設備磨損、機械故障和可靠性關系及應用

魏光華

（廣東大鵬LNG有限公司 廣東深圳）

機械設備在使用過程中必然產生設備磨損，這也是造成機械設備損壞和報廢的主要原因之一。廣東大鵬液化天然氣有限公司（以下簡稱GDLNG）按照廠家建議進行計劃檢修時，每次均發現設備存在或多或少的磨損現象，雖未引發設備故障，但卻存在較大隱患。自GDLNG投產以來，設備檢修發現的問題主要集中在部件的磨損上，有些設備的磨損已經到了極限，若不及時維修，可能會因某一備件損壞而造成整機故障或事故（如海水泵的軸套）；也有些設備僅僅存在輕微磨損，按計劃大修將造成備件浪費（如高低壓泵軸承軸套）。因此正確認識設備故障和磨損規律，合理安排維修計劃和使用設備，是提高設備可靠性、保證設備正常運行和減少維修費用的重要手段之一。

一、設備磨損規律

從檢修記錄看出，可能造成設備故障的因素主要在有相對運動的零部件之間（如軸承、軸套、齒輪、離心泵口環、平衡盤、壓縮機滑道和密封環等），當磨損量超過允許限度時會導致設備失效。據相關資料統計，全世界超過1／3的能源消耗在各種摩擦損耗上，80%的機械設備的零部件是由于磨損造成直接或間接事故而報廢，可見認識和重視磨損規律對設備管理工作很重要。

1.磨損的概念和類型

磨損是指固體相對運動時，在摩擦作用下，摩擦面上的物質不斷損耗的現象，其主要表現形式為物體尺寸或幾何形狀的改變、表面質量的變化。磨損會使機械零件喪失精度，并影響其使用壽命和可靠性。從廣義講，磨損分為兩種情況：①有形磨損，設備長期閑置或停放環境差均會降低工作精度，甚至喪失作業能力。如接收站的雨水泵，若長時間沒有下雨，水泵長期置于停用狀態且操作員未定期啟動運行，泵軸長期保持同一位置而彎曲或因內部污水銹蝕，造成精度下降，無法工作。②無形磨損，由于技術進步或市場競爭，新的同類產品價格下調，或技術、功能更先進的設備，對現有設備而言就已產生無形磨損和無形貶值，如接收站原來的SAMGONG快速脫纜鉤，因結構設計存在缺陷，經常出現脫鉤現象，從投產到2010年底的維修費用已經超過200萬RMB，雖然更換整套國產脫纜鉤費用也接近這個費用，但從設備可靠性和市場占有率來看，更換整套脫纜鉤更加合理。當然，在評估磨損后的更新改造案例時，在設備管理理念上會涉及到設備壽命周期費用和設備費用效率問題，本文不做進一步討論。

2.典型的磨損過程

從磨損的過程考慮，磨損有正常磨損和非正常磨損之分。正常磨損（圖1）一般分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損等3個階段，其中A、B為3個磨損階段的臨界點，可以認為磨損量與使用時間成正比。在初期磨損階段，設備各零部件表面宏觀和微觀幾何形狀均出現明顯變化。這是由于在加工制造過程中，零件表面不可避免地具有一定粗糙度，用放大鏡觀察可發現其表面有許多“凸峰”。當零件相互配合作相對運動時，由于摩擦“凸峰”很快被磨平，因此設備初期磨損速度很快，且主要發生在調試和初期使用階段。由于零部件表面上的高低不平及不耐磨的表面組織在初期磨損階段已被磨去，故正常磨損階段的磨損速度較前一階段要慢，磨損量基本隨時間均勻增加。急劇磨損階段的出現往往是零部件已達到其使用壽命（自然壽命）而繼續使用造成的，因破壞了正常磨損關系使磨損加劇，磨損量急劇上升，進而造成機械設備的精度、技術性能和生產效率明顯下降，甚至造成機械事故。

GDLNG投產后前3年出現了很多計劃維修（PM）之外的糾錯性維修（CM）和緊急維修（EM）。最初是海水泵P-8101A推力軸承在試車階段損壞，2007年底出現P-1101B低壓泵在運行2000 h后振動超標而只能提前大修等問題，這些均屬于設備初期磨損階段事故。隨著設備正常運行和PM的深入開展，2009年中開始，CM數量明顯減少，以LNG罐T-1101兩臺低壓泵為例，2006年投產后—2009年3月13日，CM數量為24項，此后CM總數量為13項。從年度大修結果看，設備的軸、軸套和軸承等相對運動磨損件比較有規律，可根據上一次大修情況和經驗，判斷下一次大修時間，在以后幾年正常運行時間內，這種規律將循環出現。對于整機設備，由于有規律地開展PM，整機也會處于正常磨損階段，至于從正常磨損階段進入急劇磨損階段，或從初期磨損階段直接進入急劇磨損階段的時間，則與維修人員平時是否認真維護和操作人員是否認真操作有很大關系。但在實際實施中，僅依靠維修和操作的認真協助是不夠的，既有可能出現維修過剩而造成浪費和降低設備使用率，也有可能出現維修不足而造成設備隱患或設備過度磨損，為此，可采用數學模型進行綜合評估。

