基于故障树的景电工程水泵常见故障分析

董雪旺 彭维恩

(甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400)

甘肃省景泰川电力提灌工程是一项高扬程、大流量、多梯级的电力提灌引黄工程。景电工程灌区发展至今，共建有泵站41座，机组306台套，总装机容量为31.34万kW；灌区灌溉面积约120万亩(含民勤)，现一、二期设计总提水流量31.5m3/s，加大流量36.83m3/s，最大提水高度713m。景电工程以泵站为输水节点，梯级提水，逐级分流。

水泵是各级泵站提水的核心设备，景电工程使用的水泵以中开双吸离心泵为主。根据上水流量的大小，各级泵站安装流量大小不同、数量不等的水泵。由于水泵本身问题、安装精度、进出水条件、黄河水质、输水管路、供电电源问题、设备运行环境复杂等诸多因素，导致水泵故障时有发生，严重影响了提水的效率和运行的安全性。为了保证灌区土地的正常灌溉，如何保证水泵正常工作，减少水泵故障时间，有效提高景电工程提水灌溉效益是亟待解决的问题。针对这一问题，需要建立一个完善的水泵故障评估系统，对水泵的常见故障进行分析，为泵站技术人员提供水泵维护、管理和自动化监测方面的有效参考意见。

1 水泵故障分析

1.1 结构组成

中开双吸离心泵由泵体、泵盖、泵轴、叶轮、密封环、轴套、填料、轴承组成。一般来说，离心泵的基本结构可分为转子、泵体、密封和轴封。水泵转子由叶轮、轴承、轴套、泵轴构成，主要起到为离心泵提供运转动力的作用。泵体在具体的设计方面一般多以导叶或者蜗室两种结构型式为主，导叶与蜗室均具备扩散的特性，主要为输送与包容液体提供支撑和导流功能。而密封环主要作用是解决液体从高压区向低压区泄漏的问题，轴封主要作用是解决带压液体与大气压之间的隔离问题[1]。

1.2 工作原理

离心泵主要利用叶轮高速旋转使液体产生离心力来工作。离心泵在启动前先关闭出水阀，打开进水阀，入口液体进入叶轮中心区域，必须使泵壳和吸入管内充满液体，然后启动电机，泵轴带动叶轮高速旋转，同时打开出水阀，使叶轮内的液体在离心力的作用下将液体甩出，经蜗形泵壳的流道流入离心泵的输出管路，叶轮中心就形成低压区，入口液体在大气压作用下，源源不断地流向低压区，即进入叶轮中心后又被甩出，重复循环，达到了输送液体的目的[2]。

1.3 常见故障及原因

景电工程由于泵站较多，采用梯级建设，各泵站都并联安装多台水泵，在上水高峰期，大部分泵站满负荷运行，无备用机组，如若设备发生故障，会造成多级泵站停运相应流量的水泵，造成灌区流量减少，系统运行失衡，因此水泵安全运行尤为重要[3]。离心泵在实际运行中，常见的故障种类较多，例如水泵振动、异常声响、流量不足、轴承发热或损坏、串轴、过负荷、阀门下落、电压不平衡、电机问题等[4]，需要统计归纳，总结经验，分类管理，避免故障发生。

本文以景电工程应用的离心泵为例，对水泵运行故障进行分类，其故障主要分为三种类型：动力问题、水泵振动严重和出水问题。表1进一步分析了各故障的根本原因，并总结归纳了相应处理方法。

表1 离心泵运行故障分类

续表

2 故障树模型建立与分析

2.1 故障树建立

故障树分析法(Fault Tree Analysis,FTA)是一种自上而下的演绎推理方法，主要用于可靠性分析和安全工程研究等领域。它能够将可能造成水泵系统失效的原因进行逐步分解，用一系列带有特定含义的符号，按照一定的规则绘制系统对应的倒立树状因果关系图，获取造成系统失效的根本原因，确定各故障发生的可能性[5]。

对水泵系统进行故障树分析的第一步就是对该系统进行故障树建模。首先要针对水泵系统选定影响范围最大的故障原因作为顶事件，然后将造成这种故障的原因逐一分解作为故障树的中间事件，将不能再进行分解的故障原因作为水泵系统故障树的底事件，这也是造成水泵故障发生的根本原因。通常用合理的逻辑符号来描述各事件之间的相互关系[6]，常用的故障树符号见表2。

表2 常用故障树符号

通过逻辑符号来描述中间事件与顶事件和底事件之间的因果关系，下层事件是上层事件的原因，上层事件是下层事件的结果。

2.2 定性分析

故障树的定性分析过程就是求故障树最小割集的过程，目的是为了寻找导致顶事件发生的最少底事件组合。

系统发生故障往往伴随着多个底事件共同发生，通过建立故障树模型对系统进行定性分析，获取导致系统发生故障的最小割集，对最小割集的底事件进行单点重要性计算，得到对系统潜在故障或者问题的分析结果，指出设备容易发生故障的重点部位，并给出对这些部位进行维修养护的指导意见，因此利用最小割集对故障树进行分析具有很强的研究价值[7]。

