泵站机组潜在失效模式及后果分析

孙 博，李 扬，赵立宾，王肖肖

（山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100）

0 引言

胶东地区引黄调水工程自滨州市博兴县打渔张引黄闸引取黄河水，自东营小清河子槽上节制闸引取长江水，途径滨州、东营、潍坊、青岛、烟台、威海6市16个县（市、区），输水线路总长482 km，7级提水泵站、5座大型隧洞、6座大型渡槽、19座倒虹，以及桥、涵、闸等建筑物467座，是缓解胶东地区水资源短缺矛盾、构建山东大水网体系、实现全省水资源优化配置而实施的远距离、跨流域、跨区域重大战略性民生工程。工程设计年调水规模3.83亿m3，2003年12月开工建设，2013年7月实现主体贯通，2013年底试通水运行，2014年以来先后完成调流调压设施、管理设施、水土保持、安全防护、自动化调度系统建设，2019年底工程竣工验收，正式由建设阶段转入管理运行阶段。据统计，十三五期间（2016年-2020年）胶东地区引黄调水工程累计为烟台市供水4.95亿m3，为威海市供水3.56亿m3，供水效益显著，为胶东地区乃至全省经济社会发展提供安全可靠的供水支撑和保障，实现了全省水资源优化配置，有效缓解了胶东地区水资源供需矛盾，改善了当地生态环境。

调水工程事关民生用水大计，其核心设备泵站机组大量投建。在调水工程通水运行过程中，泵站机组的异常停机会导致设备失效从而影响整个调水系统的稳定性和安全性，而泵站机组往往结构繁多，部件复杂，是一个复杂的系统工程。各个子部件的失效对系统的安全影响不一[1]。因此，作为状态检修的核心步骤，泵站机组潜在失效模式及后果分析可以分析部件重要程度，针对泵站机组安装和运行中可能存在的故障模式，采取对应的预防和改进措施，避免或者降低经济和社会重大损失[2]，对提升设备的健康管理水平，提高泵站运行管理水平具有重要的科学价值和实践意义。

1 泵站故障模式及影响分析

胶东地区引黄调水工程采用加压提水和重力流输水相结合的输水方式，全线共设灰埠、东宋、辛庄、黄水河、温石汤、高疃、星石泊7级提水泵站；布置了任家沟、村里、桂山、孟良口子及卧龙5座输水隧洞；建设了大刘家河、淘金河、界河、孟格庄、后徐家、八里沙河6座渡槽；其它明渠段水闸、倒虹吸、桥梁等建筑物496座，管道（暗渠）段阀、井等218处；配套建设自动化调度系统、管理设施、水土保持和输变电工程等。闸门、泵站、阀、空气阀、调压室、泄压阀等多种水力设施在实际运行中难以避免存在故障模式，面对泵站运行新常态，迫切需要针对泵站机组变工况、强噪声环境下的健康状态评估难以刻画的问题展开研究，准确模拟工程水力瞬变过程，分析水力元件对水力瞬变的影响，加强对泵站机组状态评估，合理安排机组运行，保障工程安全经济运行。

为提高胶东地区引黄调水工程系统、设备与运行的安全可靠性，全面正确地分析泵站调水工程过渡过程中的水流特性，按照调水系统的真实结构及组成元件的真实特性，对工程全系统进行了水力过渡过程研究。计算过渡过程的范围从滨州引黄闸断面开始，沿输水明渠、管道、暗渠、隧洞及各级供水泵站提水，最后进入下游米山水库。计算工况包括：各级泵站的正常起动和停泵工况，进行起动和停泵程序研究，优化起动和停泵程序校核各泵站前池是否满足系统运行的最小尺寸；各级泵站的事故停泵工况；全系统联合运行的不同流量下的稳态工况，得到稳态水面线,校核系统过水能力等。对各级泵站管道系统的正常起动、停泵工况和事故停泵工况计算，确定了最优开阀规律和关阀规律，得到管道系统的最大水锤压力上升、最小压力以及水泵的最大倒转速；全系统稳定工况计算，得到稳态时全系统沿程水面曲线，验证了池岸、渠顶、洞顶(包括暗渠)等高程是否符合规范要求和系统各部水流衔接是否顺畅。全系统水力过渡过程仿真计算和水锤分析为输水工程方案设计、管线布置、泵参数选择、安全保障措施及调度运行方案的制定提供了科学依据。

