基于故障树分析方法的化工离心泵常见故障研究

李磊磊，高勇强，马 骥，史家同

（中国石油长庆石化公司，陕西咸阳 712000）

离心泵机组是炼化企业重要且普遍存在的组成部分，承担着为化工生产连续稳定输送物料的重任，所处工艺环境复杂、工况苛刻，而且输送介质经常是易燃、易爆、有毒、有害物质［1］，其运行状态的好坏直接关系装置的正常生产、经济效益和人员安全，采取合适的方法做到早发现、早预警、早处理非常必要。文中采用故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)［2］方法对离心泵常见故障进行可靠性分析及研究。

1 化工离心泵结构及常见故障

1.1 结构组成

单级化工离心泵结构组成见图1。化工离心泵主要由泵壳、机封、叶轮、轴承及平衡装置组成［3］。离心泵需要在开始工作前灌泵，使液体充满泵壳。叶轮多为封闭式，负责将机械能输送到流体中。叶轮、轴与泵壳之间有密封件，起防止液体泄漏作用。轴和轴承结构可防止叶轮在正背面受到不同压力时的振动和磨损。离心泵工作时，叶轮在泵轴的作用下发生旋转，产生离心力，将液体从中心抛出，此时，叶轮的中心出现了一个负压，液体从泵的进口流到叶轮的中央，泵不停地旋转，将液体抽出来［4］。

图1 单级离心泵结构组成示图

1.2 常见故障

炼化企业生产通常为连续状态，离心泵长时间运行会发生一些常见故障。例如，泵体振动较严重、异常声响、电流电压异常、轴承发热严重、流量不足等［5］。长庆石化公司离心泵故障维修记录的多种常见故障及其代号见表1。

表1 长庆石化公司离心泵常见故障

2 故障树分析法理论

2.1 故障树建立

故障树分析法是一种自上而下的图形推理法［6］，由H.A.Watson 等人在1961年提出，FTA 能够对复杂系统隐藏的危险进行预测和安全性分析，是进行故障识别、可靠性分析的有效方法和手段。

化工装置的故障诊断需要有一定的维修经验，还需要对装置的组成和工作状态有很好的了解，这些都符合故障树的实际应用特征，因此运用FTA 对系统的薄弱部分进行分析，对了解指导设备的操作与维护具有重要的意义和作用［7］。故障树法分析流程见图2。

图2 故障树法分析流程

故障树以故障现象为顶事件，按系统、组件、零件方式进行分层，以失效的根源作为底事件，用事件符号将其关系以树状的形式表示出来。常用的故障树符号见表2。

表2 常用故障树符号

2.2 定性分析

故障树的定性分析是进行定量计算的前提，它的主要目的是找出顶部事件故障产生的全部原因及组合，也就是要找出故障树最小割集。割集是由底事件组成的，当底事件全部失效时，将会导致顶部事件故障的出现。如果去掉其中的任何一个底事件就不能是割集，那么这个集合就是最小割集［8］。复杂系统出现故障时通常伴随着多个底事件，最小割集是顶事件发生的充分必要条件，每个最小割集都可能导致顶事件的发生，而系统风险与最小割集的数目相关［9］。因此，定性分析寻找最小割集能确定系统的主要故障模式，识别出易发生故障的关键部件，为设备部件的维护和故障识别提供可靠依据。

