泵站機(jī)組潛在失效模式及后果分析

孫 博，李 揚(yáng)，趙立賓，王肖肖

（山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程自濱州市博興縣打漁張引黃閘引取黃河水，自東營(yíng)小清河子槽上節(jié)制閘引取長(zhǎng)江水，途徑濱州、東營(yíng)、濰坊、青島、煙臺(tái)、威海6市16個(gè)縣（市、區(qū)），輸水線路總長(zhǎng)482 km，7級(jí)提水泵站、5座大型隧洞、6座大型渡槽、19座倒虹，以及橋、涵、閘等建筑物467座，是緩解膠東地區(qū)水資源短缺矛盾、構(gòu)建山東大水網(wǎng)體系、實(shí)現(xiàn)全省水資源優(yōu)化配置而實(shí)施的遠(yuǎn)距離、跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性民生工程。工程設(shè)計(jì)年調(diào)水規(guī)模3.83億m3，2003年12月開(kāi)工建設(shè)，2013年7月實(shí)現(xiàn)主體貫通，2013年底試通水運(yùn)行，2014年以來(lái)先后完成調(diào)流調(diào)壓設(shè)施、管理設(shè)施、水土保持、安全防護(hù)、自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，2019年底工程竣工驗(yàn)收，正式由建設(shè)階段轉(zhuǎn)入管理運(yùn)行階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，十三五期間（2016年-2020年）膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程累計(jì)為煙臺(tái)市供水4.95億m3，為威海市供水3.56億m3，供水效益顯著，為膠東地區(qū)乃至全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供安全可靠的供水支撐和保障，實(shí)現(xiàn)了全省水資源優(yōu)化配置，有效緩解了膠東地區(qū)水資源供需矛盾，改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

調(diào)水工程事關(guān)民生用水大計(jì)，其核心設(shè)備泵站機(jī)組大量投建。在調(diào)水工程通水運(yùn)行過(guò)程中，泵站機(jī)組的異常停機(jī)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效從而影響整個(gè)調(diào)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，而泵站機(jī)組往往結(jié)構(gòu)繁多，部件復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。各個(gè)子部件的失效對(duì)系統(tǒng)的安全影響不一[1]。因此，作為狀態(tài)檢修的核心步驟，泵站機(jī)組潛在失效模式及后果分析可以分析部件重要程度，針對(duì)泵站機(jī)組安裝和運(yùn)行中可能存在的故障模式，采取對(duì)應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施，避免或者降低經(jīng)濟(jì)和社會(huì)重大損失[2]，對(duì)提升設(shè)備的健康管理水平，提高泵站運(yùn)行管理水平具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 泵站故障模式及影響分析

膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程采用加壓提水和重力流輸水相結(jié)合的輸水方式，全線共設(shè)灰埠、東宋、辛莊、黃水河、溫石湯、高疃、星石泊7級(jí)提水泵站；布置了任家溝、村里、桂山、孟良口子及臥龍5座輸水隧洞；建設(shè)了大劉家河、淘金河、界河、孟格莊、后徐家、八里沙河6座渡槽；其它明渠段水閘、倒虹吸、橋梁等建筑物496座，管道（暗渠）段閥、井等218處；配套建設(shè)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)、管理設(shè)施、水土保持和輸變電工程等。閘門(mén)、泵站、閥、空氣閥、調(diào)壓室、泄壓閥等多種水力設(shè)施在實(shí)際運(yùn)行中難以避免存在故障模式，面對(duì)泵站運(yùn)行新常態(tài)，迫切需要針對(duì)泵站機(jī)組變工況、強(qiáng)噪聲環(huán)境下的健康狀態(tài)評(píng)估難以刻畫(huà)的問(wèn)題展開(kāi)研究，準(zhǔn)確模擬工程水力瞬變過(guò)程，分析水力元件對(duì)水力瞬變的影響，加強(qiáng)對(duì)泵站機(jī)組狀態(tài)評(píng)估，合理安排機(jī)組運(yùn)行，保障工程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為提高膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程系統(tǒng)、設(shè)備與運(yùn)行的安全可靠性，全面正確地分析泵站調(diào)水工程過(guò)渡過(guò)程中的水流特性，按照調(diào)水系統(tǒng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)及組成元件的真實(shí)特性，對(duì)工程全系統(tǒng)進(jìn)行了水力過(guò)渡過(guò)程研究。計(jì)算過(guò)渡過(guò)程的范圍從濱州引黃閘斷面開(kāi)始，沿輸水明渠、管道、暗渠、隧洞及各級(jí)供水泵站提水，最后進(jìn)入下游米山水庫(kù)。計(jì)算工況包括：各級(jí)泵站的正常起動(dòng)和停泵工況，進(jìn)行起動(dòng)和停泵程序研究，優(yōu)化起動(dòng)和停泵程序校核各泵站前池是否滿足系統(tǒng)運(yùn)行的最小尺寸；各級(jí)泵站的事故停泵工況；全系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的不同流量下的穩(wěn)態(tài)工況，得到穩(wěn)態(tài)水面線,校核系統(tǒng)過(guò)水能力等。對(duì)各級(jí)泵站管道系統(tǒng)的正常起動(dòng)、停泵工況和事故停泵工況計(jì)算，確定了最優(yōu)開(kāi)閥規(guī)律和關(guān)閥規(guī)律，得到管道系統(tǒng)的最大水錘壓力上升、最小壓力以及水泵的最大倒轉(zhuǎn)速；全系統(tǒng)穩(wěn)定工況計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)全系統(tǒng)沿程水面曲線，驗(yàn)證了池岸、渠頂、洞頂(包括暗渠)等高程是否符合規(guī)范要求和系統(tǒng)各部水流銜接是否順暢。全系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算和水錘分析為輸水工程方案設(shè)計(jì)、管線布置、泵參數(shù)選擇、安全保障措施及調(diào)度運(yùn)行方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)對(duì)泵站機(jī)組失效因素、失效類(lèi)型研究，識(shí)別出常見(jiàn)不同故障的特征，并在此基礎(chǔ)上研究不同的故障造成泵站運(yùn)行、管道運(yùn)行的影響。泵站機(jī)組主要由電氣、機(jī)械、水力和軸系等部分組成，如圖1所示。其中，葉輪和過(guò)流部件屬于水力部分，將電能轉(zhuǎn)為水的勢(shì)能；機(jī)械部分將電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；軸系部分負(fù)責(zé)傳遞轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)定的作用，提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，電動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的能源供給。

圖1 泵站機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

目前，F(xiàn)MEA已形成一套科學(xué)的分析方法，并在工程實(shí)踐中得以成功應(yīng)用[5]，如圖2所示：

圖2 FEMA過(guò)程圖

FMEA用嚴(yán)重度、發(fā)生率、不易探測(cè)度等指標(biāo)來(lái)識(shí)別關(guān)鍵部件。嚴(yán)重度分值越高表示故障對(duì)系統(tǒng)的影響越嚴(yán)重。發(fā)生率出現(xiàn)的概率越大其分值就越高。不易探測(cè)度是指在采取現(xiàn)行的控制方法后故障能夠被檢測(cè)的難易程度。

2 泵站機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)

在提煉出FMEA的主體框架后，需要結(jié)合泵站機(jī)組的具體故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)確定關(guān)鍵部件和失效影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外若干座大型低揚(yáng)程泵站運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的事故和故障統(tǒng)計(jì)分析，泵站發(fā)生故障的類(lèi)型主要有兩種，一是由建筑物或/和設(shè)備自身缺陷引起的故障；另一種是由于運(yùn)行條件發(fā)生改變、偏離原先設(shè)計(jì)值，交變荷載的長(zhǎng)期作用使零件產(chǎn)生疲勞破壞導(dǎo)致的故障發(fā)生。根據(jù)收集某省大中型泵站資料，泵站建筑物方面的故障主要集中在由于污物過(guò)多導(dǎo)致攔污設(shè)施故障、水位過(guò)高引起水工建筑物開(kāi)裂和構(gòu)件破損以及流速過(guò)大引起的上下游翼墻護(hù)坡塌陷等，建筑物故障類(lèi)型統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 泵站建筑物故障統(tǒng)計(jì)分類(lèi)圖

