船海工程液压潜液泵系统可靠性分析与设计*

陈长钦，王 琰，矫 艳，常百津，赵雷刚，丁洪志，李美玉

（1.海油能源发展股份有限公司，天津 300425；2.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084）

0 引言

液压潜液泵系统作为船海工程化学品船、成品油船、FPSO用于将液货舱内的液货向外部输送的泵送设备，卸载介质包括液态化学品、成品油、原油等。由于输送介质易燃易爆，其工作过程具有非常高的风险性，同时其故障将导致液货不能按时、正常卸载，对船舶经营者将产生较大经济损失，要求液压潜液泵系统设计寿命周期内，不会出现I 类（引起人员死亡或产品毁坏、重大环境损害）、Ⅱ类（引起人员的严重伤害或重大经济损失或导致任务失败、产品严重损坏及严重环境损害）故障而影响外输安全。潜液泵系统的使用环境，决定了其需具有非常高的工作可靠性，工作性能应在规定时间内得到保证，同时部件应具有免维护性［1－2］。

潜液泵系统可靠性设计将针对潜液泵系统建立可靠性模型，制定可靠性指标，进行可靠性分析，消除潜液泵系统寿命薄弱环节，采用有效的科学性设计方法，减少产品故障的发生，最终实现可靠性的要求。

1 可靠性设计基本流程

1.1 系统组成

液压潜液泵系统主要由4 部分组成：潜液泵、液压系统、电控系统、系统附件。潜液泵承担液货卸载，液压系统为潜液泵提供驱动动力及液压控制，电气系统实现潜液泵、液压系统监测与控制，系统附件为潜液泵系统安装、维护工具。如图1所示。

图1 液压潜液泵系统

1.2 可靠性设计流程

液压潜液泵系统可靠性设计目标是在设计寿命周期内，不会出现I 类、Ⅱ类（参考GJB1391 －2006 进行定义）故障而影响船海工程正常外输［3］。结合液压潜液泵系统产品特点，并依据可靠性设计相关标准规范、制定液压潜液泵系统可靠性设计基本流程，如图2 所示［4－6］。

图2 液压潜液泵系统可靠性设计基本流程

2 FMEA可靠性分析

2.1 FMEA分析步骤

FMEA即“故障模式和影响分析”，是生产过程中一项事前预防的分析手段。FMEA 方法以表格形式分析当系统最基本构成零件或构件发生故障时，会对上层子系统或系统造成何种影响。通过FMEA分析可以确定故障原因，并通过对策来消除故障原因，降低故障影响［7－8］。FMEA 的基本分析步骤如图3所示。

图3 FMEA分析步骤

2.2 液压潜液泵系统FMEA分析

2.2.1 系统定义

系统定义主要包括确定产品的任务功能和工作方式、定义产品约定层次、制定产品的编码体系、绘制产品方框图、确定产品的故障判据等。

（1）确定产品的功能和工作方式

在进行系统定义时，应对产品的功能进行准确描述。以系统中液压潜液泵为例，其设计功能是采用液压马达将液体压力能转换成液体能量的机械，液压潜液泵用来增加液体的位能、压能、动能（高速液流），以获得满足设计要求的流量和扬程的液体。

（2）定义产品约定层次

定义产品的约定层次的过程实际上是建立产品系统结构树的过程。在FMEA 中的约定层次，划分为“初始约定层次”、“约定层次” 和“最低约定层次”［9］。以潜液泵单元为例，经过对潜液泵的功能和结构分析，潜液泵单元主要包括泵头组件、管柱组件和顶板组件3 部分。泵头组件功能是将液压动力转化为机械能，驱动水力元件作功，向外输送液货介质，其所包含的零件又可分为驱动轴系组件、水力执行组件、泵罩组件、密封组件等。驱动轴系组件功能是通过液压马达的动力，带动泵轴旋转，泵轴通过轮毂带动叶轮旋转，轴承用于支撑泵轴；水力执行组件用于实现液货介质的输送；密封组件实现液压油、密封液、货油介质三者之间的有效隔离，并实现泵罩内部的零部件与货油介质的隔离，实现密封、密封监测、防腐耐蚀等功能；泵罩组件用于实现驱动轴系组件的有效支撑。

（3）制定产品的编码体系

为了对产品的每个故障模式进行统计、分析、跟踪和反馈，应根据产品的功能及结构分解或所划分的约定层次，制定编码体系。以液压潜液泵系统为例。首先定义液压潜液泵系统编码为000。液压潜液泵系统包含的4 个组件潜液泵单元100、液压系统200、电控系统300、系统附件400。下属的组件、零件分别对应增加为第三层编码和第四层编码。液压潜液泵系统可靠性编码框图如图4 所示。

图4 液压潜液泵系统可靠性方框图

（4）确定产品的故障判据

故障判据是判别产品故障的界限，以潜液泵单元为例潜液泵单元的故障判据可根据基本参数要求和功能要求来确定，对应的故障判据有以下几点：①流量达不到规定值或流量超标，或流量不稳定；②扬程达不到规定值或压头超标，或压力不稳定；③调速阀调节功能失效，不能实现转速的无极控制，或限速功能失效；④扫舱残油量不符合设计要求；⑤密封出现泄漏；⑥泵单元不满足货油介质防腐耐蚀要求，或不满足海洋环境下的防腐蚀要求；⑦振动值不满足JB／ T8097－1999；⑧噪声不满足标准JB／ T8098－1999 要求。

