天然氣超聲流量計(jì)安全可靠性分析

禹金龍

（大慶油田工程項(xiàng)目管理有限公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

超聲流量計(jì)是近年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì)，具有量程比大、準(zhǔn)確度高、壓力損失小等特點(diǎn)[1]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，超聲流量計(jì)往往存在故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、失效數(shù)據(jù)收集不合理、系統(tǒng)失效導(dǎo)致無(wú)法工作等弊端，嚴(yán)重的可導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。例如，2017 年8 月11 日，當(dāng)陽(yáng)市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目在試生產(chǎn)過(guò)程中，2 號(hào)鍋爐高壓主蒸汽管道上的差壓式流量計(jì)裂爆，致使540 ℃的蒸汽大量外泄，擊碎中控室玻璃窗，造成中控室內(nèi)22 人死亡、4 人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約2 313 萬(wàn)元人民幣。因此，超聲流量計(jì)的可靠性研究對(duì)于企業(yè)安全生產(chǎn)有著重要意義。

研究可靠性問(wèn)題的核心就是研究產(chǎn)品的壽命問(wèn)題。在產(chǎn)品可靠性分析中，確定現(xiàn)場(chǎng)壽命數(shù)據(jù)分布類型至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為可靠性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源，合理的進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與統(tǒng)計(jì)，可以為將來(lái)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)提供重要信息[2-3]，從而提高產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)，可靠性評(píng)估結(jié)果可以為企業(yè)制定預(yù)防維修策略提供參考依據(jù)，為大型工業(yè)控制系統(tǒng)定時(shí)維修保養(yǎng)提供指導(dǎo)，確保重大裝備安全可靠運(yùn)行。

1 現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

故障數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品使用的原始信息，需要在產(chǎn)品實(shí)際使用條件下獲得，其可以反映產(chǎn)品的真實(shí)可靠性水平。在實(shí)踐中，產(chǎn)品工作條件復(fù)雜多樣、售后記錄不完整，故障模式識(shí)別不充分、故障描述不準(zhǔn)確以及部分?jǐn)?shù)據(jù)遺失等因素，通常會(huì)影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性、全面性，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大困難[4]。因此，為獲得使用現(xiàn)場(chǎng)條件下產(chǎn)品工作的可靠性水平，研究人員有必要開展現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性分析。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)主要包括如下方面[5]：

1）信息來(lái)源復(fù)雜。相同的產(chǎn)品在不同現(xiàn)場(chǎng)使用，環(huán)境不同，操作人員不同，產(chǎn)品發(fā)生故障的時(shí)間、原因、部位都可能不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄不完善或不準(zhǔn)確。

2）產(chǎn)品工作時(shí)間不同。不同產(chǎn)品使用單位購(gòu)買的時(shí)間不同，產(chǎn)品投入使用的起始時(shí)刻不一致；即使相同產(chǎn)品，計(jì)時(shí)時(shí)刻不同，產(chǎn)品工作的時(shí)間將不同。

3）數(shù)據(jù)信息不全。有些沒(méi)有發(fā)生故障的產(chǎn)品，在實(shí)際使用條件下，可能因其他原因?qū)е轮型緛G失信息。

4）統(tǒng)計(jì)結(jié)束時(shí)，部分產(chǎn)品發(fā)生故障，部分產(chǎn)品未發(fā)生。

2 超聲流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)抽樣

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品銷售記錄中會(huì)包含產(chǎn)品出廠日期、產(chǎn)品批次、型號(hào)、編號(hào)等信息，而售后記錄中則包含有產(chǎn)品的故障發(fā)生日期、故障類型、產(chǎn)品型號(hào)、編號(hào)等信息。研究人員將二者結(jié)合起來(lái)就能夠得到相對(duì)完整的產(chǎn)品壽命數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)一步分析就可以得到產(chǎn)品的壽命分布規(guī)律和可靠性特征值。

本研究利用文獻(xiàn)[6]中現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)選取有效樣本的方法，從2017 年4 月1 日—12 月31 日出廠的某類型流量計(jì)產(chǎn)品中，選取了16 個(gè)批次，共62 個(gè)樣本，跟蹤產(chǎn)品售后服務(wù)記錄，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 超聲流量計(jì)壽命分布規(guī)律分析

產(chǎn)品壽命具有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律，研究其失效規(guī)律可以推斷產(chǎn)品壽命分布。但由于產(chǎn)品種類繁多、構(gòu)成復(fù)雜，僅僅通過(guò)失效機(jī)理確定壽命分布不夠準(zhǔn)確。對(duì)此，本文利用超聲流量計(jì)產(chǎn)品的有效樣本數(shù)據(jù)，采用Weibull++7.0 軟件的極大似然分析法，以及概率圖估法、灰色系統(tǒng)理論3 種方法分別研究識(shí)別最佳壽命分布類型的方法，對(duì)該類型超聲流量計(jì)壽命分布規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 極大似然估計(jì)法

Weibull++7.0 作為一款可靠性分析軟件，能夠?qū)Χ喾N壽命分布進(jìn)行壽命數(shù)據(jù)分析，支持單參數(shù)、雙參數(shù)和三參數(shù)的Weibull 分布，混合Weibull 分布，正態(tài)分布，Gamma 分布，單參數(shù)、雙參數(shù)指數(shù)分布，對(duì)數(shù)正態(tài)分布和Weibull-Bayesian 分布等多種壽命分布擬合，能夠自動(dòng)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)來(lái)獲取最佳壽命分布。

