以可靠性为中心的水轮机组检修模式研究

谢亚琴

（水利部产品质量标准研究所，浙江 杭州 310012）

近年来，随着我国水电工程建设的快速发展，水电机组的设计呈现高水头、高转速、高效率和大容量的趋势，导致设备的维护要求日益复杂，维修费用不断增长。随着厂网分开、竞价上网改革的深入，设备可靠性和维修成本将成为发电企业经济效益的重要考核指标。目前我国大中型水电厂的大部分设备处于耗损故障期或初期故障期，其故障率都比较高[1]，而传统的定期检修方式由于针对性不强，往往会导致过度检修或检修不及时，其弊端越来越突出。以可靠性为中心的维修 （Reliability centered Maintenance，RCM），是一种先进的维修优化方法，能够分析设备的维修需求，决策最佳的维修方式。实施RCM能够提高设备的可利用率和可靠性，保证设备安全高效运行，同时使维修工作量和维修费用大幅减少。美国电力研究院维修诊断中心的经验表明， RCM可将设备大修周期从3～5 a延长至6～8 a，甚至10 a，节省大量的检修费用，延长设备的使用寿命，投资回报率达 250%～1 100%，同时可减少停电时间，提高供电效率 50%以上，确保供电可靠性，提早发现事故隐患，避免突发故障造成的损失。

1 RCM维修理论概述

随着设备的复杂性增加，传统维修方式的维修费用越来越大，但设备的可靠性并没有得到提高，由此引发了对传统维修思想的检讨和对故障规律和影响的分析[2]。RCM维修理论正是在这样的背景下产生的，它是继预防性维修之后，被全球认可和广泛推广的一种方法和策略。

RCM以可靠性理论为依据，以对维修对象的系统监控为手段，以保持运行系统应具有的功能或固有的可靠性为目标，对组成系统的诸设备的维修需求进行分析决策，确定检修计划及维修方式。RCM实施时根据零部件的可靠性特点，应用逻辑决断法，减少定期维修方式的对象数，扩大视情维修方式，尽可能充分利用系统的固有可靠性来制定既安全又经济的维修大纲。RCM从消除设备隐含的故障原因入手，减少了设备突发事故的机会，取消了不必要的大、小修，从而降低了维修成本。

2 水轮机组RCM策略

RCM分析的一般步骤为：①确定重要功能产品（FSI）；②进行故障模式影响分析 （FMEA）；③应用逻辑决断图选择预防性维修工作类型；④系统综合，形成计划。水轮机组RCM策略，需要针对以水轮机、发电机、主要辅机等构成的发电系统做出全面的RCM分析后，才能确定具体的检修策略。

2.1 确定重要功能产品

水轮机组设备是由大量的零部件组成的，每个零部件都有其具体的功能，工作中都有可能发生故障，但有些故障后果危及到安全，有些只影响任务的完成，而且大部分故障对设备整体没有直接影响，只须及时地予以排除，其唯一的后果就是事后修理的费用，且修理费用低于预防修理费用。因此，制订基于RCM的维修大纲时，没有必要对所有零件逐一进行分析，只需要针对重要功能产品，即那些发生故障会影响任务完成和安全性，或有重大经济性后果的产品，这些产品可以是系统、部件或零件。具体的做法是依次列出整个水轮机组的所有产品，形成 “构造树”，然后把显然对设备没有严重后果的故障产品从 “树”中略去，留下来的产品是必须做维修研究的产品。

不重要的产品是指其功能对设备的整体使用功能没有重大影响，或者在设计上有余度，其功能不会影响使用能力，或者故障没有安全性和使用性后果，很容易进行修复，或者根据经验和实际分析不可能发生故障的产品。但是隐蔽功能产品 （后面讲述）不管它们是否重要都要求做预防性维修。因此，隐蔽功能产品都要做为重要产品。

