三菱SJ系列分油機(jī)典型故障樹的建立與應(yīng)用

陳建良 袁 對(duì)

目前，全球航運(yùn)業(yè)仍在低位徘徊，有效控制船舶的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)廣大船東來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。航行于全球各航線的商船，除了在對(duì)環(huán)境控制有嚴(yán)格要求的區(qū)域以外，基本都以劣質(zhì)燃料油作為船舶燃料。由于劣質(zhì)燃油在提煉過(guò)程中殘留了大量的固體顆粒和催化劑殘留物，其預(yù)處理的質(zhì)量往往直接影響柴油機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

目前，分油機(jī)作為燃油、滑油等油料的預(yù)處理凈化設(shè)備，在船舶上廣泛使用。其中又以ALPHA LAVAL、WESTFALIA、三菱等品牌為主流產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和性能各有特點(diǎn)。由于分油機(jī)的系統(tǒng)龐大復(fù)雜，工作條件惡劣，其故障率相對(duì)比較高。傳統(tǒng)上輪機(jī)管理人員往往依賴個(gè)人的管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障診斷，既耗時(shí)又費(fèi)力，而且準(zhǔn)確性差，嚴(yán)重影響船舶動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。

一、故障樹分析法簡(jiǎn)介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是目前在系統(tǒng)可靠性分析、評(píng)估和故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用最重要的邏輯和概率技術(shù)之一。[1]

所謂故障樹分析法是一種基于圖形演繹的故障分析方法[1]。它從頂事件開始，系統(tǒng)性地向下發(fā)展，逐級(jí)確定造成系統(tǒng)故障的下一級(jí)事件，并明確下一級(jí)事件與頂事件的邏輯關(guān)系，最終找出系統(tǒng)內(nèi)部可能導(dǎo)致頂事件的元件故障為止。

利用故障樹可以形象地將導(dǎo)致系統(tǒng)故障的原因以圖形演繹的形式展現(xiàn)出來(lái)，方便工程技術(shù)人員查找出導(dǎo)致系統(tǒng)故障的因果鏈和故障譜。

二、三菱SJ系列分油機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，三菱SJ系列分油機(jī)在船舶上廣泛應(yīng)用。其系統(tǒng)基本由燃油回路、控制水回路、壓縮空氣回路、分油機(jī)、啟動(dòng)箱、自動(dòng)控制板、油加熱器等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

未凈化的燃油由機(jī)帶齒輪泵從A口吸入，送至油加熱器加熱至分離溫度，由三通電磁閥SV4控制壓縮空氣打開原液三通閥CV1，使燃油進(jìn)入分油機(jī)，經(jīng)過(guò)分油機(jī)分離后的凈液由B口出送至日用柜，分離出的重液（水和油泥）由D管排出。

開閥用電磁閥SV1控制分離筒排渣口開啟。閉閥用電磁閥SV2控制分離筒排渣口關(guān)閉。封水用電磁閥SV3控制置換水。

該系列分油機(jī)的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的HIDENS系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)分油機(jī)的全自動(dòng)時(shí)序控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制等功能，從而提高了系統(tǒng)整體的操作性能和可靠性。

從圖1可以看出，該系統(tǒng)機(jī)電相結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，輪機(jī)管理人員往往無(wú)法及時(shí)、全面掌握故障產(chǎn)生的因果鏈關(guān)系，為故障的準(zhǔn)確、迅速診斷帶來(lái)困難。

圖1 三菱SJ系列分油機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

三、故障樹的建立和應(yīng)用

故障樹模型一般從確定頂事件開始，逐級(jí)往下分解，通過(guò)多層中間事件直至底事件為止，其基本過(guò)程為確定頂事件，頂事件分析、分解，限定邊界條件，建立故障樹，分析應(yīng)用等。[2]

1.確定頂事件

故障樹的頂事件就是用于診斷系統(tǒng)故障和評(píng)估系統(tǒng)故障率的事件，是診斷分析對(duì)象的系統(tǒng)級(jí)故障模式[3]。選取恰當(dāng)?shù)捻斒录?，能將?fù)雜系統(tǒng)的各種故障模式有效合理地相互聯(lián)系，以利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析和診斷。

