謝亞琴

（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012）

近年來，隨著我國水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，水電機組的設(shè)計呈現(xiàn)高水頭、高轉(zhuǎn)速、高效率和大容量的趨勢，導(dǎo)致設(shè)備的維護要求日益復(fù)雜，維修費用不斷增長。隨著廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)改革的深入，設(shè)備可靠性和維修成本將成為發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟效益的重要考核指標(biāo)。目前我國大中型水電廠的大部分設(shè)備處于耗損故障期或初期故障期，其故障率都比較高[1]，而傳統(tǒng)的定期檢修方式由于針對性不強，往往會導(dǎo)致過度檢修或檢修不及時，其弊端越來越突出。以可靠性為中心的維修 （Reliability centered Maintenance，RCM），是一種先進的維修優(yōu)化方法，能夠分析設(shè)備的維修需求，決策最佳的維修方式。實施RCM能夠提高設(shè)備的可利用率和可靠性，保證設(shè)備安全高效運行，同時使維修工作量和維修費用大幅減少。美國電力研究院維修診斷中心的經(jīng)驗表明， RCM可將設(shè)備大修周期從3～5 a延長至6～8 a，甚至10 a，節(jié)省大量的檢修費用，延長設(shè)備的使用壽命，投資回報率達(dá) 250%～1 100%，同時可減少停電時間，提高供電效率 50%以上，確保供電可靠性，提早發(fā)現(xiàn)事故隱患，避免突發(fā)故障造成的損失。

1 RCM維修理論概述

隨著設(shè)備的復(fù)雜性增加，傳統(tǒng)維修方式的維修費用越來越大，但設(shè)備的可靠性并沒有得到提高，由此引發(fā)了對傳統(tǒng)維修思想的檢討和對故障規(guī)律和影響的分析[2]。RCM維修理論正是在這樣的背景下產(chǎn)生的，它是繼預(yù)防性維修之后，被全球認(rèn)可和廣泛推廣的一種方法和策略。

RCM以可靠性理論為依據(jù)，以對維修對象的系統(tǒng)監(jiān)控為手段，以保持運行系統(tǒng)應(yīng)具有的功能或固有的可靠性為目標(biāo)，對組成系統(tǒng)的諸設(shè)備的維修需求進行分析決策，確定檢修計劃及維修方式。RCM實施時根據(jù)零部件的可靠性特點，應(yīng)用邏輯決斷法，減少定期維修方式的對象數(shù)，擴大視情維修方式，盡可能充分利用系統(tǒng)的固有可靠性來制定既安全又經(jīng)濟的維修大綱。RCM從消除設(shè)備隱含的故障原因入手，減少了設(shè)備突發(fā)事故的機會，取消了不必要的大、小修，從而降低了維修成本。

2 水輪機組RCM策略

RCM分析的一般步驟為：①確定重要功能產(chǎn)品（FSI）；②進行故障模式影響分析 （FMEA）；③應(yīng)用邏輯決斷圖選擇預(yù)防性維修工作類型；④系統(tǒng)綜合，形成計劃。水輪機組RCM策略，需要針對以水輪機、發(fā)電機、主要輔機等構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)做出全面的RCM分析后，才能確定具體的檢修策略。

2.1 確定重要功能產(chǎn)品

水輪機組設(shè)備是由大量的零部件組成的，每個零部件都有其具體的功能，工作中都有可能發(fā)生故障，但有些故障后果危及到安全，有些只影響任務(wù)的完成，而且大部分故障對設(shè)備整體沒有直接影響，只須及時地予以排除，其唯一的后果就是事后修理的費用，且修理費用低于預(yù)防修理費用。因此，制訂基于RCM的維修大綱時，沒有必要對所有零件逐一進行分析，只需要針對重要功能產(chǎn)品，即那些發(fā)生故障會影響任務(wù)完成和安全性，或有重大經(jīng)濟性后果的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以是系統(tǒng)、部件或零件。具體的做法是依次列出整個水輪機組的所有產(chǎn)品，形成 “構(gòu)造樹”，然后把顯然對設(shè)備沒有嚴(yán)重后果的故障產(chǎn)品從 “樹”中略去，留下來的產(chǎn)品是必須做維修研究的產(chǎn)品。

不重要的產(chǎn)品是指其功能對設(shè)備的整體使用功能沒有重大影響，或者在設(shè)計上有余度，其功能不會影響使用能力，或者故障沒有安全性和使用性后果，很容易進行修復(fù)，或者根據(jù)經(jīng)驗和實際分析不可能發(fā)生故障的產(chǎn)品。但是隱蔽功能產(chǎn)品 （后面講述）不管它們是否重要都要求做預(yù)防性維修。因此，隱蔽功能產(chǎn)品都要做為重要產(chǎn)品。

