離心泵可靠性分析及可靠度估算探討

謝小青，陳廣福，李艷杰

（1. 上海電氣凱士比核電泵閥有限公司，上海 201306；2. 吉林省宇琦泵業(yè)有限公司，長春 130500）

隨著社會的發(fā)展、科技的進步，人們對健康、環(huán)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(guān)鍵用泵）的各項指標也越來越受到人們的關(guān)注，其中最關(guān)鍵的一個指標是產(chǎn)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(xiàn)。在很多關(guān)鍵泵的技術(shù)規(guī)格書中通常都有這樣的要求，如：投標方應(yīng)提供高質(zhì)量的設(shè)備，這些設(shè)備應(yīng)是成熟可靠、技術(shù)先進的產(chǎn)品；……應(yīng)保證泵具有較高的運行效率和可靠性；投標方提供的設(shè)備應(yīng)為全新的、先進的、成熟的、完整的和安全可靠的……

實際工程應(yīng)用中，如何對產(chǎn)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(yè)招標過程中基本沒有涉及，只是在少數(shù)重要項目（如核電站關(guān)鍵用泵）的招標文件中要求泵制造商提供其產(chǎn)品的可用率數(shù)據(jù)。

本文從可靠性、可靠度定義著手，首先回顧了可靠性工程的發(fā)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。

1 名詞及術(shù)語

1.1 可靠性

在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，稱為產(chǎn)品的可靠性。

產(chǎn)品的可靠性定義包括下列四要素：

（1）規(guī)定的時間；

（2）規(guī)定的環(huán)境和使用條件；

（3）規(guī)定的任務(wù)和功能；

（4）具體的可靠性指標。

產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計制造者必須確立的可靠性，即在設(shè)計、制造階段所確立的可靠性；使用可靠性是指已生產(chǎn)的產(chǎn)品，經(jīng)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能”的概率（有些國外文獻將其稱為“可靠性系數(shù)”），它是時間的函數(shù)，記為R（t）。即：

式中T——產(chǎn)品的壽命；

t——規(guī)定的時間；

F（t）—— 產(chǎn)品在規(guī)定時間t時的不可靠度，即失效率或失效概率。

產(chǎn)品可靠度數(shù)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。

某型號軸承100 只，在恒定載荷下，工作100 h后失效了16 只；工作400 h 后失效了28 只，則工作100 h 和工作400 h 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(tǒng)可靠度。組件可靠度是指構(gòu)成產(chǎn)品的不同的零件或部件的可靠度；而系統(tǒng)可靠度是指各組件所組成的整個系統(tǒng)的整體可靠度。

2 可靠性工程的歷史

可靠性工程是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一門新興學科。第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國軍事部門的產(chǎn)品在使用和儲存期間失效率很高，引起了有關(guān)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(gòu)研究電子設(shè)備的可靠性，1957 年發(fā)表了著名的“軍用電子設(shè)備的可靠性”報告，提出了在產(chǎn)品研制、生產(chǎn)過程中對可靠性進行試驗和鑒定的方法和電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、包裝、儲存、運輸?shù)确矫嬉⒁獾膯栴}及要求。這個報告奠定了可靠性理論的基礎(chǔ)。從此，可靠性工程發(fā)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(yè)的迅速發(fā)展，可靠性設(shè)計和試驗方法被接受并應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)中。

我國從20 世紀60 年代到70 年代開始，在國防、電子工業(yè)部門進行可靠性研究工作。機械行業(yè)從20世紀80 年代開始進行可靠性工作，把提高產(chǎn)品可靠性水平作為提高產(chǎn)品實物質(zhì)量的核心，對老產(chǎn)品進行可靠性限期考核達標，對新產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計，規(guī)定產(chǎn)品標準必須有可靠性指標和內(nèi)容[1]。

今天，可靠性工程早已從軍工企業(yè)發(fā)展到民用電子信息、機械裝備、交通、能源等行業(yè)，可靠性知識已成為人們的基本常識，許多產(chǎn)品明確了可靠性定量指標。

3 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《泵可靠性測定試驗》[2]規(guī)定：

（1）可以修復(fù)的泵產(chǎn)品可靠性指標應(yīng)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(fù)，但是進行處理很不方便或很困難甚至是不可能修復(fù)的泵，可以當成不可修復(fù)產(chǎn)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(shù)據(jù)的情況的，除上述（1）和（2）外，指標可同時選用平均修復(fù)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(shù)分布（即事件以恒定平均速率連續(xù)且獨立地發(fā)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(jù)使用工況及產(chǎn)品（在系統(tǒng)中）的重要程度。例如，涉及到人身安全、環(huán)境災(zāi)難、重大財產(chǎn)損失的產(chǎn)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(yōu)勢，可靠性比同類產(chǎn)品高一些。

