引言

主泵,全稱為"反應堆冷卻劑泵",是一種復雜的機電設備,位于核電廠一回路的每個環(huán)路中。主泵是核電廠的關鍵設備,如果主泵發(fā)生故障,有可能會導致放射性物質泄漏,同時也會造成反應堆停堆檢修,嚴重影響核電廠運行的安全性與經濟性。因此,主泵必須強調高可靠性,這就需要在研發(fā)過程中乃至整個壽命周期內應用嚴格的可靠性分析方法去控制主泵的可靠性。

可靠性在過去的幾十年里已經被廣泛認可為系統(tǒng)的一個重要指標,眾多學者對不同工程產品的可靠性做出了研究。學者EnricoZio總結道,可靠性工程主要解決三個問題:(1)為什么系統(tǒng)會失敗?(2)如何能設計可靠的系統(tǒng)?(3)如何能在整個系統(tǒng)生命周期實現高運行可靠性?

核電主泵屬于商業(yè)敏感信息且一些零部件樣品較少,所以國內外對主泵可靠性進行研究的公開文獻較少。國內外對主泵的可靠性研究多集中在第一個問題上,即針對主泵某個故障去分析故障機理,youngLJ分析了軸套疲勞失效的主要故障原因是溫度波動:國內毛文軍等人通過研究泄漏異常的故障模式,找出了故障原因并進行處理,避免了非計劃停堆:主軸、葉輪等熱疲勞可靠性也有相應研究。針對第二個問題,國內最早關于主泵研發(fā)過程的可靠性設計分析是鄧禮平等人在主泵研發(fā)過程中使用的可靠性設計與分析方法:ZhengG等人拓展的主泵剖面劃分方法,提出了"最小相關子任務"(MAS)與"最小有效成分"(MEC)的概念:針對經典的FMEA分析方法,何龍璋在傳統(tǒng)FMEA分析基礎上考慮主泵這類特殊產品維修性特點,形成了FMEMA分析方法。本文對主泵研發(fā)過程的可靠性方法進行研究,提出了一種主泵的可靠性綜合分析方法,解決了主泵可靠性信息匱乏、試驗代價大的問題,能更有效地執(zhí)行主泵的可靠性分析工作。

1主泵故障模式

軸封型主泵(本文簡稱"主泵")是立式、單級、從底部吸入的軸密封混流泵機組,軸向吸入,徑向吐出,驅動冷卻劑在回路中流動。主泵主要是由電機模塊和水力機械模塊配合驅動冷卻劑的流動,同時由軸封系統(tǒng)防止冷卻劑泄漏。主泵的簡要結構如圖1所示。

根據主泵各零部件的功能,對主泵進行如圖2所示經典的金字塔形結構劃分。主泵系統(tǒng)整體可以看作是由泵本體、電機、輔助系統(tǒng)、儀控組成,其中泵本體模塊屬于機械設備零部件,相對電子產品的可靠性研究不太成熟,同時也屬于小子樣、高可靠性機械設備的代表,對泵本體的可靠性試驗需要時間和金錢。本文對主泵的可靠性研究即對泵本體的可靠性研究。

1.1機械設備的故障模式

故障模式,定義為故障的表現形式,一般是對產品所發(fā)生的、能被觀察或者測量到的故障現象的規(guī)范描述,由于受到觀測的現場條件限制,表現為不同的現象[5]。比如"主泵泄漏量大"來源于"靜壓軸封泄漏量大",繼續(xù)向下,以層級考慮,可能是密封端面出現裂紋,所以對于金字塔型的產品結構,不同層級之間的故障模式是具有因果關系的。復雜機械設備的故障模式具有兩個特點:(1)一個故障模式可能是由多個故障原因引起的:(2)故障模式在金字塔結構中具有傳遞性,底層故障模式是上層故障模式的原因。

對于機械設備零部件故障模式的研究眾多,常見故障模式有變形失效、斷裂失效、磨損失效與腐蝕失效。比如泵軸在運行中受到電機傳送的巨大彎矩和溫度的熱應力沖擊出現變形、彎曲:靜環(huán)與軸之間形成密封作用,它們之間的相對運動可能導致磨損等。

接口是用來描述分析對象之間的交互作用的,常見的接口存在物理連接、材料交換、能量傳遞、信息交換等相互作用,可以從這四個方面去分析接口的故障。機械產品除自身的機械零部件故障之外,還存在兩個零件之間接口出現的故障。比如主泵軸承軸瓦自身質量沒問題,但是由于潤滑介質壓力不足,導致出現磨損故障:或者螺栓與螺帽安裝松動,導致定位不準,出現振動異常等故障。