简化的 “构造树”可以确定一个重要产品层，仅对该层次的产品进行分析，简化了分析过程。

2.2 故障模式及影响分析

通过故障模式及影响分析 （FMEA），明确产品的功能、故障模式、故障原因和故障影响，从而为基于故障原因的RCM决断分析提供基本信息。

2.3 应用逻辑决断图确定维修工作的类型

对每一故障模式，RCM决断分析首先进行故障后果分析，以确定故障后果的种类。这是选择预防故障或降低故障后果设备维修策略首要解决的问题。故障后果主要有4种：隐蔽性故障后果；安全或环境性后果；使用性后果；非使用性后果。在分析时，首先应按隐蔽性、安全或环保性、使用性、非使用性的顺序进行分析判断，确定故障后果的性质。在确定故障后果后，按不同的故障后果选择维修方式。

故障后果分析决断主要采用逻辑决断图方法，通常用于选择那些技术可行且经济合理的维修策略。

2.4 系统综合，形成维修计划

单项工作的间隔期最优并不能保证总体的工作效果最优，为了提高维修工作的效率，我们有时把不同维修时间间隔的维修工作组合在一起，这样会使某些工作的频度比其计算出的结果要高一些，但是提高工作效率所节约的费用会超过所增加的费用。组合工作时应以预定的间隔期为基准，尽量符合预定的间隔期，同时应结合现有的维修制度，尽可能的与现有的维修制度一致，把各项预防性维修工作按间隔时间靠入相邻的预定间隔期，但对安全后果和任务后果的预防性维修工作靠入的预定间隔期，不应大于其分析得到的工作间隔期。各类预防性维修工作间隔期的确定可以参考以下数据与方法：产品生产厂家提供的数据；类似产品的相似数据；已有的现场故障统计数据；有经验的分析人员的分析判断；对重要、关键产品的维修工作间隔期的确定要有模型支持和定量分析。

3 隐患检测间隔期

3.1 隐蔽功能故障与隐患检测

检查并排除隐蔽功能故障是预防多重故障严重后果的必要措施。隐蔽功能故障包括正在工作的设备，其功能故障对操作人员是不明显的；或者不工作的设备，将要使用时状态是否良好，对操作人员是不明显的。多重故障则是指由连续发生的两个或两个以上独立故障所组成的故障事件，它可能造成其中任一故障不能单独引起的后果。

多重故障与隐蔽功能故障有着密切的关系，如果隐蔽功能故障没有及时被发现和排除，有可能会造成多重故障。例如长引水系统电站的水轮机全油压调压阀，在机组正常运行时调压阀是关闭的，仅在机组甩负荷或紧急停机时动作。即正常情况，调压阀是不工作的，只有当需要使用它时，使用人员才发现它能否工作。因此，一个隐蔽功能故障本身可能没有直接的后果，但可能增大多重故障的概率。

基于RCM策略所提出的隐蔽功能故障和多重故障概念，对多重故障的严重后果是可以预防的，至少可以将多重故障的概率降低到一个可以接受的水平，它取决于对隐蔽功能故障的检测频率和更改设计。

3.2 隐患检测间隔周期的确定

对隐蔽功能故障的检测称为隐患检测，科学合理地确定隐患检测间隔周期是RCM策略的一项重要内容。

隐患检测间隔期的确定是一个重要的研究内容，根据现有研究成果建立的模型过于复杂，导致实际应用很少。在实际生产中，隐患检测间隔期主要依据设备生产厂家的说明书初步确定，或者参照相似设备确定。运行一定时间后，根据实际运行情况进行调整，即通过科学地分析设备的故障、维修记录数据，确定符合设备实际状况的故障分布模式，从而调整和优化原来的隐患检测间隔期。

3.3 水轮机组隐患检测策略模型

3.3.1 按经济性要求确定检测间隔期

如果多重故障不影响使用安全性，则可按经济性要求来确定隐患检测间隔期。隐患检测间隔期过长，将会使系统在2个周期内经常发生功能故障，增加系统因功能故障引起的停机损失费用；间隔期过短，又会造成不必要的过多检测费用损失。因此，我们建立隐患检测模型来寻找最优的检测间隔期，使其在长期运行下的单位时间的期望损失达到最小。