設(shè)備故障以某省泵站樞紐的泵站甲和泵站乙為例。對(duì)其運(yùn)行的失效故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，停機(jī)檢修的嚴(yán)重故障共計(jì)36次，詳細(xì)情況如表1所示。泵站故障統(tǒng)計(jì)與分類(lèi)見(jiàn)圖4。

圖4 大型泵站機(jī)組關(guān)鍵部件故障頻次統(tǒng)計(jì)圖

表1 水泵機(jī)組故障分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)，通過(guò)調(diào)查某省61座大型低揚(yáng)程泵站運(yùn)行情況，粗略統(tǒng)計(jì)10年內(nèi)各部件故障發(fā)生的次數(shù)如圖5，計(jì)52次，出現(xiàn)問(wèn)題的部件及機(jī)構(gòu)主要為推力軸承10次、占19.2%；水導(dǎo)軸承8次、占15.4%；電機(jī)絕緣18次、占34.6%；葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3次、占5.8%；葉片氣蝕等13次、占25%。顯然，與江都四站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果類(lèi)似，故障率較高的是軸承和電機(jī)，均為34.6%，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，葉片氣蝕破壞也是不可忽視的因素。

3 基于故障模式及影響分析的可靠度分析

通過(guò)上述機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)和分析，可以通過(guò)識(shí)別關(guān)鍵部件來(lái)定性得到可靠度計(jì)算框架[6]，推力瓦、軸系域?qū)лS承、電機(jī)、葉輪、調(diào)節(jié)控制設(shè)備等均有嚴(yán)重故障發(fā)生，屬于核心關(guān)鍵部件，而燒損、磨損、絕緣老化、調(diào)節(jié)失效、葉片氣蝕則屬于關(guān)鍵故障原因。

上述關(guān)鍵故障原因則涉及到主體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備等，因此，需要將泵站機(jī)組分解為主體、 葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備（油、氣、水等）。同時(shí)可以將泵站設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)和可靠度評(píng)價(jià)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于故障模式及影響分析的可靠度分析。將設(shè)備可靠度分為泵站機(jī)組本體可靠度、控制系統(tǒng)可靠度、油系統(tǒng)可靠度、氣系統(tǒng)可靠度、水系統(tǒng)可靠度等五類(lèi)可靠度計(jì)算框架，具體可靠度分析框架如圖5所示。

圖5 可靠度計(jì)算框架

設(shè)備可靠度分析是基于結(jié)構(gòu)劃分，建立4層結(jié)構(gòu)，頂層為設(shè)備層，第二層為部件層，第三層為構(gòu)件層，第四層為零件層。通過(guò)不同零件的可靠度程度加權(quán)組合可以得到不同構(gòu)件的可靠度，通過(guò)不同構(gòu)件的可靠度加權(quán)可以得到不同部件的可靠度，最終得到整個(gè)設(shè)備的可靠度。

通過(guò)上述可靠度計(jì)算，可以由專(zhuān)家給出各個(gè)細(xì)節(jié)部件的可靠度，然后由各個(gè)層級(jí)來(lái)定性評(píng)估出整體系統(tǒng)的可靠度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)泵站機(jī)組失效因素、失效類(lèi)型研究，識(shí)別出常見(jiàn)不同故障的特征，并在此基礎(chǔ)上研究不同的故障造成泵站運(yùn)行、管道運(yùn)行的影響。同時(shí)對(duì)泵站機(jī)組的各類(lèi)故障頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，制定基于失效分析和故障模式的可靠度計(jì)算框架，為泵站機(jī)組安全運(yùn)行提供理論指導(dǎo)和工程參考。