通过对泵站机组失效因素、失效类型研究，识别出常见不同故障的特征，并在此基础上研究不同的故障造成泵站运行、管道运行的影响。泵站机组主要由电气、机械、水力和轴系等部分组成，如图1所示。其中，叶轮和过流部件属于水力部分，将电能转为水的势能；机械部分将电动机的电能转换为转轴的旋转机械能；轴系部分负责传递转矩和稳定的作用，提高系统能量转换效率，电动机是整个系统的能源供给。

图1 泵站机组结构图

目前，FMEA已形成一套科学的分析方法，并在工程实践中得以成功应用[5]，如图2所示：

图2 FEMA过程图

FMEA用严重度、发生率、不易探测度等指标来识别关键部件。严重度分值越高表示故障对系统的影响越严重。发生率出现的概率越大其分值就越高。不易探测度是指在采取现行的控制方法后故障能够被检测的难易程度。

2 泵站机组故障统计

在提炼出FMEA的主体框架后，需要结合泵站机组的具体故障进行统计分析，来确定关键部件和失效影响。

根据国内外若干座大型低扬程泵站运行过程中发生的事故和故障统计分析，泵站发生故障的类型主要有两种，一是由建筑物或/和设备自身缺陷引起的故障；另一种是由于运行条件发生改变、偏离原先设计值，交变荷载的长期作用使零件产生疲劳破坏导致的故障发生。根据收集某省大中型泵站资料，泵站建筑物方面的故障主要集中在由于污物过多导致拦污设施故障、水位过高引起水工建筑物开裂和构件破损以及流速过大引起的上下游翼墙护坡塌陷等，建筑物故障类型统计如图3所示。

图3 泵站建筑物故障统计分类图

设备故障以某省泵站枢纽的泵站甲和泵站乙为例。对其运行的失效故障进行统计分析，停机检修的严重故障共计36次，详细情况如表1所示。泵站故障统计与分类见图4。

图4 大型泵站机组关键部件故障频次统计图

表1 水泵机组故障分类统计表

同时，通过调查某省61座大型低扬程泵站运行情况，粗略统计10年内各部件故障发生的次数如图5，计52次，出现问题的部件及机构主要为推力轴承10次、占19.2%；水导轴承8次、占15.4%；电机绝缘18次、占34.6%；叶片调节机构3次、占5.8%；叶片气蚀等13次、占25%。显然，与江都四站的统计结果类似，故障率较高的是轴承和电机，均为34.6%，从统计结果看，叶片气蚀破坏也是不可忽视的因素。

3 基于故障模式及影响分析的可靠度分析

通过上述机组故障统计和分析，可以通过识别关键部件来定性得到可靠度计算框架[6]，推力瓦、轴系域导轴承、电机、叶轮、调节控制设备等均有严重故障发生，属于核心关键部件，而烧损、磨损、绝缘老化、调节失效、叶片气蚀则属于关键故障原因。

上述关键故障原因则涉及到主体系统、控制系统、辅助设备等，因此，需要将泵站机组分解为主体、 叶片调节机构、辅助设备（油、气、水等）。同时可以将泵站设备的功能结构和可靠度评价进行有机结合，实现基于故障模式及影响分析的可靠度分析。将设备可靠度分为泵站机组本体可靠度、控制系统可靠度、油系统可靠度、气系统可靠度、水系统可靠度等五类可靠度计算框架，具体可靠度分析框架如图5所示。

图5 可靠度计算框架

设备可靠度分析是基于结构划分，建立4层结构，顶层为设备层，第二层为部件层，第三层为构件层，第四层为零件层。通过不同零件的可靠度程度加权组合可以得到不同构件的可靠度，通过不同构件的可靠度加权可以得到不同部件的可靠度，最终得到整个设备的可靠度。

通过上述可靠度计算，可以由专家给出各个细节部件的可靠度，然后由各个层级来定性评估出整体系统的可靠度。

4 结论

通过对泵站机组失效因素、失效类型研究，识别出常见不同故障的特征，并在此基础上研究不同的故障造成泵站运行、管道运行的影响。同时对泵站机组的各类故障频次进行了统计分析，结合统计分析结果，制定基于失效分析和故障模式的可靠度计算框架，为泵站机组安全运行提供理论指导和工程参考。