2.2.2 故障模式及影响分析

（1）故障模式分析故障模式是故障的表现形式。故障模式的获取方法：在进行FMEA 时，一般可以通过统计、试验、分析、预测等方法获取故障模式。对采用现有的产品，可从该产品在过去的使用中所发生的故障模式为基础；对采用新的产品，可根据该产品的功能原理和结构特点进行分析、预测，或以与该产品具有相似功能和相似结构的产品所发生的故障模式作为基础，如可以以多级叶轮式离心泵的故障模式作为基础，来分析潜液泵的故障模式。

在进行故障模式分析时，应注意区分两类不同性质的故障，即功能故障和潜在故障。功能故障是指产品或产品的一部分不能完成预定功能的事件或状态。潜在故障是指产品或产品的一部分将不能完成预定功能的事件或状态。图5 所示为功能故障和潜在故障的关系，其中点A表示无故障；点B表示初始裂纹，不可见；点C表示潜在故障，裂纹可见；点D表示功能故障，断裂。

图5 功能故障和潜在故障的关系

在进行故障模式分析时还应注意，应确定和描述产品在每一种功能下的可能的故障模式，一个产品可能具有多种功能，而每一种功能又可能具有多种故障模式。在获取潜液泵每个零件的故障模式时，可以参考已有的故障模式。如密封圈常见的故障模式为老化、塑性变形。泵轴的故障模式有：裂纹、疲劳断裂、弯曲、塑性变形、腐蚀、磨损、振动。

（2）故障影响分析

故障影响指每一个故障模式可能造成的各种后果，这些后果既包括对产品本身的影响，也包括对操作和使用人员、公共设施、财产、环境等多方面的影响。在分析时，不仅需要确定对当前层次产品造成的影响，而且还要确定对其他层次产品的影响。GJB 1391 推荐的表格中，FMEA 应确定的故障影响包括局部影响、高一层次影响和最终影响3 项。

（3）分析结果

依据液压潜液泵系统以及各组成模块的功能要求。查找相关液压潜液泵系统故障资料，详细分析统计液压潜液泵系统以及各组成模块的故障模式，结合故障模式初步判定故障影响，故障影响系指每个假设的故障模式对潜液泵使用、功能或状态所导致的后果。并根据后果判定其故障类型。液压潜液泵系统共计梳理出22 条故障模式、潜液泵单元共计梳理出19 条故障模式、液压系统共计梳理出25 条故障模式、电控系统共计梳理出20 条故障模式。液压潜液泵系统部分故障模式如表1所示。

表1 液压潜液泵系统部分故障模式

故障原因分析的主要目的是找出每个故障模式产生的原因，进而采取针对性的有效改进措施，防止或减少故障模式发生的可能性。

针对液压潜液泵系统、潜液泵单元、液压系统、电控系统故障模式进行详细分析，液压潜液泵系统16 条故障模式共计梳理出33 条故障原因；潜液泵单元19 条故障模式共计梳理出90条故障原因；液压系统22 条故障模式共计梳理出46 条故障原因；电控系统16 条故障模式共计梳理出48 条故障原因。最后形成液压潜液泵系统FMEA 表。液压潜液泵系统失效模式FMEA表如表2 所示。

表2 液压潜液泵系统失效模式FMEA表示例

3 可靠性设计

依据FMEA表中的详细分析，系统的梳理设计过程控制预防、设计过程控制探测等措施，并形成控制策略汇总表。针对液压潜液泵系统、潜液泵单元、液压系统、电控系统各个故障模式的各个故障原因进行了详细控制策略分析，液压潜液泵系统16 条故障模式共计梳理出33 条故障原因，33 条故障原因共计梳理出20 条控制策略。控制策略主要从冗余设计、降额设计、工艺控制、主动维保、系统监测、备品备件等6 个方面进行梳理［10］。

4 可靠性试验验证

基于液压潜液泵系统可靠性分析和设计，依据可靠性验证要求，对产品进行可靠性试验验证，包括整机和关键部件可靠性试验如图6～7 所示。产品已连续无故障运行168 h，累积无故障运行2000 h，调试阀经过3000 次耐久性试验验证，经验证系统可靠性满足要求［11－12］。

图6 潜液泵系统整机可靠性验证

图7 潜液泵系统关键部件调速阀可靠性验证

5 结束语

针对液压潜液泵系统的高危险性使用环境和高可靠性使用要求，制定了系统可靠性设计目标。通过FMEA 可靠性分析，识别了液压潜液泵系统各部套和零件故障模式、故障原因和影响，找出了液压潜液泵系统的薄弱环节，制定了基于可靠性分析的控制策略，包括系统冗余设计、降额设计、工艺控制、主动维保、备品备件以及系统监控6 个方面的可靠性控制措施，有效地指导产品进行可靠性试验，保证产品可靠性。可靠性措施实施后，通过关键部件和整机可靠性试验验证，试验结果合格，符合标准和使用要求，液压潜液泵系统可靠性设计方法合理，能够满足复杂工况高风险的使用环境。