會(huì)導(dǎo)致過(guò)度檢修或檢修不及時(shí)，其弊端越來(lái)越突出。以可靠性為中心的維修 （Reliability centered Maintenance，RCM），是一種先進(jìn)的維修優(yōu)化方法，能夠分析設(shè)備的維修需求，決策最佳的維修方式。實(shí)施RCM能夠提高設(shè)備的可利用率和可靠性，保證設(shè)備安全高效運(yùn)行，同時(shí)使維修工作量和維修費(fèi)用大幅減少。美國(guó)電力研究院維修診斷中心的經(jīng)驗(yàn)表明， RCM可將設(shè)備大修周期從3～5 a延長(zhǎng)至6～8 a，甚至10 a，節(jié)省大量的檢修費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，投資回報(bào)率達(dá) 250%～1 100%，同時(shí)可減少停電時(shí)間，提高供電效率 50%以上，確保供電可靠性，提早發(fā)現(xiàn)事故隱患，避免突發(fā)故障造成的損失。

1 RCM維修理論概述

隨著設(shè)備的復(fù)雜性增加，傳統(tǒng)維修方式的維修費(fèi)用越來(lái)越大，但設(shè)備的可靠性并沒(méi)有得到提高，由此引發(fā)了對(duì)傳統(tǒng)維修思想的檢討和對(duì)故障規(guī)律和影響的分析[2]。RCM維修理論正是在這樣的背景下產(chǎn)生的，它是繼預(yù)防性維修之后，被全球認(rèn)可和廣泛推廣的一種方法和策略。

RCM以可靠性理論為依據(jù)，以對(duì)維修對(duì)象的系統(tǒng)監(jiān)控為手段，以保持運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)具有的功能或固有的可靠性為目標(biāo)，對(duì)組成系統(tǒng)的諸設(shè)備的維修需求進(jìn)行分析決策，確定檢修計(jì)劃及維修方式。RCM實(shí)施時(shí)根據(jù)零部件的可靠性特點(diǎn)，應(yīng)用邏輯決斷法，減少定期維修方式的對(duì)象數(shù)，擴(kuò)大視情維修方式，盡可能充分利用系統(tǒng)的固有可靠性來(lái)制定既安全又經(jīng)濟(jì)的維修大綱。RCM從消除設(shè)備隱含的故障原因入手，減少了設(shè)備突發(fā)事故的機(jī)會(huì)，取消了不必要的大、小修，從而降低了維修成本。

2 水輪機(jī)組RCM策略

RCM分析的一般步驟為：①確定重要功能產(chǎn)品（FSI）；②進(jìn)行故障模式影響分析 （FMEA）；③應(yīng)用邏輯決斷圖選擇預(yù)防性維修工作類(lèi)型；④系統(tǒng)綜合，形成計(jì)劃。水輪機(jī)組RCM策略，需要針對(duì)以水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主要輔機(jī)等構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)做出全面的RCM分析后，才能確定具體的檢修策略。

2.1 確定重要功能產(chǎn)品

水輪機(jī)組設(shè)備是由大量的零部件組成的，每個(gè)零部件都有其具體的功能，工作中都有可能發(fā)生故障，但有些故障后果危及到安全，有些只影響任務(wù)的完成，而且大部分故障對(duì)設(shè)備整體沒(méi)有直接影響，只須及時(shí)地予以排除，其唯一的后果就是事后修理的費(fèi)用，且修理費(fèi)用低于預(yù)防修理費(fèi)用。因此，制訂基于RCM的維修大綱時(shí)，沒(méi)有必要對(duì)所有零件逐一進(jìn)行分析，只需要針對(duì)重要功能產(chǎn)品，即那些發(fā)生故障會(huì)影響任務(wù)完成和安全性，或有重大經(jīng)濟(jì)性后果的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以是系統(tǒng)、部件或零件。具體的做法是依次列出整個(gè)水輪機(jī)組的所有產(chǎn)品，形成 “構(gòu)造樹(shù)”，然后把顯然對(duì)設(shè)備沒(méi)有嚴(yán)重后果的故障產(chǎn)品從 “樹(shù)”中略去，留下來(lái)的產(chǎn)品是必須做維修研究的產(chǎn)品。

