液氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)的可靠性評估

江榮霞 謝秀娟 鄧筆財 楊少柒

(1中國科學院理化技術(shù)研究所航天推進劑技術(shù)國家重點實驗室 北京 100190)(2中國科學院大學 北京 100049)

液氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)的可靠性評估

江榮霞1,2謝秀娟1鄧筆財1,2楊少柒1

(1中國科學院理化技術(shù)研究所航天推進劑技術(shù)國家重點實驗室 北京 100190)(2中國科學院大學 北京 100049)

針對改進Claude循環(huán)的大型氦低溫制冷系統(tǒng)，以制冷量不足為頂事件建立了故障樹模型。利用結(jié)構(gòu)法對故障樹模型進行定性分析，分析得到系統(tǒng)的最小割集為18個。利用來自不同數(shù)據(jù)庫的部件失效率對故障樹模型進行定量計算，得到了不同的結(jié)果，并分析其原因。對各部件的關(guān)鍵重要度進行了計算，以衡量各個部件對系統(tǒng)發(fā)生故障的貢獻程度。并通過增加系統(tǒng)冗余部件和提高關(guān)鍵部件可靠度等措施，為提高系統(tǒng)可靠性找到了有效的解決途徑。

大型低溫系統(tǒng) 液氦溫區(qū) 改進Claude循環(huán) 故障樹分析 可靠性

1 引 言

近幾十年來，伴隨著高能粒子物理實驗研究領(lǐng)域的發(fā)展，低溫與超導技術(shù)作為這些大科學工程的基本特征，也隨之迅速發(fā)展起來。目前，國際上大科學工程如歐洲核子中心(CERN)的“大型強子對撞機(LHC)”、美國BNL國家實驗室的“相對重離子對撞機(RHIC)”、日本KEK國家實驗室的“正負電子對撞機(KEKB)”、德國DESY國家實驗室的“高能粒子線性加速器(TESLA)”等，這些投資上億美元的世界級大型研究裝置全部采用常規(guī)液氦4.5 K或超流氦(1.6—2.17 K)冷卻，用以支持由各種大型超導磁體和超導射頻腔構(gòu)成的超導加速器和超導對撞機的長期穩(wěn)定運行。國內(nèi)先進實驗超導托卡馬克(EAST)、北京正負電子對撞機重大改造項目(BEPC-II)、上海同步輻射光源(SSRF)等均采用配套的大型氦低溫制冷系統(tǒng)冷卻[1-5]。

大科學工程的運行可靠性是提高其可用性、經(jīng)濟性以及安全性的基礎(chǔ)，也是優(yōu)化其全壽命周期費用的主要權(quán)衡因素。如何切實有效地提高大科學工程系統(tǒng)及設備的可靠性，一直是大科學工程設計的重點和難點。大型氦低溫制冷系統(tǒng)作為大科學工程中冷卻超導磁體的關(guān)鍵支撐系統(tǒng)，其可靠性將直接影響超導體以及整個科學裝置是否能長期穩(wěn)定運行。因此，在系統(tǒng)性能設計的同時，也要重視系統(tǒng)的可靠性，有針對性地提出可靠性分析及評價的有效手段，建立了一套與工程實際及運行特點緊密結(jié)合的方法體系，用于指導系統(tǒng)的可靠性設計。

可靠性研究已經(jīng)在航空航天、核能、船舶及軍工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛應用，并開始應用在大型低溫制冷系統(tǒng)方面。CERN已經(jīng)將可靠性方法應用在LHC的設計、制造、第一次冷卻操作和維修中，建立了故障模式、影響及危害分析(FMECA)，并可以在操作和維修中可以識別壞的元器件來提高可靠性。KEK對磁體測試裝置TOSKA的失效數(shù)據(jù)進行收集，并且分析其失效原因，給出解決方案；并且建立了一個專門的可靠性數(shù)據(jù)庫。TLK對JET(歐洲聯(lián)合核磁聚變設備)失效數(shù)據(jù)進行收集整理，找出失效原因及失效影響。BNL利用貝葉斯分析對RHIC(相對重離子對撞機)的失效數(shù)據(jù)進行可靠性計算。中國科學院等離子物理研究所對EAST進行故障樹分析[6-12]。