1.2主泵的故障模式

根據圖2,按照零部件與接口故障劃分,對泵本體各個子模塊的主要故障模式考慮如表1所示。

2主泵可靠性模型

可靠性是指產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力[6]。而從故障發(fā)生的角度來看,可靠性就是指在規(guī)定時間內,沒有影響任務功能的故障模式出現,所以對于產品的可靠性研究可以通過明確故障模式來提高對產品可靠性的認識。先做出如下假設:(1)產品的每種故障模式都會引起系統(tǒng)出現故障:(2)產品各故障模式之間獨立,且每次只有一個故障發(fā)生。這樣,產品在某一任務階段內的可靠性如下:

式中,R(1)是產品的可靠性:1是產品正常運行的時間:7是產品規(guī)定的時間。

產品的可靠性就是在時間1、規(guī)定條件(工作環(huán)境)C下完成規(guī)定功能F的能力,數學上就是一個概率,是關于1、C、F的一個函數,在接受假設的條件下,也可以看作是每個故障模式發(fā)生概率PFMi的一個函數。

假設產品的可靠度服從指數分布,同時各故障模式出現的時間也服從指數分布,那么可以得到:

式中,k是產品所有的故障模式個數:λ是產品的故障率。

考慮到研究人員對產品存在的故障模式認知不全面,可能出現的故障模式范圍為[1,m],研究人員未考慮的故障模式范圍為[m＋1,k]。所以,想要降低產品的故障率,就需要遵守這兩個準則:(1)發(fā)現更多的故障模式:(2)降低故障模式的發(fā)生概率。那么產品的最終故障率就會降低。

針對主泵結構建立基本可靠性框圖模型,如圖3所示(圖中數字為編碼,方便記錄),是一個串聯模型。

圖中每個單元模型可根據式(1)和表1的故障模式建立,形成主泵的可靠性模型:

更為全面的故障模式信息可以根據后文FMEA分析確定每個單元所有可能的故障模式,建立更準確的模型。

3主泵可靠性綜合分析

3.1FMEA分析

故障模式、影響及危害性分析(FailureModeS,EffectSandCriticalityAnalySiS,簡稱FMECA/FMEA)是一種"自下而上"對產品進行的故障分析。我們可以識別出底層零件的故障模式,并確定對高一層級模塊的影響,那么故障模式就影響到了一個較高的層級,在較高層級上形成了故障模式,再這樣迭代下去最終確定了最低層故障模式對最高層級的影響。在FMEA分析中,產品故障模式既可以利用產品在實際中發(fā)生的故障數據,也可以分析假想產品的故障。進行危害性分析時,根據故障模式頻率、影響后果等來分配一個權重衡量危害性,然后可以根據權重的優(yōu)先級消除危害性大的故障模式。所以,一般的FMEA分析流程大多先劃分產品結構,然后分析底層故障模式影響,最終進行危害性分析,并確定糾正措施。具體細節(jié)步驟及表格可以參考《故障模式、影響及危害性分析指南》。

通過對主泵的FMEA分析,圖2所示產品結構每個零部件的故障模式就被明確清楚地分析出來了,根據第2節(jié)主泵可靠性模型可知,主泵可靠性模型中各單元的可靠性就是該單元故障模式的函數。所以,通過FMEA分析就可以得到主泵及各零部件的可靠性模型,以故障模式為基礎的可靠性模型就是對FMEA分析結果的抽象。同時FMEA分析得越準確,糾正措施制定得越合理,滿足了第2節(jié)的兩個準則,產品可靠性就得到了提高。

3.2可靠性增長

可靠性增長從實踐來說就是要永久地消除某種故障模式,使產品可靠性得到提高。實現可靠性增長的主要方法就是試驗一分析一糾正(TeStAnalyzeandFix,TAAF),主泵在方案制定時,往往會確定出一個明確的可靠性指標,在整個研制與生產過程中為了讓可靠性指標達到要求,就需要不斷地設計、更改,使可靠性不斷增長,使主泵的設計成熟,實現生產定型,所以可靠性增長對保障主泵的可靠性意義十分重大。

AMSAA(ArmyMaterielSyStemSAnalySiSActiⅤity)是國際上常用的可靠性增長模型,基本假設如下:

(1)產品在開發(fā)階段(0,t]內的總故障次數N(t)服從非齊次PoiSSon過程,均值函數是EN(t)=atb,瞬時強度入(t)=dEN(t)/dt=abt(b-1)。

(2)等到產品在T時刻生成定型后,后續(xù)若不做出改進,那么系統(tǒng)之后的故障時間服從指數分布:

式中,N(t)為故障的累計次數:a是尺度參數:b是形狀參數。

那么在(0,t]階段的執(zhí)行可靠性增長就可以通過AMSAA模型進行分析。

主泵在試驗過程中解決出現的故障,按照可靠性增長管理手冊的內容,使用AMSAA模型對可靠性增長進行估計的步驟如圖4所示,一定時間后可以預估出主泵的可靠性是否達到了目標值,如果沒有就仍需要繼續(xù)驗證。