不重要的產(chǎn)品是指其功能對(duì)設(shè)備的整體使用功能沒(méi)有重大影響，或者在設(shè)計(jì)上有余度，其功能不會(huì)影響使用能力，或者故障沒(méi)有安全性和使用性后果，很容易進(jìn)行修復(fù)，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際分析不可能發(fā)生故障的產(chǎn)品。但是隱蔽功能產(chǎn)品 （后面講述）不管它們是否重要都要求做預(yù)防性維修。因此，隱蔽功能產(chǎn)品都要做為重要產(chǎn)品。

簡(jiǎn)化的 “構(gòu)造樹(shù)”可以確定一個(gè)重要產(chǎn)品層，僅對(duì)該層次的產(chǎn)品進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。

2.2 故障模式及影響分析

通過(guò)故障模式及影響分析 （FMEA），明確產(chǎn)品的功能、故障模式、故障原因和故障影響，從而為基于故障原因的RCM決斷分析提供基本信息。

2.3 應(yīng)用邏輯決斷圖確定維修工作的類(lèi)型

對(duì)每一故障模式，RCM決斷分析首先進(jìn)行故障后果分析，以確定故障后果的種類(lèi)。這是選擇預(yù)防故障或降低故障后果設(shè)備維修策略首要解決的問(wèn)題。故障后果主要有4種：隱蔽性故障后果；安全或環(huán)境性后果；使用性后果；非使用性后果。在分析時(shí)，首先應(yīng)按隱蔽性、安全或環(huán)保性、使用性、非使用性的順序進(jìn)行分析判斷，確定故障后果的性質(zhì)。在確定故障后果后，按不同的故障后果選擇維修方式。

故障后果分析決斷主要采用邏輯決斷圖方法，通常用于選擇那些技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理的維修策略。

2.4 系統(tǒng)綜合，形成維修計(jì)劃

單項(xiàng)工作的間隔期最優(yōu)并不能保證總體的工作效果最優(yōu)，為了提高維修工作的效率，我們有時(shí)把不同維修時(shí)間間隔的維修工作組合在一起，這樣會(huì)使某些工作的頻度比其計(jì)算出的結(jié)果要高一些，但是提高工作效率所節(jié)約的費(fèi)用會(huì)超過(guò)所增加的費(fèi)用。組合工作時(shí)應(yīng)以預(yù)定的間隔期為基準(zhǔn)，盡量符合預(yù)定的間隔期，同時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的維修制度，盡可能的與現(xiàn)有的維修制度一致，把各項(xiàng)預(yù)防性維修工作按間隔時(shí)間靠入相鄰的預(yù)定間隔期，但對(duì)安全后果和任務(wù)后果的預(yù)防性維修工作靠入的預(yù)定間隔期，不應(yīng)大于其分析得到的工作間隔期。各類(lèi)預(yù)防性維修工作間隔期的確定可以參考以下數(shù)據(jù)與方法：產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)；類(lèi)似產(chǎn)品的相似數(shù)據(jù)；已有的現(xiàn)場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；有經(jīng)驗(yàn)的分析人員的分析判斷；對(duì)重要、關(guān)鍵產(chǎn)品的維修工作間隔期的確定要有模型支持和定量分析。

3 隱患檢測(cè)間隔期

3.1 隱蔽功能故障與隱患檢測(cè)

檢查并排除隱蔽功能故障是預(yù)防多重故障嚴(yán)重后果的必要措施。隱蔽功能故障包括正在工作的設(shè)備，其功能故障對(duì)操作人員是不明顯的；或者不工作的設(shè)備，將要使用時(shí)狀態(tài)是否良好，對(duì)操作人員是不明顯的。多重故障則是指由連續(xù)發(fā)生的兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立故障所組成的故障事件，它可能造成其中任一故障不能單獨(dú)引起的后果。