大型低溫制冷系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)能夠長期不間斷、正常運行的能力?？梢酝ㄟ^可靠性框圖(Reliability Block Diagram，簡稱RBD)和故障樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)對系統(tǒng)可靠性進行評估以及提高。其中故障樹分析法(FTA)是1961年由美國貝爾實驗室的華生(H A Watson)和漢塞爾(D F Haasl)首先提出，并應用于“民兵”導彈發(fā)射系統(tǒng)的質(zhì)量控制。因此，本文利用故障樹分析法(FTA)對改進Claude循環(huán)大型氦低溫制冷系統(tǒng)進行可靠性評估，分析了可能造成系統(tǒng)故障的原因，并提出了提高系統(tǒng)可靠性的有效措施[11-12]。

2 改進Claude循環(huán)大型氦低溫制冷系統(tǒng)的故障樹模型

改進Claude循環(huán)大型氦低溫制冷系統(tǒng)流程圖為如圖1所示。系統(tǒng)由1個壓縮機(C1)，5個換熱器(HEX1-5)，2個透平膨脹機(E1、E2)，1個節(jié)流閥(JT)和1個杜瓦瓶(Dewar)構(gòu)成。高純氦氣從緩沖罐被吸入壓縮機中，被壓縮機壓縮后經(jīng)三級油過濾器過濾后進入冷箱，經(jīng)過液氮預冷，透平膨脹機膨脹后經(jīng)節(jié)流閥進入杜瓦瓶，杜瓦瓶蒸發(fā)的氦氣再次經(jīng)冷箱中的換熱器，回到壓縮機，完成工作循環(huán)。

圖1 改進Claude循環(huán)的大型氦低溫制冷系統(tǒng)的流程圖Fig.1 Process flow diagram of modified Claude cycle of large-scale helium cryogenic system

通過分析可見，改進Claude循環(huán)的大型氦低溫制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)是制冷能力，即在液氦溫度下的制冷量。因此，本文以改進Claude循環(huán)的大型氦低溫制冷系統(tǒng)的制冷量不足問題為頂事件建立故障樹模型，如圖2所示。造成系統(tǒng)制冷量不足可能的原因可以分為兩大類：常溫壓縮段的故障和低溫制冷段的故障。在常溫壓縮段，涉及到的關(guān)鍵部件有壓縮機和高精濾油器。壓縮機的故障又可以分為壓縮機運行故障(X1)和電源故障(X2)；過濾純化系統(tǒng)故障又分為過濾器堵塞(X3-5)和手動閥外漏(X6)。在低溫制冷段，涉及到冷箱及其內(nèi)部的低溫換熱器和透平膨脹機。低溫制冷段故障分為液氮預冷段故障、透平膨脹段故障和冷端故障。其中液氮預冷段故障又包括液氦槽運行故障(X7)、氣動閥故障(X8)和換熱器HEX1故障(X9)；透平膨脹段故障包括內(nèi)純化器故障(X10)、換熱器HEX2-4故障(X10-13)和透平膨脹機E1-2故障(X14-15)；冷端故障又分為換熱器HEX5故障(X16)、JT閥故障(X17)和杜瓦瓶故障(X18)。

圖2 改進Claude循環(huán)大型氦低溫制冷系統(tǒng)的故障樹圖Fig.2 Fault tree of modified Claude cycle of large-scale helium cryogenic system

3 改進Claude循環(huán)的氦低溫制冷系統(tǒng)的故障樹分析

3.1 故障樹的定性分析

在故障樹中，凡是能夠?qū)е轮评淞坎蛔愕幕臼录慕M合，被稱為割集。它表示該組合中的基本事件全部發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生，所以系統(tǒng)的割集就是系統(tǒng)的故障模式。但是一個故障樹中，這種能夠到指定時間發(fā)生的事件組合數(shù)是很多的。所以要引入最小割集的概念：能夠?qū)е马斒录l(fā)生的最低限度的基本事件的組合被稱為最小割集。最小割集表示頂事件發(fā)生的原因，代表著一種故障模式，并且可以用最小割集來判斷基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。本文采用結(jié)構(gòu)法，經(jīng)過分析得到改進Claude循環(huán)的氦低溫系統(tǒng)的最小割集為18個[11]。