簡化的 “構(gòu)造樹”可以確定一個重要產(chǎn)品層，僅對該層次的產(chǎn)品進行分析，簡化了分析過程。

2.2 故障模式及影響分析

通過故障模式及影響分析 （FMEA），明確產(chǎn)品的功能、故障模式、故障原因和故障影響，從而為基于故障原因的RCM決斷分析提供基本信息。

2.3 應(yīng)用邏輯決斷圖確定維修工作的類型

對每一故障模式，RCM決斷分析首先進行故障后果分析，以確定故障后果的種類。這是選擇預(yù)防故障或降低故障后果設(shè)備維修策略首要解決的問題。故障后果主要有4種：隱蔽性故障后果；安全或環(huán)境性后果；使用性后果；非使用性后果。在分析時，首先應(yīng)按隱蔽性、安全或環(huán)保性、使用性、非使用性的順序進行分析判斷，確定故障后果的性質(zhì)。在確定故障后果后，按不同的故障后果選擇維修方式。

故障后果分析決斷主要采用邏輯決斷圖方法，通常用于選擇那些技術(shù)可行且經(jīng)濟合理的維修策略。

2.4 系統(tǒng)綜合，形成維修計劃

單項工作的間隔期最優(yōu)并不能保證總體的工作效果最優(yōu)，為了提高維修工作的效率，我們有時把不同維修時間間隔的維修工作組合在一起，這樣會使某些工作的頻度比其計算出的結(jié)果要高一些，但是提高工作效率所節(jié)約的費用會超過所增加的費用。組合工作時應(yīng)以預(yù)定的間隔期為基準(zhǔn)，盡量符合預(yù)定的間隔期，同時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的維修制度，盡可能的與現(xiàn)有的維修制度一致，把各項預(yù)防性維修工作按間隔時間靠入相鄰的預(yù)定間隔期，但對安全后果和任務(wù)后果的預(yù)防性維修工作靠入的預(yù)定間隔期，不應(yīng)大于其分析得到的工作間隔期。各類預(yù)防性維修工作間隔期的確定可以參考以下數(shù)據(jù)與方法：產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)；類似產(chǎn)品的相似數(shù)據(jù)；已有的現(xiàn)場故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)；有經(jīng)驗的分析人員的分析判斷；對重要、關(guān)鍵產(chǎn)品的維修工作間隔期的確定要有模型支持和定量分析。

3 隱患檢測間隔期

3.1 隱蔽功能故障與隱患檢測

檢查并排除隱蔽功能故障是預(yù)防多重故障嚴(yán)重后果的必要措施。隱蔽功能故障包括正在工作的設(shè)備，其功能故障對操作人員是不明顯的；或者不工作的設(shè)備，將要使用時狀態(tài)是否良好，對操作人員是不明顯的。多重故障則是指由連續(xù)發(fā)生的兩個或兩個以上獨立故障所組成的故障事件，它可能造成其中任一故障不能單獨引起的后果。

多重故障與隱蔽功能故障有著密切的關(guān)系，如果隱蔽功能故障沒有及時被發(fā)現(xiàn)和排除，有可能會造成多重故障。例如長引水系統(tǒng)電站的水輪機全油壓調(diào)壓閥，在機組正常運行時調(diào)壓閥是關(guān)閉的，僅在機組甩負(fù)荷或緊急停機時動作。即正常情況，調(diào)壓閥是不工作的，只有當(dāng)需要使用它時，使用人員才發(fā)現(xiàn)它能否工作。因此，一個隱蔽功能故障本身可能沒有直接的后果，但可能增大多重故障的概率。

基于RCM策略所提出的隱蔽功能故障和多重故障概念，對多重故障的嚴(yán)重后果是可以預(yù)防的，至少可以將多重故障的概率降低到一個可以接受的水平，它取決于對隱蔽功能故障的檢測頻率和更改設(shè)計。

3.2 隱患檢測間隔周期的確定

對隱蔽功能故障的檢測稱為隱患檢測，科學(xué)合理地確定隱患檢測間隔周期是RCM策略的一項重要內(nèi)容。

隱患檢測間隔期的確定是一個重要的研究內(nèi)容，根據(jù)現(xiàn)有研究成果建立的模型過于復(fù)雜，導(dǎo)致實際應(yīng)用很少。在實際生產(chǎn)中，隱患檢測間隔期主要依據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的說明書初步確定，或者參照相似設(shè)備確定。運行一定時間后，根據(jù)實際運行情況進行調(diào)整，即通過科學(xué)地分析設(shè)備的故障、維修記錄數(shù)據(jù)，確定符合設(shè)備實際狀況的故障分布模式，從而調(diào)整和優(yōu)化原來的隱患檢測間隔期。

