主泵可靠性综合分析方法研究

引言

主泵,全称为"反应堆冷却剂泵",是一种复杂的机电设备,位于核电厂一回路的每个环路中。主泵是核电厂的关键设备,如果主泵发生故障,有可能会导致放射性物质泄漏,同时也会造成反应堆停堆检修,严重影响核电厂运行的安全性与经济性。因此,主泵必须强调高可靠性,这就需要在研发过程中乃至整个寿命周期内应用严格的可靠性分析方法去控制主泵的可靠性。

可靠性在过去的几十年里已经被广泛认可为系统的一个重要指标,众多学者对不同工程产品的可靠性做出了研究。学者EnricoZio总结道,可靠性工程主要解决三个问题:(1)为什么系统会失败?(2)如何能设计可靠的系统?(3)如何能在整个系统生命周期实现高运行可靠性?

核电主泵属于商业敏感信息且一些零部件样品较少,所以国内外对主泵可靠性进行研究的公开文献较少。国内外对主泵的可靠性研究多集中在第一个问题上,即针对主泵某个故障去分析故障机理,youngLJ分析了轴套疲劳失效的主要故障原因是温度波动:国内毛文军等人通过研究泄漏异常的故障模式,找出了故障原因并进行处理,避免了非计划停堆:主轴、叶轮等热疲劳可靠性也有相应研究。针对第二个问题,国内最早关于主泵研发过程的可靠性设计分析是邓礼平等人在主泵研发过程中使用的可靠性设计与分析方法:ZhengG等人拓展的主泵剖面划分方法,提出了"最小相关子任务"(MAS)与"最小有效成分"(MEC)的概念:针对经典的FMEA分析方法,何龙璋在传统FMEA分析基础上考虑主泵这类特殊产品维修性特点,形成了FMEMA分析方法。本文对主泵研发过程的可靠性方法进行研究,提出了一种主泵的可靠性综合分析方法,解决了主泵可靠性信息匮乏、试验代价大的问题,能更有效地执行主泵的可靠性分析工作。

1主泵故障模式

轴封型主泵(本文简称"主泵")是立式、单级、从底部吸入的轴密封混流泵机组,轴向吸入,径向吐出,驱动冷却剂在回路中流动。主泵主要是由电机模块和水力机械模块配合驱动冷却剂的流动,同时由轴封系统防止冷却剂泄漏。主泵的简要结构如图1所示。

根据主泵各零部件的功能,对主泵进行如图2所示经典的金字塔形结构划分。主泵系统整体可以看作是由泵本体、电机、辅助系统、仪控组成,其中泵本体模块属于机械设备零部件,相对电子产品的可靠性研究不太成熟,同时也属于小子样、高可靠性机械设备的代表,对泵本体的可靠性试验需要时间和金钱。本文对主泵的可靠性研究即对泵本体的可靠性研究。

1.1机械设备的故障模式

故障模式,定义为故障的表现形式,一般是对产品所发生的、能被观察或者测量到的故障现象的规范描述,由于受到观测的现场条件限制,表现为不同的现象[5]。比如"主泵泄漏量大"来源于"静压轴封泄漏量大",继续向下,以层级考虑,可能是密封端面出现裂纹,所以对于金字塔型的产品结构,不同层级之间的故障模式是具有因果关系的。复杂机械设备的故障模式具有两个特点:(1)一个故障模式可能是由多个故障原因引起的:(2)故障模式在金字塔结构中具有传递性,底层故障模式是上层故障模式的原因。

对于机械设备零部件故障模式的研究众多,常见故障模式有变形失效、断裂失效、磨损失效与腐蚀失效。比如泵轴在运行中受到电机传送的巨大弯矩和温度的热应力冲击出现变形、弯曲:静环与轴之间形成密封作用,它们之间的相对运动可能导致磨损等。

接口是用来描述分析对象之间的交互作用的,常见的接口存在物理连接、材料交换、能量传递、信息交换等相互作用,可以从这四个方面去分析接口的故障。机械产品除自身的机械零部件故障之外,还存在两个零件之间接口出现的故障。比如主泵轴承轴瓦自身质量没问题,但是由于润滑介质压力不足,导致出现磨损故障:或者螺栓与螺帽安装松动,导致定位不准,出现振动异常等故障。