多重故障與隱蔽功能故障有著密切的關(guān)系，如果隱蔽功能故障沒(méi)有及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和排除，有可能會(huì)造成多重故障。例如長(zhǎng)引水系統(tǒng)電站的水輪機(jī)全油壓調(diào)壓閥，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)調(diào)壓閥是關(guān)閉的，僅在機(jī)組甩負(fù)荷或緊急停機(jī)時(shí)動(dòng)作。即正常情況，調(diào)壓閥是不工作的，只有當(dāng)需要使用它時(shí)，使用人員才發(fā)現(xiàn)它能否工作。因此，一個(gè)隱蔽功能故障本身可能沒(méi)有直接的后果，但可能增大多重故障的概率。

基于RCM策略所提出的隱蔽功能故障和多重故障概念，對(duì)多重故障的嚴(yán)重后果是可以預(yù)防的，至少可以將多重故障的概率降低到一個(gè)可以接受的水平，它取決于對(duì)隱蔽功能故障的檢測(cè)頻率和更改設(shè)計(jì)。

3.2 隱患檢測(cè)間隔周期的確定

對(duì)隱蔽功能故障的檢測(cè)稱(chēng)為隱患檢測(cè)，科學(xué)合理地確定隱患檢測(cè)間隔周期是RCM策略的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

隱患檢測(cè)間隔期的確定是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容，根據(jù)現(xiàn)有研究成果建立的模型過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用很少。在實(shí)際生產(chǎn)中，隱患檢測(cè)間隔期主要依據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的說(shuō)明書(shū)初步確定，或者參照相似設(shè)備確定。運(yùn)行一定時(shí)間后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，即通過(guò)科學(xué)地分析設(shè)備的故障、維修記錄數(shù)據(jù)，確定符合設(shè)備實(shí)際狀況的故障分布模式，從而調(diào)整和優(yōu)化原來(lái)的隱患檢測(cè)間隔期。

3.3 水輪機(jī)組隱患檢測(cè)策略模型

3.3.1 按經(jīng)濟(jì)性要求確定檢測(cè)間隔期

如果多重故障不影響使用安全性，則可按經(jīng)濟(jì)性要求來(lái)確定隱患檢測(cè)間隔期。隱患檢測(cè)間隔期過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)使系統(tǒng)在2個(gè)周期內(nèi)經(jīng)常發(fā)生功能故障，增加系統(tǒng)因功能故障引起的停機(jī)損失費(fèi)用；間隔期過(guò)短，又會(huì)造成不必要的過(guò)多檢測(cè)費(fèi)用損失。因此，我們建立隱患檢測(cè)模型來(lái)尋找最優(yōu)的檢測(cè)間隔期，使其在長(zhǎng)期運(yùn)行下的單位時(shí)間的期望損失達(dá)到最小。

隱患檢測(cè)模型建立的基本思想是針對(duì)具有隱蔽功能故障的系統(tǒng)每隔一個(gè)確定的檢測(cè)周期就對(duì)系統(tǒng)的某些狀態(tài)參量進(jìn)行一次檢測(cè)，并視具體情況進(jìn)行維修。假定Cm、Ci分別表示一次檢測(cè)和事后更換的費(fèi)用損失，f（t）、Cf表示保護(hù)裝置故障時(shí)間分布和故障造成的單位時(shí)間的損失費(fèi)用，若檢測(cè)間隔期為τ，一個(gè)檢測(cè)周期為T(mén)=（n+1）τ，當(dāng)保護(hù)裝置的壽命t滿(mǎn)足關(guān)系式：nτ

3.3.2 按安全性要求確定隱患檢測(cè)周期

如果多重故障影響到使用安全性，則隱患檢測(cè)間隔期的確定要保證隱蔽功能裝置具有所要求的可用度，從而將多重故障發(fā)生的概率控制在可接受的水平內(nèi)。

假定隱蔽功能裝置的可用度可由隱患檢測(cè)間隔期中的平均可用度來(lái)衡量。由于隱患檢測(cè)間隔期內(nèi)不進(jìn)行修理，故可用度A（t）與可靠度R（t）相等，則平均可用度為[2]