本文根據(jù)表1 的抽樣數(shù)據(jù)，采用極大似然分析方法利用Weibull++7.0 軟件分布向?qū)нx擇最佳分布，結(jié)果顯示該型號(hào)超聲流量計(jì)產(chǎn)品的最優(yōu)壽命分布是雙參數(shù)指數(shù)分布，其累積分布函數(shù)如公式(1)所示。

3.2 概率圖估法

利用概率圖估法和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)法相結(jié)合獲取壽命分布類型是實(shí)踐中的一種常用方法。對(duì)此，本研究將故障數(shù)據(jù)分別在各種概率圖上描點(diǎn)、擬合，利用最小二乘法計(jì)算，選取殘差平方和最小的分布為此產(chǎn)品壽命分布，利用擬合優(yōu)度假設(shè)檢驗(yàn)方法確定產(chǎn)品壽命分布類型[7-8]。

步驟如下：

1）根據(jù)樣本數(shù)據(jù)獲得產(chǎn)品故障時(shí)間，將故障時(shí)間從小到大依次排列為t(1),t(2),...t(r)。根據(jù)公式(2)計(jì)算有限樣本容量下，每個(gè)故障時(shí)刻的累計(jì)故障概率F(t)。

4）比較數(shù)據(jù)在不同分布概率圖上計(jì)算的殘差平方和kQ的大小，將kQ值最小的分布確定為產(chǎn)品壽命分布。

本研究通過(guò)對(duì)表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)描點(diǎn)、擬合直線，計(jì)算獲得殘差平方和如表2 所示。

表2 六種分布?xì)埐钇椒胶?/p>

根據(jù)比較可知，雙參數(shù)指數(shù)分布的殘差平方和為最小，可作為初選分布。其結(jié)果與采用極大似然分析確定的分布相同，進(jìn)一步說(shuō)明該類型超聲流量計(jì)產(chǎn)品壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布，同時(shí)也為后續(xù)可靠性指標(biāo)的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)法

灰色關(guān)聯(lián)分析就是對(duì)產(chǎn)品變化趨勢(shì)作定量描述和比較分析的方法，運(yùn)用數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)的映射，采用描點(diǎn)得到的曲線形狀比較方法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的量化分析[9-10]。

具體步驟如下：

1) 確定參考序列和比較序列，如公式(6)和(7)所示。

4) 依據(jù)ir的大小排出關(guān)聯(lián)序列，分析不同系數(shù)序列之間的影響程度大小。

5) 依據(jù)關(guān)聯(lián)序列數(shù)據(jù)確定最佳擬合分布類型。

表3 關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知，利用近似中位秩所作的分布曲線與雙參數(shù)指數(shù)分布函數(shù)曲線最接近。因此可以確定，超聲流量計(jì)的最優(yōu)壽命分布為雙參數(shù)指數(shù)分布。

4 擬合優(yōu)度的假設(shè)檢驗(yàn)

本研究通過(guò)上述三種方法選定的分布類型，雖然相對(duì)符合相應(yīng)的條件，但是未經(jīng)過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。由于該產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)n＜50，屬于小樣本，所以本研究選取K-S檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

步驟如下：

5 超聲流量計(jì)壽命分布參數(shù)估計(jì)

本研究通過(guò)壽命分布初步判別和假設(shè)檢驗(yàn)相結(jié)合，確定了雙參數(shù)指數(shù)分布為超聲流量計(jì)最優(yōu)壽命分布，然后利用Weibull++7.0 軟件，采用極大似然估計(jì)法對(duì)該類型超聲流量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行了壽命分布參數(shù)估計(jì)，其中，λ=0.0011，γ=5。因此，該類型產(chǎn)品的累積分布函數(shù)如公式(13)所示。

6 結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)信息選取有效樣本的方法，從現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)中選取某企業(yè)某類超聲流量計(jì)產(chǎn)品的有效樣本62 個(gè)，其中失效數(shù)據(jù)10 個(gè)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理具有復(fù)雜性和困難性等特點(diǎn)，本研究采用極大似然分析法、概率圖估法和灰色系統(tǒng)理論三種方法綜合分析了該類超聲流量計(jì)產(chǎn)品的壽命分布規(guī)律，使得壽命分布規(guī)律的判別比采用單一方法進(jìn)行判斷更為合理，并利用K-S 擬合優(yōu)度假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)一步確定該產(chǎn)品壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布。最后，本研究采用Weibull++7.0 軟件對(duì)產(chǎn)品售后維修服務(wù)記錄所得樣本數(shù)據(jù)應(yīng)用極大似然分析法處理，使售后維修數(shù)據(jù)得到充分利用，處理結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。對(duì)于樣本數(shù)據(jù)中5 天和20 天失效的超聲流量計(jì)產(chǎn)品，如果在生產(chǎn)中適當(dāng)提高篩選時(shí)間，則可以提高產(chǎn)品相應(yīng)的可靠度，保障各類設(shè)備安全運(yùn)行。