1.2主泵的故障模式

根据图2,按照零部件与接口故障划分,对泵本体各个子模块的主要故障模式考虑如表1所示。

2主泵可靠性模型

可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力[6]。而从故障发生的角度来看,可靠性就是指在规定时间内,没有影响任务功能的故障模式出现,所以对于产品的可靠性研究可以通过明确故障模式来提高对产品可靠性的认识。先做出如下假设:(1)产品的每种故障模式都会引起系统出现故障:(2)产品各故障模式之间独立,且每次只有一个故障发生。这样,产品在某一任务阶段内的可靠性如下:

式中,R(1)是产品的可靠性:1是产品正常运行的时间:7是产品规定的时间。

产品的可靠性就是在时间1、规定条件(工作环境)C下完成规定功能F的能力,数学上就是一个概率,是关于1、C、F的一个函数,在接受假设的条件下,也可以看作是每个故障模式发生概率PFMi的一个函数。

假设产品的可靠度服从指数分布,同时各故障模式出现的时间也服从指数分布,那么可以得到:

式中,k是产品所有的故障模式个数:λ是产品的故障率。

考虑到研究人员对产品存在的故障模式认知不全面,可能出现的故障模式范围为[1,m],研究人员未考虑的故障模式范围为[m＋1,k]。所以,想要降低产品的故障率,就需要遵守这两个准则:(1)发现更多的故障模式:(2)降低故障模式的发生概率。那么产品的最终故障率就会降低。

针对主泵结构建立基本可靠性框图模型,如图3所示(图中数字为编码,方便记录),是一个串联模型。

图中每个单元模型可根据式(1)和表1的故障模式建立,形成主泵的可靠性模型:

更为全面的故障模式信息可以根据后文FMEA分析确定每个单元所有可能的故障模式,建立更准确的模型。

3主泵可靠性综合分析

3.1FMEA分析

故障模式、影响及危害性分析(FailureModeS,EffectSandCriticalityAnalySiS,简称FMECA/FMEA)是一种"自下而上"对产品进行的故障分析。我们可以识别出底层零件的故障模式,并确定对高一层级模块的影响,那么故障模式就影响到了一个较高的层级,在较高层级上形成了故障模式,再这样迭代下去最终确定了最低层故障模式对最高层级的影响。在FMEA分析中,产品故障模式既可以利用产品在实际中发生的故障数据,也可以分析假想产品的故障。进行危害性分析时,根据故障模式频率、影响后果等来分配一个权重衡量危害性,然后可以根据权重的优先级消除危害性大的故障模式。所以,一般的FMEA分析流程大多先划分产品结构,然后分析底层故障模式影响,最终进行危害性分析,并确定纠正措施。具体细节步骤及表格可以参考《故障模式、影响及危害性分析指南》。

通过对主泵的FMEA分析,图2所示产品结构每个零部件的故障模式就被明确清楚地分析出来了,根据第2节主泵可靠性模型可知,主泵可靠性模型中各单元的可靠性就是该单元故障模式的函数。所以,通过FMEA分析就可以得到主泵及各零部件的可靠性模型,以故障模式为基础的可靠性模型就是对FMEA分析结果的抽象。同时FMEA分析得越准确,纠正措施制定得越合理,满足了第2节的两个准则,产品可靠性就得到了提高。

3.2可靠性增长

可靠性增长从实践来说就是要永久地消除某种故障模式,使产品可靠性得到提高。实现可靠性增长的主要方法就是试验一分析一纠正(TeStAnalyzeandFix,TAAF),主泵在方案制定时,往往会确定出一个明确的可靠性指标,在整个研制与生产过程中为了让可靠性指标达到要求,就需要不断地设计、更改,使可靠性不断增长,使主泵的设计成熟,实现生产定型,所以可靠性增长对保障主泵的可靠性意义十分重大。

AMSAA(ArmyMaterielSyStemSAnalySiSActiⅤity)是国际上常用的可靠性增长模型,基本假设如下:

(1)产品在开发阶段(0,t]内的总故障次数N(t)服从非齐次PoiSSon过程,均值函数是EN(t)=atb,瞬时强度入(t)=dEN(t)/dt=abt(b-1)。

(2)等到产品在T时刻生成定型后,后续若不做出改进,那么系统之后的故障时间服从指数分布:

式中,N(t)为故障的累计次数:a是尺度参数:b是形状参数。

那么在(0,t]阶段的执行可靠性增长就可以通过AMSAA模型进行分析。

主泵在试验过程中解决出现的故障,按照可靠性增长管理手册的内容,使用AMSAA模型对可靠性增长进行估计的步骤如图4所示,一定时间后可以预估出主泵的可靠性是否达到了目标值,如果没有就仍需要继续验证。