2.3 定量分析

故障树定量分析的任务是根据底事件发生的概率估计顶事件发生的概率以及系统的一些可靠性指标。在故障树定量计算时可以通过故障树的逻辑关系直接求顶事件发生的概率，也可以通过最小割集求顶事件发生的概率[8]。

根据故障树的顶事件与中间事件的逻辑运算结构，可以将复杂整树结构分解成许多的单独子树结构，从最底层开始由下往上进行逐层计算。由于本文水泵故障树建模，只涉及了或门的应用，且同一底事件或未探明事件在故障树中只出现了一次，所以故障的定量分析可采用直接概率法求顶事件发生的概率，计算公式为

式中：Pi为底事件i发生的概率；P(T)为输出事件发生的概率。

3 水泵故障树建模分析

3.1 水泵故障树建立

根据对水泵的故障分析，选定水泵故障为故障树建立的顶事件，从上而下建立水泵故障树模型，见图1。

图1 水泵故障树模型

3.2 故障树分析

因为水泵故障树底事件之间是相互独立的，而水泵在实际运行中，底事件和中间事件之间有交叉因素，为避免重复计数，所以把底事件归纳为某一中间事件，这样就可以得到导致水泵产生故障的最小割集为

根据最小割集中所包含的底事件进行概率统计定量分析，采集景电一、二工程306台套离心泵故障数据，统计2018年3—12月的水泵故障数据总量，具体的水泵故障底事件概率见表3。

表3 卧式中开双吸离心泵故障底事件概率统计

续表

由于导致水泵故障发生的原因属于单点原因，可以根据定量计算公式计算得出水泵故障树顶事件和各中间事件的发生概率P如下：

根据统计表中底事件的概率统计，以及对离心泵故障树模型的定性分析和定量计算，可得水泵顶事件故障的年发生概率为32.18%。所以，因故障造成水泵停机次数增多，严重影响了景电工程提水灌溉效率和正常灌溉。其中，可以看出造成水泵故障的最重要原因是出水不足问题，其次是泵振动严重，最后是动力问题。因此可以根据水泵故障的分析结果作出对应的检修维护计划，对水泵发生故障的关键部位进行重点检修，减少水泵故障发生时间，提高水泵提灌效益。

4 解决措施

4.1 出水问题解决措施

首先，出水问题是水泵维修的重点事项。出水不足的主要原因是景电工程泵站属引黄提灌工程，水中含沙量大，杂物卡阻或空气进入占比较大，易造成水泵严重磨损和汽蚀，水泵叶片穿孔。因此，选择抗磨损、汽蚀性好、制造工艺精良的水泵至关重要，且很有必要在二级泵前建沉沙池[9]；另外在停水期加大对泵的涂护和修复是一项重要的检修工作；在上水期注重及时停机维护保养，清除前池的杂物，排出泵内的气体，相对提高前池水位，确保泵在良好的状态下运行。其次，是泵的扬程不足问题。在改造期间，要严格选择适合该级泵站运行工况的水泵。最后，加大对出水阀门系统的维修，确保阀门启闭灵活，开度到位。

4.2 泵振动严重解决措施

泵振动严重的主要原因是轴瓦间隙过大或轴承损坏。根据现场情况，景电二期1～13泵站安装的84台1200S主力泵中有70台采用滚动轴承支撑，轴承发热和损坏事件发生率高，可以加装滑动轴承以提高泵的安全性；装有滑动轴承的水泵应将轴瓦间隙调整至规定范围内。其次是泵轴问题，断轴多发生在中小型水泵，主要由轴有挠度、泵内卡阻、填料过紧和压盖倾斜造成，因此保持水泵在良好环境下运行，按规定加填料是必然要求。其余底事件多因安装问题引起，确保泵的安装精度可以避免水泵振动[10]。

4.3 动力问题解决措施

产生动力问题的主要原因是电机小、水泵大、过负荷，以及由电机内部质量问题造成的机组振动、串轴、出水不足，因此，选择相对应的配套优质电机是确保电机安全运行和水泵正常工作的必要条件；其次是使用电源的质量问题，应严格采用安全供电设备，使用规范的电源，使机组运行在供电可靠、不跳闸，不缺相、电压频率标准、三相平衡的安全电源环境状态。

5 结 论

基于景电工程离心水泵的故障分析，建立了基于故障树的水泵故障模型，通过定性分析和定量计算，获取了离心水泵的故障发生概率，根据所得的故障概率数值大小，可对水泵日常的检修维护采取相应的处理和预防措施，确保设备安全运行，同时为景电工程泵站自动化建设提供一定的技术支撑和理论依据。