（3）現(xiàn)有技術(shù)水平和使用要求。例如，新研發(fā)的產(chǎn)品，初期可給出大概的可靠性指標，然后在研制中修改完善。

4 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/T 6881—2006[2]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(fā)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(chǎn)品設(shè)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(guān)系，將泵的可靠性指標分解到各個零部件，或根據(jù)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(zhuǎn)子部件（包括泵軸、葉輪、軸套及平衡機構(gòu)等）、密封部件和軸承部件等，由一百至數(shù)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(lián)系統(tǒng)，即屬于串聯(lián)故障模式。

離心泵的可靠度為所有零部件可靠度的乘積?？杀硎緸椋?/p>

組件可靠性分析的方法，其實就是統(tǒng)計分析。根據(jù)同種/同類泵型在相同或相近的工況運行的業(yè)績或者經(jīng)過大量可靠性試驗，統(tǒng)計不同零部件的失效情況來分析（估算）其可靠度。

4.2 系統(tǒng)可靠性

對于系統(tǒng)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(tǒng)化的故障預(yù)想技術(shù)，運用歸納的方法系統(tǒng)地分析產(chǎn)品設(shè)計可能存在的每一種故障模式及其產(chǎn)生的后果和危害的程度。

FTA 是指在系統(tǒng)設(shè)計過程中通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素、系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生的概率，以計算系統(tǒng)失效概率，然后采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)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(tǒng)可靠度相對比較復(fù)雜，特別是對于新設(shè)計的產(chǎn)品，變量太多，很多系統(tǒng)中同時包含串聯(lián)故障模式和并聯(lián)故障模式?？筛鶕?jù)設(shè)計和實際工程應(yīng)用經(jīng)驗（包括他人經(jīng)驗），對系統(tǒng)中各組件的失效概率給出預(yù)測和/或統(tǒng)計值，并參考以下步驟進行分析。

5 系統(tǒng)可靠性分析的步驟

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[4]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Table 1 Analysis table of FMECA

（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(zhí)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(yīng)包括其有關(guān)接口設(shè)備的相互關(guān)系。

（3） 失效模式：零部件所有可能的失效表現(xiàn)形式。

（4） 失效后果等級：分析失效模式出現(xiàn)對系統(tǒng)工作、功能或狀態(tài)所引起的各種后果。后果一般分成四級：Ⅰ級（災(zāi)難性的）、Ⅱ級（關(guān)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(xiàn)的概率是以某一失效模式出現(xiàn)次數(shù)除以全系統(tǒng)的失效次數(shù)來計算?？蓪⑦@一概率劃分為五個等級：A 級（經(jīng)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(jù)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(yù)防措施：針對各種失效模式及影響提出可能的預(yù)防措施。

5.2 故障樹分析的主要步驟

6 離心泵可靠度估算示例

制造商和用戶面臨的最大挑戰(zhàn)是如何提高產(chǎn)品的可靠性。

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(chǎn)品來說，影響其可靠性/可靠度的因素基本可以確定，其主要體現(xiàn)在機械密封、軸承、耐磨環(huán)、密封圈及墊、泵軸、葉輪、軸套等零部件上。而這些零部件可靠度的估算應(yīng)基于實際應(yīng)用經(jīng)驗， 即對相同泵型在相同或相似工況應(yīng)用中這些零部件的實際使用情況進行收集、匯總，在統(tǒng)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(qū)動設(shè)備及聯(lián)軸器）的可靠度。

現(xiàn)以某系統(tǒng)中BB2 型離心泵為例，具體要求如下：

（1）機械密封壽命不低于16 000 h（兩年）；

（2）軸承壽命不低于40 000 h（5 年）；

（3）耐磨環(huán)壽命不低于40 000 h（5 年）；

（4）密封圈及墊壽命不低于一個大修周期（3 年）；

（5）泵軸、葉輪及軸套的壽命不低于80 000 h（10年）。

除了上述易損件及正常磨損件以外，要求泵整體設(shè)計使用壽命不低于20 年。

該泵為成熟產(chǎn)品，可以修復(fù)。

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(guī)定的時間內(nèi)各故障的類別發(fā)生失效的概率及可靠度，匯總?cè)绫? 所示。

表2 故障的類別、失效概率及可靠度匯總Table 2 Summary of fault category, failure probability and reliability

由此，根據(jù)組件可靠度計算公式，可以估算出該泵的可靠度為R（t）：

7 結(jié)束語

目前，在我國離心泵行業(yè)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JB/T 6881—2006《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(lián)系統(tǒng)，屬于串聯(lián)故障模式。

對于成熟產(chǎn)品來說，可靠性分析和可靠度估算是基于對產(chǎn)品以往應(yīng)用經(jīng)驗的統(tǒng)計；對于新設(shè)計的產(chǎn)品，可根據(jù)設(shè)計和實際工程應(yīng)用經(jīng)驗（包括他人經(jīng)驗），基于對系統(tǒng)中各組件可能故障的概率給出預(yù)測和/或統(tǒng)計值進行分析和評估。