泵站機組潛在失效模式及后果分析

孫 博，李 揚，趙立賓，王肖肖

（山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100）

0 引言

膠東地區引黃調水工程自濱州市博興縣打漁張引黃閘引取黃河水，自東營小清河子槽上節制閘引取長江水，途徑濱州、東營、濰坊、青島、煙臺、威海6市16個縣（市、區），輸水線路總長482 km，7級提水泵站、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，是緩解膠東地區水資源短缺矛盾、構建山東大水網體系、實現全省水資源優化配置而實施的遠距離、跨流域、跨區域重大戰略性民生工程。工程設計年調水規模3.83億m3，2003年12月開工建設，2013年7月實現主體貫通，2013年底試通水運行，2014年以來先后完成調流調壓設施、管理設施、水土保持、安全防護、自動化調度系統建設，2019年底工程竣工驗收，正式由建設階段轉入管理運行階段。據統計，十三五期間（2016年-2020年）膠東地區引黃調水工程累計為煙臺市供水4.95億m3，為威海市供水3.56億m3，供水效益顯著，為膠東地區乃至全省經濟社會發展提供安全可靠的供水支撐和保障，實現了全省水資源優化配置，有效緩解了膠東地區水資源供需矛盾，改善了當地生態環境。

調水工程事關民生用水大計，其核心設備泵站機組大量投建。在調水工程通水運行過程中，泵站機組的異常停機會導致設備失效從而影響整個調水系統的穩定性和安全性，而泵站機組往往結構繁多，部件復雜，是一個復雜的系統工程。各個子部件的失效對系統的安全影響不一[1]。因此，作為狀態檢修的核心步驟，泵站機組潛在失效模式及后果分析可以分析部件重要程度，針對泵站機組安裝和運行中可能存在的故障模式，采取對應的預防和改進措施，避免或者降低經濟和社會重大損失[2]，對提升設備的健康管理水平，提高泵站運行管理水平具有重要的科學價值和實踐意義。

1 泵站故障模式及影響分析

膠東地區引黃調水工程采用加壓提水和重力流輸水相結合的輸水方式，全線共設灰埠、東宋、辛莊、黃水河、溫石湯、高疃、星石泊7級提水泵站；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；配套建設自動化調度系統、管理設施、水土保持和輸變電工程等。閘門、泵站、閥、空氣閥、調壓室、泄壓閥等多種水力設施在實際運行中難以避免存在故障模式，面對泵站運行新常態，迫切需要針對泵站機組變工況、強噪聲環境下的健康狀態評估難以刻畫的問題展開研究，準確模擬工程水力瞬變過程，分析水力元件對水力瞬變的影響，加強對泵站機組狀態評估，合理安排機組運行，保障工程安全經濟運行。

為提高膠東地區引黃調水工程系統、設備與運行的安全可靠性，全面正確地分析泵站調水工程過渡過程中的水流特性，按照調水系統的真實結構及組成元件的真實特性，對工程全系統進行了水力過渡過程研究。計算過渡過程的范圍從濱州引黃閘斷面開始，沿輸水明渠、管道、暗渠、隧洞及各級供水泵站提水，最后進入下游米山水庫。計算工況包括：各級泵站的正常起動和停泵工況，進行起動和停泵程序研究，優化起動和停泵程序校核各泵站前池是否滿足系統運行的最小尺寸；各級泵站的事故停泵工況；全系統聯合運行的不同流量下的穩態工況，得到穩態水面線,校核系統過水能力等。對各級泵站管道系統的正常起動、停泵工況和事故停泵工況計算，確定了最優開閥規律和關閥規律，得到管道系統的最大水錘壓力上升、最小壓力以及水泵的最大倒轉速；全系統穩定工況計算，得到穩態時全系統沿程水面曲線，驗證了池岸、渠頂、洞頂(包括暗渠)等高程是否符合規范要求和系統各部水流銜接是否順暢。全系統水力過渡過程仿真計算和水錘分析為輸水工程方案設計、管線布置、泵參數選擇、安全保障措施及調度運行方案的制定提供了科學依據。