2.3 定量分析

故障树定量分析能够根据所有原因事件发生的概率估算求出顶事件发生概率，进而也能计算得到各基本事件导致顶事件发生的影响程度及系统主要部件的可靠性指标［10］。

将最小割集看作独立事件且最小割集中不存在多次发生的底部事件，设故障树有n 个最小割集，则顶事件T 发生的概率P(T)为：

设底事件Xm发生的概率为P（Xm）（m=1,2，…，Ci），则包含底事件Xm的最小割集Ci的概率P(Ci)为：

式中：m 为最小割集Ci的阶级。

设最小割集Ci的概率重要度为ICi，底部事件Xm的概率重要度为IXm，则ICi、IXm分别表达如下：

根据计算的底事件发生概率值和最小割集的重要性次序，从大到小依次排列所有底事件，可以得到底事件排序。依据事件的严重性，可以采取相应的改进措施。

2.4 可靠度［11］

可靠度是指在规定的条件下和时间内产品完成指定功能的可能性。可靠度是时间的函数，记为R（t），即：

式中：T＇为产品的寿命；t 为规定的时间；F（t）为产品在规定时间t 时的不可靠度，即失效率或失效概率。

离心泵可以看成一个组件，其可靠度是各部件可靠度的乘积，可表示为：

3 离心泵故障树分析

3.1 故障树建模

根据表1 中化工离心泵常见故障描述，以最不希望离心泵出现故障为顶事件，以异常振动和噪声、排量为0、原动机过载、系统外泄、流量不足和轴承发热等6 类（分别用E1～E6表示）故障作为子树，同时以E2包括的排压为封闭压力、吸入真空大、真空不足和排压低为4 个中间事件(分别用E7～E10表示)，建立故障树模型，见图3。

图3 离心泵故障树图模型

3.2 定性分析［12］

基于离心泵故障树模型，运用下行法求出故障树的最小割集并进行布尔运算。顶部事件P=E1+E2+E3+E4+E5+E6，中间事件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。由于各底事件相互独立，可知离心泵故障树最小割集共有30 个(X1～X30),且每一个都表示可能导致离心泵故障的原因和失效机理。

3.3 定量分析

3.3.1 发生概率计算

离心泵故障类别繁杂，发生故障的条件各不相同，无法直接得到准确数据。通过分析零部件维修记录及估算故障发生频率这2 种途径统计最小割集包含的底部事件，以固定机泵区域1 a 时间发生的故障树为总量，计算所有底部事件发生概率，结果见表3。

表3 离心泵故障树底部事件发生概率统计

已知各底部事件的发生概率之后，根据式（1）计算离心泵故障顶部事件和各中间事件的失效概率。以异常振动和噪声发生概率P（E1）为例，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，得到所有中间事件失效概率，见表4。

表4 离心泵故障树各中间事件失效概率计算结果

3.3.2 重要度计算

计算各底部事件的重要度，即底部事件对顶部事件发生概率的影响程度，能够进一步确定泵故障预防的重点，对减少事故发生有着重要意义［13］。对于一阶割集，其重要度与对应底部事件的重要度一致。以中间事件E1的重要度IE1为例，根据式（3）可得到IE1=P (E1)/P (T)=0.052/0.304 1=0.171 0。同理，计算各最小割集的概率重要度，结果见表5。

表5 离心泵故障树中间事件概率重要度计算结果

根据分析计算结果，排量及流量问题是离心泵故障的重要事项，会导致流量不稳甚至不上量，造成操作波动及机泵机封的干磨。其次，异常振动、噪声及电机过载等说明机泵和电机润滑出现缺陷，引起振动和温度异常。因此，需建立严格的管理制度，强化日常巡检任务，确定日常维护检查内容，为高危机泵加装振动、温度等传感器，监测机泵运行状态，减小机泵故障出现的概率。

3.3.3 可靠度计算

影响化工离心泵运行可靠性的因素很多，但主要体现在机封、轴承、泵轴、叶轮等零部件上［14］。离心泵重要零部件的实际使用情况及可靠度计算值统计结果见表6。

表6 离心泵重要零部件可靠度统计数据

采用表6 的数据，根据式（6）估算离心泵系统的可靠度R（t）。

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

计算结果表明，离心泵的发展已非常成熟，可靠度较高。日常生产中应重点关注离心泵的机封及密封状态，保证油杯及二级密封的油液位在正常范围，调整隔离液油温合适。计划性检维修时，可以通过更换新的机封等密封件来延长机泵使用周期，使运行更加可靠。

4 结束语

化工离心泵作为使用广泛的动设备，在企业连续生产中占有重要地位，其结构复杂且工作环境恶劣，故障多发而且原因多样，有必要系统研究，总结常见故障，提出预防措施。故障树分析可对离心泵设备易出现故障的脆弱部件及日常检修提供指导并提前制定预防措施，有效提高设备运行的可靠度，确保设备能够正常运行，促进企业稳定运转，维护企业的经济效益。本文中建立了化工离心泵常见故障模型，通过定性分析系统故障和定量计算各底部事件和顶部事件的失效概率，得到了各底事件在离心泵系统的重要度，估算了零部件和系统的可靠度，可为化工离心泵常见故障的处理提供参考。