特种设备故障检测与预测

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：特种设备的使用时间越长，发生故障的概率越高。这类故障与特种设备的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等过程有密切关系，事先都有征兆出现，能通过早期检测或试验来预测。这种作用已超出了特种设备所能承受的限度。指特种设备正常运行时由于磨损所引起的故障，即设计时预定的正常损耗过程，它反映了特种设备的寿命。指由于特种设备的某个环节所承受的力在允许的最大极限范围时丧失了使用功能而造成的故障。

设备故障诊断技术是人们吸取医学的诊断思想而发展起来的状态识别技术，即通过对设备故障的信息载体或伴随设备故障而出现的现象，如温升、振动、噪声、润滑油状态，以及各种性能指标等的监测与分析，能对运行中的设备或基本不拆卸设备了解其当前的技术状态，并查明产生故障的部位和原因，预测、预报有关设备异常、劣化或故障的趋势，并作出相应对策的诊断技术。

1.故障诊断

设备故障诊断技术已渗透到设备的设计、制作和使用各个阶段，使设备的寿命周期费用最经济，并提高可靠性、维修性，减少停机时间，大幅度地提高生产率，创造良好的社会经济效益。

设备诊断技术具有两种功能：一是在设备不解体或在运行状态下，能定量地检测和评定设备所承受的应力，劣化和故障，强度和性能；二是能够预测其可靠性，确定正常运行的周期和消除异常的方法。所以，设备的状态监测和故障诊断技术已从单纯的故障排除，发展到以系统工程的观点来衡量。它应从设备的设计开始，直到制造、安装、运转、维护保养到报废的全过程，使设备一生的寿命周期费用最经济。

2.设备诊断技术

特种设备故障状态的识别包括两个基本组成部分：一是由现场作业人员实施简易的状态诊断；二是由专门人员实施精密诊断，即对在简易诊断中查出来的故障，进行进一步精密诊断，以便确定故障的类型、了解故障产生的原因、估计故障的危害程度、预测其发展、确定消除故障和恢复设备正常运行的对策。

特种设备的简易诊断和精密诊断是普及和提高的关系，如图1-4所示。精密诊断不仅需要具体的测试和分析，还要运用应力定量技术，故障检测及分析技术。强度、性能定量技术等，精密诊断的功能如图1-5所示。

图1-4 特种设备诊断技术的实施

3.特种设备诊断技术的应用

设备诊断技术和状态监测在20世纪90年代引入我国，当时只是作为一种发展动态加以介绍。随着经济持续发展，我国引进了许多进口特种设备，为了确保特种设备可靠安全运行，迫切要求采用先进的诊断技术，以发挥特种设备最大的综合效益，因此特种设备状态监测技术的应用（见表1-8）越来越广泛。

图1-5 精密诊断的功能

表1-8 特种设备状态监测技术的应用

（续）

4.特种设备故障分析

特种设备在运行过程中，其内部、外部要承受力、热变化、磨损等多种作用，随着使用时间的增长，其运行状态不断变化、有的性能将逐步老化，从而发生主机或附件的失效，这是导致特种设备故障的主要原因，因此研究特种设备及附件失效机理、识别失效模式是故障诊断的主要任务。特种设备故障分析如图1-6所示。

图1-6 特种设备故障分析

（1）按故障功能丧失的程度分类

1）非永久性故障。指只在很短的期间内，造成特种设备某部件丧失某些功能，通过修理或调整立刻就可以恢复到原来全部运行标准的故障。

2）永久性故障。指造成某些功能的丧失，直到特种设备损坏部件被更换后功能才能继续维持的故障。

（2）按故障发生速度的程度分类

1）渐发性故障。渐发性故障是由于各种原因使特种设备参数劣化或老化，逐渐发展而产生的故障。其主要特点是：在给定的时间内，发生故障的概率与特种设备已经运行的时间有关。特种设备的使用时间越长，发生故障的概率越高。这类故障与特种设备的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等过程有密切关系，事先都有征兆出现，能通过早期检测或试验来预测。

2）突发性故障。突发性故障产生的原因是各种不利因素以及偶然的外界影响共同作用的结果。这种作用已超出了特种设备所能承受的限度。故障往往经过一段使用间隔时间才发生，因各项参数都达到极限值（如载荷大、剧烈振动、温度升高等）而引起的特种设备变形和断裂。突发性故障是突然发生的，事先无任何征兆，不可能靠早期检测或试验来预测。

（3）按故障产生的原因分类

1）磨损性故障。指特种设备正常运行时由于磨损所引起的故障，即设计时预定的正常损耗过程，它反映了特种设备的寿命。

2）操作与维护不当的故障。指由于超过特种设备本身的能力而强迫运行出现的故障，以及使用中维护不当而造成的故障（此类故障一般属于设备事故）。故障原因在于所承受的应力超过设计的极限能力。

3）固有的薄弱性故障。指由于特种设备的某个环节所承受的力在允许的最大极限范围时丧失了使用功能而造成的故障。故障原因在于设计上该环节的承受能力不足，或在制造上未达到预定的设计要求，因而丧失了其使用性能，压力容器故障原因分析见表1-9。

表1-9 压力容器故障原因分析

（4）故障分析方法故障分析有多种方法，如图1-7所示。基本上可分为归纳法和演绎法两类。其中常用的有主次图法、趋势图法、特征-因素图法、FMECA分析法和故障树分析法等。