對(duì)于分油機(jī)而言，在運(yùn)行中由于其運(yùn)動(dòng)部件高速回轉(zhuǎn)，內(nèi)部分離筒部件直接與高溫的劣質(zhì)燃油接觸，各水腔直接與高溫淡水接觸等惡劣條件，往往使各部件產(chǎn)生磨損、腐蝕、裂紋等，從而導(dǎo)致各類運(yùn)行功能故障。根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書和筆者平時(shí)的管理經(jīng)驗(yàn)，三菱SJ系列分油機(jī)的常見運(yùn)行功能故障主要有異常流出、排出不良、異常振動(dòng)等。現(xiàn)以此三種功能故障作為頂事件進(jìn)行分析和建樹。

2.頂事件的分析和分解

在確定頂事件后，就要進(jìn)一步分析造成頂事件和各級(jí)事件之間的相互關(guān)系，使建樹的思路清晰，邏輯縝密，從而使建立的故障樹布局合理，便于分析和理解。

按照以上造成系統(tǒng)故障的三個(gè)典型功能故障（頂事件）逐級(jí)分解至基本元部件，確定造成功能故障的底事件，參考SELFJECTOR系列使用說(shuō)明書，其具體分析結(jié)果如表1、表2、表3所示[4]。

3.限定邊界條件

與任何其他建模技術(shù)一樣，故障樹的邊界條件必須明確限定。限定故障樹的邊界條件的目的主要是設(shè)定合理的分析范圍，減少不必要的分析過(guò)程，從而能抓住故障的主要矛盾，迅速確定故障位置。

根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，此故障樹的邊界條件設(shè)置如下：

（1）考慮人為因素的影響；

（2）由于HIDENS系統(tǒng)可靠性較高，因此暫不考慮控制系統(tǒng)的故障；

（3）各流體管路連接正常；

（4）各電路接口和線路正常；

（5）考慮環(huán)境的影響，例如船體振動(dòng)等。

表1 異常流出功能故障分析

表2 排出不良功能故障分析

表3 異常振動(dòng)功能故障分析

4.建立故障樹

根據(jù)上述限定的邊界條件和表1、表2、表3的分析結(jié)果，分別畫出三種功能故障樹模型如圖2、圖3、圖4所示。在建立模型以后，應(yīng)對(duì)故障樹進(jìn)行整體仔細(xì)核查，刪減其中相同的事件，合并邏輯門，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。

5.故障樹的應(yīng)用

在建立了設(shè)備的故障樹模型后，我們可以方便地應(yīng)用故障樹模型進(jìn)行故障診斷。

案例分析1：某船同品牌分油機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生無(wú)法排渣的現(xiàn)象。利用上述“排出不良”的故障樹模型（如圖3所示）進(jìn)行故障診斷。

首先對(duì)該故障樹模型進(jìn)行基本的定性分析。利用上行法求得該模型的布爾代數(shù)表達(dá)式為

根據(jù)該布爾表達(dá)式，可求出該模型有13個(gè)最小割集，表示造成分油機(jī)無(wú)法排渣的故障模式有13種。

再根據(jù)式（2）求出所有底事件的結(jié)構(gòu)重要度的近似值。

其中：I（j）為基本事件nj結(jié)構(gòu)重要度的近似值；Kr為第r個(gè)最小割集；mj為包含nj的最小割集的基本事件數(shù)量。[3]

因此該故障模型的底事件的結(jié)構(gòu)重要度為

根據(jù)式（3）可知各底事件的結(jié)構(gòu)重要度數(shù)值相等，因此導(dǎo)致該類型故障的所有底事件具有相同的重要性。

根據(jù)上述定性分析的結(jié)果，在不擴(kuò)大檢修范圍的原則下，先將分油機(jī)的控制模式轉(zhuǎn)至手動(dòng)控制。從故障樹頂事件f2出發(fā)，首先進(jìn)行手動(dòng)排渣操作，判斷開閥電磁閥SV1是否正常動(dòng)作。經(jīng)操作確認(rèn)電磁閥SV1動(dòng)作正常，因此可以排除中間事件n1。繼續(xù)從n2事件向下查找。對(duì)分離筒進(jìn)行整體吊離縱軸，檢查配水裝置出水量情況。發(fā)現(xiàn)出水量正常，因此排除中間事件n7，從中間事件n13處繼續(xù)向下查找。檢查主閥體的密封圈和活絡(luò)情況，基本可以排除n14和n15兩個(gè)底事件。最后將故障定位在先導(dǎo)閥組件的兩個(gè)底事件n16和n17。