3.2 故障樹的定量計算

故障樹定量計算的目的在于計算制冷量不足發(fā)生的概率，用來評價改進Claude循環(huán)氦低溫制冷系統(tǒng)的安全可靠性。將計算制冷量不足(頂事件)發(fā)生的概率與預定目標值進行比較，如果超出目標值，就應該采取必要的系統(tǒng)改進措施，使其降到目標值以下[11]。

3.2.1 制冷量不足(頂事件)的概率計算

為了方便系統(tǒng)制冷量不足(頂事件)發(fā)生概率的計算，可以將故障樹圖轉(zhuǎn)化為可靠性框圖(RBD)。可靠性框圖(RBD)是利用系統(tǒng)與部件之間的邏輯圖，繪制出系統(tǒng)的各個部分發(fā)生故障時對系統(tǒng)功能特性的影響。其中事件可靠度為R1-R18，通過分析發(fā)現(xiàn)這些事件都是串聯(lián)的關(guān)系，也就是說一旦其中一個部件發(fā)生故障，系統(tǒng)就會發(fā)生聯(lián)鎖故障?？煽啃钥驁D(RBD)如圖3所示。

利用可靠性框圖的計算公式，可以計算出系統(tǒng)的可靠度：

(1)

圖3 系統(tǒng)可靠性框圖Fig.3 Reliability block diagram of system

又根據(jù)可靠度與故障率之間的關(guān)系：

(2)

得到系統(tǒng)故障率：

(3)

以及平均無故障時間：

MTBF=1/λT

(4)

要想計算系統(tǒng)制冷量不足這個頂事件的發(fā)生概率，必須要知道各個部件發(fā)生故障的概率。表1收集了國內(nèi)外相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)[12-14]，以進行分析。

表1 各個部件失效模式及失效率Table 1 Fault mode and fault rate of components

若壓縮機、透平膨脹機、過濾器、換熱器、液氮槽、電源和手動閥的失效數(shù)據(jù)取自國內(nèi)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)[12]，并帶入式(3)和(4)中可得到系統(tǒng)故障率為2.35×10-4和平均無故障時間為425.77 h。將各個部件的失效率來自國外數(shù)據(jù)庫[13-14]，并代入式(3)和(4)中可得到系統(tǒng)故障率為1.96×10-4和平均無故障時間為5 107.13 h。

由于不同的數(shù)據(jù)庫查得的部件失效率不同，且國內(nèi)外的數(shù)據(jù)相差也很大。追其原因，是由于中國大型低溫制冷系統(tǒng)處于發(fā)展初級階段，且對于低溫制冷系統(tǒng)的可靠性研究尚未成熟。

3.2.2 低溫制冷系統(tǒng)部件的重要度分析[15]

通過故障度的定量計算可以看出，低溫制冷系統(tǒng)的故障率較高，平均無故障時間較短，需要對低溫系統(tǒng)各個部件逐個分析其重要度，以衡量各個部件對系統(tǒng)發(fā)生故障的貢獻程度。這里的重要度分析采用關(guān)鍵重要度。所謂部件i的關(guān)鍵重要度是指底事件故障概率的變化率與由它引起頂事件發(fā)生概率的變化率之比。其定義用式(5)表示：

(5)

式中：g(t)表示系統(tǒng)可靠度的函數(shù)。

以表1中壓縮機運行故障數(shù)據(jù)[13]帶入(5)中，可得到壓縮機的重要度為：

(6)

同理，將從國外數(shù)據(jù)庫[13-14]查得的電源、氣動調(diào)節(jié)閥、透平膨脹機等部件失效率數(shù)據(jù)帶入(5)中，進行關(guān)鍵重要度計算，結(jié)果如表2所示。

表2 部件的關(guān)鍵重要度Table 2 Critical importance of components

由表2可知透平膨脹機故障、壓縮機故障和換熱器故障對系統(tǒng)故障的貢獻最大。因此要想優(yōu)化系統(tǒng)，需要從這幾方面來降低故障率?？梢酝ㄟ^下面兩種辦法來增加系統(tǒng)可靠性：