圖1 正常磨損的典型過程

二、機械磨損、機械故障度及可靠性的關系

設備維修管理經常涉及可靠性維修問題，其中設備的可靠度R（t）是可靠性維修的1個重要技術指標，即設備在規定條件下和規定時間內完成規定功能的概率，與之對應的是故障率F（t），兩者關系為 R（t）+F（t）=1。設備磨損將降低設備可靠性，增加設備故障率，而且隨著磨損加劇和頻率增多，故障表現更加多元化，產生惡性循環。如海水泵，其軸套材料為莫奈爾不銹鋼，但其他部件材料都是雙向不銹鋼，盡管這兩種材料均有良好的防海水腐蝕能力，但由于材質不同會在海水中產生電化學腐蝕，每次大修時都發現軸套腐蝕嚴重，這將加快軸套的磨損。一旦腐蝕和磨損到完全不能支撐泵軸運轉時，泵軸就可能產生彎曲，從而造成更多部件變形和故障，直接導致故障率 F（t）上升，R（t）減少。

對于轉動設備，故障更多是因軸承過度磨損、軸彎曲或轉子動平衡偏離而造成，無論是軸承、軸還是整個轉子部件，在使用壽命周期內出現的故障均為弱耗損型，符合威布爾分布或指數分布特點。其實，指數分布是威布爾分布的特殊式，在一定條件下是成立的。經過了解現場設備運行情況，采用指數分布對如P-7501雨水泵進行驗算時，結果與實際情況比較接近，認為指數分布函數這種故障率評估更適合于GDLNG的BOG壓縮機、LP/HP、海水泵、消防泵和一般離心泵等設備的日常監控和計劃維修工作。

三、可靠性分析及計算在設備維修管理中的應用

圖2 管理系統MAXIMO截圖

采用可靠性分析辦法適合對單臺設備的評估，也可以針對整套系統的評估。系統的可靠度分為串聯系統可靠度和并聯系統可靠度，串聯系統是指系統中的一個部分出現故障可能會影響整個生產線的停車，如碼頭泊船系統，若卸載臂液壓系統、或其中一整套速脫纜鉤、或者登船梯中任何一項出現問題，那么LNG船都不能按時靠岸，其R（t）值就是各個單項R（t）的乘積；并聯系統是指系統中任何一個部分出現問題，都不會影響整個生產線的正常運行，如9臺低壓泵（LP）作為LNG輸送的主要設備，即使其中3臺出現故障，一般都不會影響到站內的正常輸送。其R（t）值為各單項F（t）值乘積后與常數1差的絕對值，計算比較復雜。

采用以上辦法可以對現場高低壓泵,BOG壓縮機等關鍵設備的可靠性進行估算，但這種估算需要大量數據支持，維修可以借助更多資料，利用專業RCM（以可靠性為中心的維護）工具和數據分析，將維修工作做得更加科學。

四、結束語

機誡設備正常磨損到出現故障的時間比較隨機，但可從日常生產和維修中找出趨勢和規律，并做到及時應對和預防。維修人員可借助RCM專業監測工具，使用科學計算方法，使狀態維修和計劃維修相結合，避免設備磨損加劇甚至出現設備事故，作為設備維修的人員，應該做到如下幾點。

（1）如果設備使用合理，同時加強維護，設備正常使用階段的期限可以延長，保證加工質量和提高經濟效益。反之，將縮短正常使用期限，不但影響正常生產，而且會增加設備的維修費用。

（2）對機械設備要定期檢查。在進入急劇磨損之前就要安排修理，防止發生事故。根據可靠性分析函數，過去維修頻率越多，以后出現事故維修的可能性越大，機械設備每進行一次大修，設備的正常使用期限就要比上一次短。2～3次大修后，設備的正常使用期限比新設備大大縮短，因此在對過去的使用情況進行可靠性分析后，如果允許，可以適當延長大修周期，最大可能提高設備使用率。

（3）正常磨損階段的磨損與時間或生產情況成正比，可根據運轉記錄進行統計分析后加以判斷，在DCS沒有監控到的設備，可以根據日常經驗、外輸量甚至設備運轉聲音來加以判斷，為設備的檢修提供參考時間。

（4）可靠性工作需要大量數據進行累積和分析，需要各部門大力協助。

1 劉國軍.機械設備的磨損與潤滑管理.林業科技情報，2014，1

2 屈梁生等.機械故障診斷學.上?？萍汲霭嫔纾?986

3 陳克興.設備狀態監測與故障診斷技術.北京:科學技術文獻出版社，1991