3.3 水輪機組隱患檢測策略模型

3.3.1 按經(jīng)濟性要求確定檢測間隔期

如果多重故障不影響使用安全性，則可按經(jīng)濟性要求來確定隱患檢測間隔期。隱患檢測間隔期過長，將會使系統(tǒng)在2個周期內(nèi)經(jīng)常發(fā)生功能故障，增加系統(tǒng)因功能故障引起的停機損失費用；間隔期過短，又會造成不必要的過多檢測費用損失。因此，我們建立隱患檢測模型來尋找最優(yōu)的檢測間隔期，使其在長期運行下的單位時間的期望損失達(dá)到最小。

隱患檢測模型建立的基本思想是針對具有隱蔽功能故障的系統(tǒng)每隔一個確定的檢測周期就對系統(tǒng)的某些狀態(tài)參量進行一次檢測，并視具體情況進行維修。假定Cm、Ci分別表示一次檢測和事后更換的費用損失，f（t）、Cf表示保護裝置故障時間分布和故障造成的單位時間的損失費用，若檢測間隔期為τ，一個檢測周期為T=（n+1）τ，當(dāng)保護裝置的壽命t滿足關(guān)系式：nτ

3.3.2 按安全性要求確定隱患檢測周期

如果多重故障影響到使用安全性，則隱患檢測間隔期的確定要保證隱蔽功能裝置具有所要求的可用度，從而將多重故障發(fā)生的概率控制在可接受的水平內(nèi)。

假定隱蔽功能裝置的可用度可由隱患檢測間隔期中的平均可用度來衡量。由于隱患檢測間隔期內(nèi)不進行修理，故可用度A（t）與可靠度R（t）相等，則平均可用度為[2]

根據(jù)用戶可以接受的多重故障概率的大小和被保護設(shè)備在某期間內(nèi)發(fā)生故障的概率，可以確定同一期間內(nèi)必須達(dá)到的可用度，再根據(jù)式（2）確定與平均可用度水平相對應(yīng)的隱患檢測間隔時間T。

3.4 用威布爾分布擬合故障間隔時間的分布模式

在研究設(shè)備的預(yù)防維修問題時，以前通常將故障間隔時間或平均故障間隔時間假設(shè)為指數(shù)分布，其理論依據(jù)是故障宏觀規(guī)律遵循經(jīng)典的浴盆曲線。事實上，在許多工程維修問題中，浴盆曲線的精確度無法滿足要求。為更精確地表達(dá)設(shè)備的故障規(guī)律，工程中可采用威布爾分布來描述電子與機械產(chǎn)品的故障規(guī)律，如滾動軸承、繼電器、電動機、齒輪、材料疲勞等。

威布爾分布具有形狀參數(shù)m，改變此m可表達(dá)各種函數(shù)，實際上它具有靈活的性質(zhì)，能夠表達(dá)所有的零部件故障形式，使企業(yè)的維修業(yè)務(wù)簡單化，使用起來十分方便，是零部件故障分析的良好手段，廣泛應(yīng)用于可靠性和壽命數(shù)據(jù)分析[3]。二參數(shù)威布爾分布的概率密度函數(shù)為

式中，m、η分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

水輪機故障數(shù)據(jù)利用威布爾分布圖形化的基本步驟：

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)記錄可按一定間隔進行觀察，記錄從上次到本次之間發(fā)生的故障；也可連續(xù)不斷地進行觀察，當(dāng)發(fā)生故障時記錄該時間。

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。填寫威布爾概率紙之前必須進行數(shù)據(jù)處理，即使用某產(chǎn)品N個；到時間t為止；得到的累計故障數(shù)n；將時間t作為變量 （橫軸），將累計故障概率 F（t）=n/N（%）作為函數(shù) （縱軸）。

（3）求形狀參數(shù)m。首先在威布爾概率紙上描點，確認(rèn)直線性后再以作圖方式求得m。盡管可用由測定值直接計算的方法算出，但采用描點法可避免兩個以上不同的形狀參數(shù)m的模式混在一起時，根據(jù)公式計算的m值偏離真實情況。

4 結(jié)論

隨著水電設(shè)備性能越來越先進，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，其維修活動也越來越受到重視，水輪機組實施以可靠性為中心的檢修是檢修技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本文探討了RCM策略應(yīng)用于水輪機組維修的主要內(nèi)容和方法，闡明了其必要性和具體應(yīng)用思路。這一方法如能在國內(nèi)水輪機組的維修管理中得到應(yīng)用，對于提高水輪機組的管理和維修水平、從而提升社會和經(jīng)濟效益將會起到重要的作用。今后，隨著狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的廣泛應(yīng)用，先進的機電一體化的在線自動監(jiān)測和故障診斷等儀器設(shè)備將越來越普遍，以可靠性為中心的維修思想必將成為未來水電設(shè)備運行維護的主要模式。

［1］謝志江，胥文剛.大型水電設(shè)備健康狀態(tài)智能分析系統(tǒng)的研究［J］.精密制造與自動化（機械動力學(xué)專集）， 2003（B09）:87-88.

［2］陳學(xué)楚.維修基礎(chǔ)理論［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［3］額田綮三.機械可靠性與故障分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.