图1-7 故障分析方法

1）主次图法：主次图又名排列图。它可用于分析查明系统失效的主要模式、主要矛盾所在，以便缩小分析范围，提高分析效率。

某压力容器系统故障主次图如图1-8所示。主次图是一个坐标曲线图，其横坐标x为所分析的对象，主次图的纵坐标即横坐标所标示的分析对象相应的量值，如失效系统中各组成部件的故障小时（左坐标线）及相对频数（右坐标线，即各部分占该系统在某一阶段内的百分数）。

图1-8 某压力容器系统故障主次图

2）趋势图法：趋势图可以反映出故障的发展趋势。首先给一定的时间，在此相同时限内作对比以表示出故障的变化情况。(www.chuimin.cn)

3）特征-因素图法：特征-因素图法是利用绘制特征-因素图来进行失效分析，又称“鱼骨分析”，用HBA表示，即把所分析的失效或异常现象（即特征）通过“鱼脊骨”及其两侧的“大、中、小骨”与影响失效的因素（原因）联系起来。特征-因素图法明确地表示出了失效的因果关系，因此又称因果图法。

绘制特征-因素图的要点：首先，应如实地绘制鱼刺因果分析图，重点是确定“大骨、中骨、小骨”；其次为了分析确定各方面原因及其影响关系，还必须调查研究，做好必要的试验检测；再次，对所绘制的鱼刺图的各类因素，应逐项分析研究，取消不存在或可忽略的因素，最后留下来的因素就是基本的或主要的因素，找到失效原因后，对策也就容易提出了。高压球罐破坏鱼刺图如图1-9所示。

图1-9 高压球罐破坏鱼刺图

4）FMECA分析法：FMECA是失效模式分析（FMA）、失效影响分析（FEA）和失效危害性分析（FCA）三种分析方法组合的总称。失效模式是失效的表现形式和状态，如机械性断裂、磨损等；失效影响则是指某种失效模式对所关联的子系统或整个系统功能的影响；失效危害性则是指失效后果的危害程度，通常用危害度进行定量分析。

5）故障树分析法：故障树分析法简称FTA，也称为失效树分析。故障树是解决FMECA中运算问题的有力工具，它是故障因果关系图的特殊形式，事件之间用逻辑门符号联系起来，压缩机不能发动的概率故障树如图1-10所示。每一个门都有它的输入（原因）和输出（后果）事件，这些事件之间可以具有“与”、“或”等逻辑关系。由最初起因开始，经过若干层次的逻辑门直到树的顶端——最终结果事件。

FTA的特点包括：直观性强，由于它是一种图形演绎法，能把系统的故障与导致该故障的诸因素形象地表现为故障树；灵活性大，它不仅反映系统内部单元与系统的故障关系，而且能反映出系统外部的因素对系统故障的影响；通用性好，在设计、研制、使用与维修各阶段都能发挥作用。

5.加强特种设备故障管理

1）特种设备管理体制主要指特种设备岗位责任制、安全操作规程等。

2）应该结合生产实际和特种设备状况特点，确定故障管理重点，加强现场监测。

3）对重点部位进行状态监测，以发现故障的征兆和信息。作业人员采用简易诊断仪器仪表，对重点部位进行巡回检查和定期检验；专业技术人员配备专用检验仪器仪表进行精密诊断，确认诊断对象、诊断参数，确定检测点、检测时间间隔、监测工况等，逐步掌握容易引起故障的部位，建立特种设备检查完好标准，确定特种设备异常或故障的界限。

图1-10 压缩机不能发动的概率故障树

4）做好的故障记录，特种设备故障记录见表1-10。

5）故障管理信息流程如图1-11所示。

6）采用故障诊断技术。近期，特种设备管理引进了故障诊断技术和状态监测的概念，通过实践证明，应用故障诊断技术对减少和避免特种设备重大事故发生，对企业特种设备安全可靠、经济合理运行起到很大推动作用，故障诊断技术本身也得到了不断开发和应用。压力容器故障诊断技术的开发见表1-11，设备诊断技术的开发情况见表1_-12。

表1-10 特种设备故障记录

工长：____维修人：____操作者：____

维修组长：____主管技术人员：____

图1-11 故障管理信息流程图

表1-11 压力容器故障诊断技术的开发

表1-12 设备诊断技术的开发情况

6.故障诊断的过程

1）故障诊断技术是识别特种设备运行状态的技术，是研究特种设备运行状态的变化在诊断信息中的反映。其内容包括对运行状态的识别、状态监测和预报三个方面，特种设备故障诊断过程如图1-12所示。

图1-12 特种设备故障诊断过程

故障诊断技术的核心是比较的过程，即将未知的特种设备运行状态与预知的特种设备规范运行状态进行比较的过程。

2）故障诊断的过程可分成三个阶段，即：①事前，指在特种设备运行前（或故障发生前），根据某一特定的特种设备状态，从过去的实际检测结果和经验，运用概率统计的数学手段，来预测特种设备的缺陷、异常或故障的发生。②运行，指在特种设备运行中进行状态监测，掌握故障的萌芽前状态。③事后，指在故障发生后（或异常状态出现后）进行诊断，确定特种设备故障或异常的原因、部位和故障源。特种设备诊断的过程及采用的技术见表1-13，特种设备生命周期诊断示意如图1-13所示。

表1-13 特种设备诊断的过程及采用的技术

3）采用故障诊断技术的作用（见图1-14）主要有：①可以减少或避免突然发生恶性事故及特种设备突然停止运行而造成人员伤亡和经济损失。②帮助技术人员早期发现异常情况，迅速查明故障原因，预测故障的影响，从而实现有计划、有针对性地维护、修理，延长检修间隔期，缩短停机时间，提高特种设备生产效率。③为操作人员提供运行的信息，便于合理调整工艺运行状态参数。

特种设备故障检测与预测

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