基于故障樹分析方法的化工離心泵常見故障研究

李磊磊，高勇強，馬 驥，史家同

（中國石油長慶石化公司，陜西咸陽 712000）

離心泵機組是煉化企業重要且普遍存在的組成部分，承擔著為化工生產連續穩定輸送物料的重任，所處工藝環境復雜、工況苛刻，而且輸送介質經常是易燃、易爆、有毒、有害物質［1］，其運行狀態的好壞直接關系裝置的正常生產、經濟效益和人員安全，采取合適的方法做到早發現、早預警、早處理非常必要。文中采用故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)［2］方法對離心泵常見故障進行可靠性分析及研究。

1 化工離心泵結構及常見故障

1.1 結構組成

單級化工離心泵結構組成見圖1。化工離心泵主要由泵殼、機封、葉輪、軸承及平衡裝置組成［3］。離心泵需要在開始工作前灌泵，使液體充滿泵殼。葉輪多為封閉式，負責將機械能輸送到流體中。葉輪、軸與泵殼之間有密封件，起防止液體泄漏作用。軸和軸承結構可防止葉輪在正背面受到不同壓力時的振動和磨損。離心泵工作時，葉輪在泵軸的作用下發生旋轉，產生離心力，將液體從中心拋出，此時，葉輪的中心出現了一個負壓，液體從泵的進口流到葉輪的中央，泵不停地旋轉，將液體抽出來［4］。

圖1 單級離心泵結構組成示圖

1.2 常見故障

煉化企業生產通常為連續狀態，離心泵長時間運行會發生一些常見故障。例如，泵體振動較嚴重、異常聲響、電流電壓異常、軸承發熱嚴重、流量不足等［5］。長慶石化公司離心泵故障維修記錄的多種常見故障及其代號見表1。

表1 長慶石化公司離心泵常見故障

2 故障樹分析法理論

2.1 故障樹建立

故障樹分析法是一種自上而下的圖形推理法［6］，由H.A.Watson 等人在1961年提出，FTA 能夠對復雜系統隱藏的危險進行預測和安全性分析，是進行故障識別、可靠性分析的有效方法和手段。

化工裝置的故障診斷需要有一定的維修經驗，還需要對裝置的組成和工作狀態有很好的了解，這些都符合故障樹的實際應用特征，因此運用FTA 對系統的薄弱部分進行分析，對了解指導設備的操作與維護具有重要的意義和作用［7］。故障樹法分析流程見圖2。

圖2 故障樹法分析流程

故障樹以故障現象為頂事件，按系統、組件、零件方式進行分層，以失效的根源作為底事件，用事件符號將其關系以樹狀的形式表示出來。常用的故障樹符號見表2。

表2 常用故障樹符號

2.2 定性分析

故障樹的定性分析是進行定量計算的前提，它的主要目的是找出頂部事件故障產生的全部原因及組合，也就是要找出故障樹最小割集。割集是由底事件組成的，當底事件全部失效時，將會導致頂部事件故障的出現。如果去掉其中的任何一個底事件就不能是割集，那么這個集合就是最小割集［8］。復雜系統出現故障時通常伴隨著多個底事件，最小割集是頂事件發生的充分必要條件，每個最小割集都可能導致頂事件的發生，而系統風險與最小割集的數目相關［9］。因此，定性分析尋找最小割集能確定系統的主要故障模式，識別出易發生故障的關鍵部件，為設備部件的維護和故障識別提供可靠依據。

2.3 定量分析

故障樹定量分析能夠根據所有原因事件發生的概率估算求出頂事件發生概率，進而也能計算得到各基本事件導致頂事件發生的影響程度及系統主要部件的可靠性指標［10］。

將最小割集看作獨立事件且最小割集中不存在多次發生的底部事件，設故障樹有n 個最小割集，則頂事件T 發生的概率P(T)為：

設底事件Xm發生的概率為P（Xm）（m=1,2，…，Ci），則包含底事件Xm的最小割集Ci的概率P(Ci)為：

式中：m 為最小割集Ci的階級。

設最小割集Ci的概率重要度為ICi，底部事件Xm的概率重要度為IXm，則ICi、IXm分別表達如下：

根據計算的底事件發生概率值和最小割集的重要性次序，從大到小依次排列所有底事件，可以得到底事件排序。依據事件的嚴重性，可以采取相應的改進措施。

2.4 可靠度［11］

可靠度是指在規定的條件下和時間內產品完成指定功能的可能性。可靠度是時間的函數，記為R（t），即：

式中：T＇為產品的壽命；t 為規定的時間；F（t）為產品在規定時間t 時的不可靠度，即失效率或失效概率。

離心泵可以看成一個組件，其可靠度是各部件可靠度的乘積，可表示為：

3 離心泵故障樹分析

3.1 故障樹建模

根據表1 中化工離心泵常見故障描述，以最不希望離心泵出現故障為頂事件，以異常振動和噪聲、排量為0、原動機過載、系統外泄、流量不足和軸承發熱等6 類（分別用E1～E6表示）故障作為子樹，同時以E2包括的排壓為封閉壓力、吸入真空大、真空不足和排壓低為4 個中間事件(分別用E7～E10表示)，建立故障樹模型，見圖3。