該先導(dǎo)閥組件是三菱SJ系列分油機(jī)在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特部分，其結(jié)構(gòu)可參考圖5。兩只先導(dǎo)閥組對(duì)角安裝在回轉(zhuǎn)體上隨回轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)。在密封階段，先導(dǎo)閥體產(chǎn)生的離心力使閥芯壓緊在密封墊上形成密封，閉閥水進(jìn)入密封水腔產(chǎn)生向上的推力，使主閥體上移關(guān)閉排渣口。在排渣階段，開閥水從開啟水流道大量進(jìn)入先導(dǎo)閥體的左腔，其產(chǎn)生向內(nèi)的推力大于閥芯產(chǎn)生的離心力，從而使先導(dǎo)閥向內(nèi)移動(dòng)，打開密封面，將密封水腔的水通過(guò)排水口泄放掉。主閥體下移打開排渣口，分油機(jī)排渣完成。

根據(jù)以上的診斷，故障應(yīng)該是先導(dǎo)閥引起的。通過(guò)解體先導(dǎo)閥組，發(fā)現(xiàn)其閥腔內(nèi)有少量水垢且O形密封圈已經(jīng)磨損。清潔閥腔，更換O形密封圈后，故障排除，排渣功能恢復(fù)正常。

案例分析2：某船同類型分油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生排渣口異常排出的故障報(bào)警。

查閱HIDENS系統(tǒng)的報(bào)警信息，顯示該分油機(jī)并未發(fā)生輕液出口水分超標(biāo)的報(bào)警，因此可以排除水分超標(biāo)產(chǎn)生的連續(xù)排渣。在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至手動(dòng)操作模式后仍然在建立水封短時(shí)運(yùn)行后發(fā)生自動(dòng)排渣的情況。根據(jù)故障樹模型（圖2）及上述定性分析結(jié)果，基本確定發(fā)生在中間事件l14上。解體分油機(jī)后，檢查配水裝置出水情況正常，進(jìn)一步排除中間事件l25。再根據(jù)故障樹所示，檢查主閥體的動(dòng)作情況，未發(fā)現(xiàn)主閥體卡阻，排除中間事件l30。

到此故障只剩下先導(dǎo)閥組件和排水口情況。通過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)排水口通暢。那么問(wèn)題發(fā)生在先導(dǎo)閥組上。最后發(fā)現(xiàn)主要是先導(dǎo)閥組的密封墊老化，造成密封不良，在密封水進(jìn)入密封水腔抬起主閥體后，密封水腔的水從先導(dǎo)閥組的密封面處緩慢泄漏，最終導(dǎo)致在分離過(guò)程中排渣口異常打開。

通過(guò)以上兩個(gè)案例可以發(fā)現(xiàn)，該型分油機(jī)的先導(dǎo)閥由于尺寸限制、工作條件等各種因素影響，在運(yùn)行中存在較高的故障率，因此在每次的拆解保養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢查，及時(shí)了解該部件的實(shí)際狀況，根據(jù)需要更換易損零件，提前預(yù)防此類故障的發(fā)生。

圖3 排出不良故障樹

圖4 異常振動(dòng)故障樹

圖5 先導(dǎo)閥組件

四、結(jié)束語(yǔ)

利用故障樹分析法診斷復(fù)雜系統(tǒng)的功能故障，具有明顯的便利性和可行性。除此之外，利用故障樹分析法（FTA）還可以進(jìn)一步指導(dǎo)輪機(jī)管理人員分析復(fù)雜設(shè)備和系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)防維護(hù)保養(yǎng)，有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，提升系統(tǒng)整體的可靠性。