3.3FRACAS閉環(huán)糾錯

FRACAS(FailureReporting,AnalySiSandCorrectiⅤeActionSyStem),全稱為"故障報告、分析與糾正措施系統(tǒng)",是一種基于故障信息的閉環(huán)流動的管理系統(tǒng),又稱"閉環(huán)糾錯系統(tǒng)",如圖5所示。該系統(tǒng)的目的是在產品試驗中及時報告產品出現的故障并進行解決,防止故障再現,保證產品在出廠后的可靠性。在主泵研發(fā)過程中,不同零部件的可靠性試驗和整機試驗可能會出現產品的故障信息,因此根據國軍標的內容,采用FRACAS對主泵研發(fā)過程的故障信息進行閉環(huán)管理。

在主泵的可靠性工作中,FRACAS是一個對主泵進行可靠性控制的很好的工作項目,它能保證所有的故障報告都進入這個閉環(huán)流程。主泵的設計制造是一個聯合研發(fā)過程,良好的FRACAS設計適用于這種協(xié)同合作,可以讓資深的專家去執(zhí)行故障分析,根據故障原因,由不同職責或部門的人員執(zhí)行不同的故障處理流程。

3.4主泵可靠性綜合分析

小子樣、高可靠性產品的可靠性研究比較困難之處在于沒有足夠的可靠性數據累積,同時如果對產品進行試驗,那么試驗代價高,需要大量時間和金錢。而FRACAS作為在研發(fā)階段就能對產品實際的故障信息進行獲取的可靠性方法,能夠得到十分寶貴的現場數據。利用FRACAS閉環(huán)信息形成的產品故障閉環(huán)信息知識庫可以反饋給其他可靠性工作內容,形成主泵可靠性綜合分析方法,如圖6所示。利用FRACAS閉環(huán)流程清零試驗中出現的故障,校正FMEA分析得到的故障原因:同時,判斷主泵可靠性模型是否遺漏該故障模式與該故障模式的概率。當經歷過長期試驗糾正后,可靠性實現了增長,利用可靠性增長模型,判斷是否達到主泵可靠性的目標值。

如果可靠性綜合分析方法已經被廣泛使用,那么之后在一個新主泵的研發(fā)制造過程中可以執(zhí)行以下可靠性綜合分析方法,具體流程如下:

(1)主泵初步設計結束后進行結構劃分與功能分析。

(2)對產品進行FMEA分析,在考慮FMEA故障時,可以根據同類型主泵的故障閉環(huán)信息知識庫,參考可能的故障模式。

(3)建立主泵的可靠性框圖,對主泵進行建模,每個單元的可靠性與該單元故障模式的發(fā)生概率有關。

(4)對主泵各個零部件、模塊執(zhí)行加工制造,并執(zhí)行零部件與整機的可靠性試驗,試驗中的故障使用FRACAS進行閉環(huán)管理,并將故障模式的數據存入故障閉環(huán)知識庫中。針對產品出現的故障模式,去校正FMEA分析內容與主泵的可靠性模型。

(5)在研發(fā)試驗或使用階段,持續(xù)使用FRACAS進行故障閉環(huán)管理,長時間后可以根據AMSAA可靠性增長模型,對主泵的可靠性進行估計,確定是否達到了可靠性目標值。

3.5實踐

在主泵軸封模塊的性能鑒定試驗中,某零件出現了磨損,利用主泵可靠性綜合分析方法進行分析。

執(zhí)行FRACAS閉環(huán)糾錯,通過故障報告,分析與糾正解決了該故障。該故障形成故障模式知識庫的一部分,故障模式是副密封O型圈無法定心支撐:故障原因是材料某元素比例錯誤:糾正措施是提高O型圈的回彈率和精度。利用知識庫內容進行綜合分析。

在設計階段執(zhí)行FMEA沒有考慮到,將故障模式反饋給FMEA分析,按照FMEA表格增加該故障模式的分析內容,同時在軸封模塊的可靠性模型中也增加了該故障模式的影響。在可靠性增長方面,等更長的試驗時間和更多的故障出現后就可以利用增長模型估計出是否達到目標值。

4結論

本文通過對主泵可靠性分析方法的研究,探討了主泵(泵本體)的主要故障模式,并建立了相應的模型。同時利用FRACAS閉環(huán)管理流程,將發(fā)現的故障模式等信息反饋到FMEA分析、可靠性模型、可靠性增長試驗中,形成主泵可靠性綜合分析方法(圖6),最終可以有以下結論:

(1)FRACAS作為主泵可靠性分析的優(yōu)選方法,可將試驗中的故障信息反饋給FMEA分析,更新可靠性模型,實現主泵的可靠性增長,這樣主泵的試驗信息就能被充分利用起來,提高了可靠性設計分析工作內容的有效性,形成了主泵綜合分析方法。同時,該綜合分析方法不僅能用于主泵,還可用于小子樣、高可靠性的其他產品。

(2)本文研究了主泵的故障模式,提出了以故障模式為基礎的可靠性模型,得到了提高產品可靠性的兩個準則一發(fā)現更多的故障模式和降低故障模式的發(fā)生概率,這也是產品進行可靠性設計與分析的方向。