(1)增加系統(tǒng)冗余部件。從系統(tǒng)可靠性框圖(圖3)可以看出系統(tǒng)各部件是串聯(lián)關(guān)系，無任何冗余部件，這使得系統(tǒng)可靠度降低?？梢钥紤]增加系統(tǒng)關(guān)鍵部件的冗余部件，如增加一個透平膨脹機，這樣系統(tǒng)的可靠性框圖變?yōu)閳D4。

圖4 增加冗余部件后系統(tǒng)可靠性框圖Fig.4 Reliability block diagram of system after adding a redundant component

此時系統(tǒng)的故障率為：

(7)

將數(shù)據(jù)帶入得到系統(tǒng)的故障率為1.46×10-4，平均無故障時間間隔為：MTBF=1/λT=6 858.03 h。比之前的5 107.13 h多了1 750.90 h，占原來的平均無故障間隔時間的34.29%。由此可以得出，增加關(guān)鍵的冗余部件可以大大提高系統(tǒng)可靠性。

(2)提高系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性。從關(guān)鍵重要度分析，可以看出壓縮機、透平膨脹機和換熱器為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果提高它們可靠度，則系統(tǒng)可靠度也將大大提高。以壓縮機為例，可以提高壓縮機密封性及通過加一個潤滑環(huán)和修改軸引線來防止電機離合器產(chǎn)生油噴霧等問題。如果可以將壓縮機的故障率降到1×10-5，則系統(tǒng)故障率可計算為：

(8)

平均無故障時間間隔：

MTBF=1/λT=6 418.05h

(9)

比之前的5 107.13 h多了1 310.92 h，占原來的平均無故障間隔時間的25.67%。由此可以得出，提高關(guān)鍵部件的可靠度也可以提高系統(tǒng)可靠性。

將這兩個優(yōu)化方案結(jié)合起來使用：增加一個透平膨脹機和并且將壓縮機的故障率降到1×10-5。這樣系統(tǒng)的故障率變?yōu)?.06×10-4，平均無故障間隔時間可以提高到9 450.16 h。

4 結(jié) 論

對改進Claude循環(huán)氦低溫制冷系統(tǒng)進行了故障樹建模，并定性和定量地分析。這里計算的系統(tǒng)平均故障間隔為5 107.13 h，通過分析可知，可以增加系統(tǒng)冗余部件和提高關(guān)鍵部件的可靠度來增加大型氦低溫系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)過優(yōu)化，系統(tǒng)的平均無故障間隔時間可達到9 450.16 h。此外，由于中國國內(nèi)低溫制冷系統(tǒng)可靠性研究起步較晚，且對于低溫系統(tǒng)可靠性重視度不夠，使得低溫制冷系統(tǒng)的可靠性相對國外較低。因此，國內(nèi)研究機構(gòu)需要建立相關(guān)的低溫制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件的可靠性數(shù)據(jù)庫，以便于對低溫制冷系統(tǒng)更好地進行可靠性計算及分析。而且要充分利用可靠性數(shù)據(jù)庫，針對各個部件失效模式找出失效原因，并提出相應的措施來提高系統(tǒng)的可靠性。

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Reliability evaluation of large-scale helium cryogenic system

Jiang Rongxia1,2Xie Xiujuan1Deng Bicai1,2Yang Shaoqi1

(1State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenics Propellants，Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Fault tree model of the modified Claude cycle of large-scale helium cryogenic system were presented，top event of which base on shortage of refrigeration capacity. Qualitative analysis of the fault tree model was carried out by using structure method.It is found that the minimal cut sets of system were 18. The fault tree model was calculated quantitatively based on component failure rate of different database and the reasons of different results were presented. The key importance of each components was calculated to evaluate its contribution to the system failure. By increasing the redundancy of the system and improving the reliability of key components，the reliability of system was improved.

large-scale cryogenic system；liquid helium temperature region；modified Claude cycle；fault tree analysis；reliability

2015-12-10；

2016-03-08

財政部國家重大科研裝備研制項目(ZDYZ2014-1)、航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室基金課題(SKLTSCP1502)。

江榮霞，女，25歲，碩士研究生。

TB664

A

1000-6516(2016)02-0014-06