3.3FRACAS闭环纠错

FRACAS(FailureReporting,AnalySiSandCorrectiⅤeActionSyStem),全称为"故障报告、分析与纠正措施系统",是一种基于故障信息的闭环流动的管理系统,又称"闭环纠错系统",如图5所示。该系统的目的是在产品试验中及时报告产品出现的故障并进行解决,防止故障再现,保证产品在出厂后的可靠性。在主泵研发过程中,不同零部件的可靠性试验和整机试验可能会出现产品的故障信息,因此根据国军标的内容,采用FRACAS对主泵研发过程的故障信息进行闭环管理。

在主泵的可靠性工作中,FRACAS是一个对主泵进行可靠性控制的很好的工作项目,它能保证所有的故障报告都进入这个闭环流程。主泵的设计制造是一个联合研发过程,良好的FRACAS设计适用于这种协同合作,可以让资深的专家去执行故障分析,根据故障原因,由不同职责或部门的人员执行不同的故障处理流程。

3.4主泵可靠性综合分析

小子样、高可靠性产品的可靠性研究比较困难之处在于没有足够的可靠性数据累积,同时如果对产品进行试验,那么试验代价高,需要大量时间和金钱。而FRACAS作为在研发阶段就能对产品实际的故障信息进行获取的可靠性方法,能够得到十分宝贵的现场数据。利用FRACAS闭环信息形成的产品故障闭环信息知识库可以反馈给其他可靠性工作内容,形成主泵可靠性综合分析方法,如图6所示。利用FRACAS闭环流程清零试验中出现的故障,校正FMEA分析得到的故障原因:同时,判断主泵可靠性模型是否遗漏该故障模式与该故障模式的概率。当经历过长期试验纠正后,可靠性实现了增长,利用可靠性增长模型,判断是否达到主泵可靠性的目标值。

如果可靠性综合分析方法已经被广泛使用,那么之后在一个新主泵的研发制造过程中可以执行以下可靠性综合分析方法,具体流程如下:

(1)主泵初步设计结束后进行结构划分与功能分析。

(2)对产品进行FMEA分析,在考虑FMEA故障时,可以根据同类型主泵的故障闭环信息知识库,参考可能的故障模式。

(3)建立主泵的可靠性框图,对主泵进行建模,每个单元的可靠性与该单元故障模式的发生概率有关。

(4)对主泵各个零部件、模块执行加工制造,并执行零部件与整机的可靠性试验,试验中的故障使用FRACAS进行闭环管理,并将故障模式的数据存入故障闭环知识库中。针对产品出现的故障模式,去校正FMEA分析内容与主泵的可靠性模型。

(5)在研发试验或使用阶段,持续使用FRACAS进行故障闭环管理,长时间后可以根据AMSAA可靠性增长模型,对主泵的可靠性进行估计,确定是否达到了可靠性目标值。

3.5实践

在主泵轴封模块的性能鉴定试验中,某零件出现了磨损,利用主泵可靠性综合分析方法进行分析。

执行FRACAS闭环纠错,通过故障报告,分析与纠正解决了该故障。该故障形成故障模式知识库的一部分,故障模式是副密封O型圈无法定心支撑:故障原因是材料某元素比例错误:纠正措施是提高O型圈的回弹率和精度。利用知识库内容进行综合分析。

在设计阶段执行FMEA没有考虑到,将故障模式反馈给FMEA分析,按照FMEA表格增加该故障模式的分析内容,同时在轴封模块的可靠性模型中也增加了该故障模式的影响。在可靠性增长方面,等更长的试验时间和更多的故障出现后就可以利用增长模型估计出是否达到目标值。

4结论

本文通过对主泵可靠性分析方法的研究,探讨了主泵(泵本体)的主要故障模式,并建立了相应的模型。同时利用FRACAS闭环管理流程,将发现的故障模式等信息反馈到FMEA分析、可靠性模型、可靠性增长试验中,形成主泵可靠性综合分析方法(图6),最终可以有以下结论:

(1)FRACAS作为主泵可靠性分析的优选方法,可将试验中的故障信息反馈给FMEA分析,更新可靠性模型,实现主泵的可靠性增长,这样主泵的试验信息就能被充分利用起来,提高了可靠性设计分析工作内容的有效性,形成了主泵综合分析方法。同时,该综合分析方法不仅能用于主泵,还可用于小子样、高可靠性的其他产品。

(2)本文研究了主泵的故障模式,提出了以故障模式为基础的可靠性模型,得到了提高产品可靠性的两个准则一发现更多的故障模式和降低故障模式的发生概率,这也是产品进行可靠性设计与分析的方向。