隐患检测模型建立的基本思想是针对具有隐蔽功能故障的系统每隔一个确定的检测周期就对系统的某些状态参量进行一次检测，并视具体情况进行维修。假定Cm、Ci分别表示一次检测和事后更换的费用损失，f（t）、Cf表示保护装置故障时间分布和故障造成的单位时间的损失费用，若检测间隔期为τ，一个检测周期为T=（n+1）τ，当保护装置的寿命t满足关系式：nτ

3.3.2 按安全性要求确定隐患检测周期

如果多重故障影响到使用安全性，则隐患检测间隔期的确定要保证隐蔽功能装置具有所要求的可用度，从而将多重故障发生的概率控制在可接受的水平内。

假定隐蔽功能装置的可用度可由隐患检测间隔期中的平均可用度来衡量。由于隐患检测间隔期内不进行修理，故可用度A（t）与可靠度R（t）相等，则平均可用度为[2]

根据用户可以接受的多重故障概率的大小和被保护设备在某期间内发生故障的概率，可以确定同一期间内必须达到的可用度，再根据式（2）确定与平均可用度水平相对应的隐患检测间隔时间T。

3.4 用威布尔分布拟合故障间隔时间的分布模式

在研究设备的预防维修问题时，以前通常将故障间隔时间或平均故障间隔时间假设为指数分布，其理论依据是故障宏观规律遵循经典的浴盆曲线。事实上，在许多工程维修问题中，浴盆曲线的精确度无法满足要求。为更精确地表达设备的故障规律，工程中可采用威布尔分布来描述电子与机械产品的故障规律，如滚动轴承、继电器、电动机、齿轮、材料疲劳等。

威布尔分布具有形状参数m，改变此m可表达各种函数，实际上它具有灵活的性质，能够表达所有的零部件故障形式，使企业的维修业务简单化，使用起来十分方便，是零部件故障分析的良好手段，广泛应用于可靠性和寿命数据分析[3]。二参数威布尔分布的概率密度函数为

式中，m、η分别为形状参数和尺度参数。

水轮机故障数据利用威布尔分布图形化的基本步骤：

（1）现场数据采集。数据记录可按一定间隔进行观察，记录从上次到本次之间发生的故障；也可连续不断地进行观察，当发生故障时记录该时间。

（2）数据准备。填写威布尔概率纸之前必须进行数据处理，即使用某产品N个；到时间t为止；得到的累计故障数n；将时间t作为变量 （横轴），将累计故障概率 F（t）=n/N（%）作为函数 （纵轴）。

（3）求形状参数m。首先在威布尔概率纸上描点，确认直线性后再以作图方式求得m。尽管可用由测定值直接计算的方法算出，但采用描点法可避免两个以上不同的形状参数m的模式混在一起时，根据公式计算的m值偏离真实情况。

4 结论

随着水电设备性能越来越先进，结构越来越复杂，其维修活动也越来越受到重视，水轮机组实施以可靠性为中心的检修是检修技术发展的必然趋势。本文探讨了RCM策略应用于水轮机组维修的主要内容和方法，阐明了其必要性和具体应用思路。这一方法如能在国内水轮机组的维修管理中得到应用，对于提高水轮机组的管理和维修水平、从而提升社会和经济效益将会起到重要的作用。今后，随着状态监测和故障诊断技术的广泛应用，先进的机电一体化的在线自动监测和故障诊断等仪器设备将越来越普遍，以可靠性为中心的维修思想必将成为未来水电设备运行维护的主要模式。

［1］谢志江，胥文刚.大型水电设备健康状态智能分析系统的研究［J］.精密制造与自动化（机械动力学专集）， 2003（B09）:87-88.

［2］陈学楚.维修基础理论［M］.北京：科学出版社，1998.

［3］额田綮三.机械可靠性与故障分析［M］.北京：国防工业出版社，2006.