根據(jù)用戶(hù)可以接受的多重故障概率的大小和被保護(hù)設(shè)備在某期間內(nèi)發(fā)生故障的概率，可以確定同一期間內(nèi)必須達(dá)到的可用度，再根據(jù)式（2）確定與平均可用度水平相對(duì)應(yīng)的隱患檢測(cè)間隔時(shí)間T。

3.4 用威布爾分布擬合故障間隔時(shí)間的分布模式

在研究設(shè)備的預(yù)防維修問(wèn)題時(shí)，以前通常將故障間隔時(shí)間或平均故障間隔時(shí)間假設(shè)為指數(shù)分布，其理論依據(jù)是故障宏觀規(guī)律遵循經(jīng)典的浴盆曲線。事實(shí)上，在許多工程維修問(wèn)題中，浴盆曲線的精確度無(wú)法滿(mǎn)足要求。為更精確地表達(dá)設(shè)備的故障規(guī)律，工程中可采用威布爾分布來(lái)描述電子與機(jī)械產(chǎn)品的故障規(guī)律，如滾動(dòng)軸承、繼電器、電動(dòng)機(jī)、齒輪、材料疲勞等。

威布爾分布具有形狀參數(shù)m，改變此m可表達(dá)各種函數(shù)，實(shí)際上它具有靈活的性質(zhì)，能夠表達(dá)所有的零部件故障形式，使企業(yè)的維修業(yè)務(wù)簡(jiǎn)單化，使用起來(lái)十分方便，是零部件故障分析的良好手段，廣泛應(yīng)用于可靠性和壽命數(shù)據(jù)分析[3]。二參數(shù)威布爾分布的概率密度函數(shù)為

式中，m、η分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

水輪機(jī)故障數(shù)據(jù)利用威布爾分布圖形化的基本步驟：

（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)記錄可按一定間隔進(jìn)行觀察，記錄從上次到本次之間發(fā)生的故障；也可連續(xù)不斷地進(jìn)行觀察，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)記錄該時(shí)間。

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。填寫(xiě)威布爾概率紙之前必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即使用某產(chǎn)品N個(gè)；到時(shí)間t為止；得到的累計(jì)故障數(shù)n；將時(shí)間t作為變量 （橫軸），將累計(jì)故障概率 F（t）=n/N（%）作為函數(shù) （縱軸）。

（3）求形狀參數(shù)m。首先在威布爾概率紙上描點(diǎn)，確認(rèn)直線性后再以作圖方式求得m。盡管可用由測(cè)定值直接計(jì)算的方法算出，但采用描點(diǎn)法可避免兩個(gè)以上不同的形狀參數(shù)m的模式混在一起時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算的m值偏離真實(shí)情況。

4 結(jié)論

隨著水電設(shè)備性能越來(lái)越先進(jìn)，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，其維修活動(dòng)也越來(lái)越受到重視，水輪機(jī)組實(shí)施以可靠性為中心的檢修是檢修技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文探討了RCM策略應(yīng)用于水輪機(jī)組維修的主要內(nèi)容和方法，闡明了其必要性和具體應(yīng)用思路。這一方法如能在國(guó)內(nèi)水輪機(jī)組的維修管理中得到應(yīng)用，對(duì)于提高水輪機(jī)組的管理和維修水平、從而提升社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)起到重要的作用。今后，隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的廣泛應(yīng)用，先進(jìn)的機(jī)電一體化的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷等儀器設(shè)備將越來(lái)越普遍，以可靠性為中心的維修思想必將成為未來(lái)水電設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的主要模式。

［1］謝志江，胥文剛.大型水電設(shè)備健康狀態(tài)智能分析系統(tǒng)的研究［J］.精密制造與自動(dòng)化（機(jī)械動(dòng)力學(xué)專(zhuān)集）， 2003（B09）:87-88.

［2］陳學(xué)楚.維修基礎(chǔ)理論［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［3］額田綮三.機(jī)械可靠性與故障分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.