圖3 離心泵故障樹圖模型

3.2 定性分析［12］

基于離心泵故障樹模型，運用下行法求出故障樹的最小割集并進行布爾運算。頂部事件P=E1+E2+E3+E4+E5+E6，中間事件E1=X1+X2+X3+X4+X5+X6，E2=E7+E8+E9+E10，E3=X7+X8+X9+X10+X11，E4=X25+X26，E5=X27+X28+X29+X30，E6=X12+X13+X14，E7=X15+X16，E8=X17+X18+X19，E9=X20+X21，E10=X22+X23+X24。由于各底事件相互獨立，可知離心泵故障樹最小割集共有30 個(X1～X30),且每一個都表示可能導致離心泵故障的原因和失效機理。

3.3 定量分析

3.3.1 發生概率計算

離心泵故障類別繁雜，發生故障的條件各不相同，無法直接得到準確數據。通過分析零部件維修記錄及估算故障發生頻率這2 種途徑統計最小割集包含的底部事件，以固定機泵區域1 a 時間發生的故障樹為總量，計算所有底部事件發生概率，結果見表3。

表3 離心泵故障樹底部事件發生概率統計

已知各底部事件的發生概率之后，根據式（1）計算離心泵故障頂部事件和各中間事件的失效概率。以異常振動和噪聲發生概率P（E1）為例，P（E1）=1-［1-P(X1)］［1-P(X2)］［1-P(X3)］［(1-P(X4))［1-P(X5)］［1-P(X6)］=1-0.948=0.052。同理，得到所有中間事件失效概率，見表4。

表4 離心泵故障樹各中間事件失效概率計算結果

3.3.2 重要度計算

計算各底部事件的重要度，即底部事件對頂部事件發生概率的影響程度，能夠進一步確定泵故障預防的重點，對減少事故發生有著重要意義［13］。對于一階割集，其重要度與對應底部事件的重要度一致。以中間事件E1的重要度IE1為例，根據式（3）可得到IE1=P (E1)/P (T)=0.052/0.304 1=0.171 0。同理，計算各最小割集的概率重要度，結果見表5。

表5 離心泵故障樹中間事件概率重要度計算結果

根據分析計算結果，排量及流量問題是離心泵故障的重要事項，會導致流量不穩甚至不上量，造成操作波動及機泵機封的干磨。其次，異常振動、噪聲及電機過載等說明機泵和電機潤滑出現缺陷，引起振動和溫度異常。因此，需建立嚴格的管理制度，強化日常巡檢任務，確定日常維護檢查內容，為高危機泵加裝振動、溫度等傳感器，監測機泵運行狀態，減小機泵故障出現的概率。

3.3.3 可靠度計算

影響化工離心泵運行可靠性的因素很多，但主要體現在機封、軸承、泵軸、葉輪等零部件上［14］。離心泵重要零部件的實際使用情況及可靠度計算值統計結果見表6。

表6 離心泵重要零部件可靠度統計數據

采用表6 的數據，根據式（6）估算離心泵系統的可靠度R（t）。

R（t）=0.978×0.995×0.991×0.984×0.983×1.000≈0.933

計算結果表明，離心泵的發展已非常成熟，可靠度較高。日常生產中應重點關注離心泵的機封及密封狀態，保證油杯及二級密封的油液位在正常范圍，調整隔離液油溫合適。計劃性檢維修時，可以通過更換新的機封等密封件來延長機泵使用周期，使運行更加可靠。

4 結束語

化工離心泵作為使用廣泛的動設備，在企業連續生產中占有重要地位，其結構復雜且工作環境惡劣，故障多發而且原因多樣，有必要系統研究，總結常見故障，提出預防措施。故障樹分析可對離心泵設備易出現故障的脆弱部件及日常檢修提供指導并提前制定預防措施，有效提高設備運行的可靠度，確保設備能夠正常運行，促進企業穩定運轉，維護企業的經濟效益。本文中建立了化工離心泵常見故障模型，通過定性分析系統故障和定量計算各底部事件和頂部事件的失效概率，得到了各底事件在離心泵系統的重要度，估算了零部件和系統的可靠度，可為化工離心泵常見故障的處理提供參考。