通過對泵站機組失效因素、失效類型研究，識別出常見不同故障的特征，并在此基礎上研究不同的故障造成泵站運行、管道運行的影響。泵站機組主要由電氣、機械、水力和軸系等部分組成，如圖1所示。其中，葉輪和過流部件屬于水力部分，將電能轉為水的勢能；機械部分將電動機的電能轉換為轉軸的旋轉機械能；軸系部分負責傳遞轉矩和穩定的作用，提高系統能量轉換效率，電動機是整個系統的能源供給。

圖1 泵站機組結構圖

目前，FMEA已形成一套科學的分析方法，并在工程實踐中得以成功應用[5]，如圖2所示：

圖2 FEMA過程圖

FMEA用嚴重度、發生率、不易探測度等指標來識別關鍵部件。嚴重度分值越高表示故障對系統的影響越嚴重。發生率出現的概率越大其分值就越高。不易探測度是指在采取現行的控制方法后故障能夠被檢測的難易程度。

2 泵站機組故障統計

在提煉出FMEA的主體框架后，需要結合泵站機組的具體故障進行統計分析，來確定關鍵部件和失效影響。

根據國內外若干座大型低揚程泵站運行過程中發生的事故和故障統計分析，泵站發生故障的類型主要有兩種，一是由建筑物或/和設備自身缺陷引起的故障；另一種是由于運行條件發生改變、偏離原先設計值，交變荷載的長期作用使零件產生疲勞破壞導致的故障發生。根據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多導致攔污設施故障、水位過高引起水工建筑物開裂和構件破損以及流速過大引起的上下游翼墻護坡塌陷等，建筑物故障類型統計如圖3所示。

圖3 泵站建筑物故障統計分類圖

設備故障以某省泵站樞紐的泵站甲和泵站乙為例。對其運行的失效故障進行統計分析，停機檢修的嚴重故障共計36次，詳細情況如表1所示。泵站故障統計與分類見圖4。

圖4 大型泵站機組關鍵部件故障頻次統計圖

表1 水泵機組故障分類統計表

同時，通過調查某省61座大型低揚程泵站運行情況，粗略統計10年內各部件故障發生的次數如圖5，計52次，出現問題的部件及機構主要為推力軸承10次、占19.2%；水導軸承8次、占15.4%；電機絕緣18次、占34.6%；葉片調節機構3次、占5.8%；葉片氣蝕等13次、占25%。顯然，與江都四站的統計結果類似，故障率較高的是軸承和電機，均為34.6%，從統計結果看，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

通過上述機組故障統計和分析，可以通過識別關鍵部件來定性得到可靠度計算框架[6]，推力瓦、軸系域導軸承、電機、葉輪、調節控制設備等均有嚴重故障發生，屬于核心關鍵部件，而燒損、磨損、絕緣老化、調節失效、葉片氣蝕則屬于關鍵故障原因。

上述關鍵故障原因則涉及到主體系統、控制系統、輔助設備等，因此，需要將泵站機組分解為主體、 葉片調節機構、輔助設備（油、氣、水等）。同時可以將泵站設備的功能結構和可靠度評價進行有機結合，實現基于故障模式及影響分析的可靠度分析。將設備可靠度分為泵站機組本體可靠度、控制系統可靠度、油系統可靠度、氣系統可靠度、水系統可靠度等五類可靠度計算框架，具體可靠度分析框架如圖5所示。

圖5 可靠度計算框架

設備可靠度分析是基于結構劃分，建立4層結構，頂層為設備層，第二層為部件層，第三層為構件層，第四層為零件層。通過不同零件的可靠度程度加權組合可以得到不同構件的可靠度，通過不同構件的可靠度加權可以得到不同部件的可靠度，最終得到整個設備的可靠度。

通過上述可靠度計算，可以由專家給出各個細節部件的可靠度，然后由各個層級來定性評估出整體系統的可靠度。

4 結論

通過對泵站機組失效因素、失效類型研究，識別出常見不同故障的特征，并在此基礎上研究不同的故障造成泵站運行、管道運行的影響。同時對泵站機組的各類故障頻次進行了統計分析，結合統計分析結果，制定基于失效分析和故障模式的可靠度計算框架，為泵站機組安全運行提供理論指導和工程參考。