孔祥夷 劉浩燃

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院 鄭州 450016）

(2.國(guó)家承壓閥門產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 鄭州 450041）

液化天然氣（LNG）作為一種安全、清潔、高效新型的能源在全球能源市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。超低溫閥門作為L(zhǎng)NG管線運(yùn)輸中的重要截流裝置,其性能的優(yōu)劣、壽命的長(zhǎng)短直接影響整個(gè)管道及泵機(jī)組的安全,尤其在航天、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用的超低溫閥門,對(duì)其可靠性能的要求更是苛刻。本文重點(diǎn)介紹了超低溫閥門壽命可靠性分析與評(píng)估的適用方法。

1 超低溫閥門壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)制定與試驗(yàn)進(jìn)展

根據(jù)GB/T 21465—2008《閥門 術(shù)語(yǔ)》,超低溫閥門指用于介質(zhì)溫度t<-100 ℃的閥門。在低溫閥門的設(shè)計(jì)制造方面,主要有GB/T 24925—2019《低溫閥門技術(shù)條件》、BS 6364：1984（R2007）《低溫閥門規(guī)范》、MSS SP 134：2012《對(duì)低溫閥門及其閥體閥蓋加長(zhǎng)體的要求》和MESC SPE 77/200：2008《低溫和超低溫閥門》等,對(duì)超低溫閥門的壽命評(píng)估試驗(yàn)未做具體要求。國(guó)內(nèi)關(guān)于閥門壽命試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：JB/T 8858—2017《閘閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》、JB/T 8859—2017《截止閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》、JB/T 8860—2017《旋塞閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》、JB/T 8861—2017《球閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》、JB/T 8863—2017《蝶閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》、CB/T 3397—1993《船用閥門靜壓壽命試驗(yàn)》,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了常溫壽命試驗(yàn),未明確低溫深冷工況下的壽命試驗(yàn)規(guī)程。

對(duì)于閥門的壽命可靠性評(píng)估,國(guó)內(nèi)外研究者們做了大量的試驗(yàn),但是針對(duì)超低溫閥門的壽命評(píng)估試驗(yàn)研究較少。主要工作如下：Grak D G[1]研究了閥門在溫度變化大的情況下的試驗(yàn),并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出減小殼體的厚度會(huì)減小熱應(yīng)力影響,在殼體厚度變化的地方使厚度過渡平滑緩慢,這樣可以提高閥門的可靠性；Marvin Rausand等人[2]以水面控制的水下安全閥為例,將閥門壽命看作其符合Weibull分布,代替通常采用的指數(shù)分布類型,通過試驗(yàn)證明Weibull分布應(yīng)用在閥門上是正確可行的；Kerimova L S[3]對(duì)新設(shè)計(jì)的泵閥進(jìn)行試驗(yàn)并和標(biāo)準(zhǔn)的泵閥相比較,結(jié)果顯示壽命有了提高,提出閥門的工作壽命服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；Gonzalez D M等人[4]研究了水閥的失效和生命周期評(píng)估；Wang X H等人[5]分析了腐蝕磨損下電動(dòng)液壓伺服閥的退化評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)；Zhang K等人[6]提出了一種電液伺服閥（EHSV）的退化評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)方法；Zakirnichnaya M M等人[7]提出楔式閘閥主要受流量、管道系統(tǒng)壓力等運(yùn)行參數(shù)的影響,在技術(shù)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用壽命評(píng)估被選擇的楔式閘閥；Seong-woo Woo等人[8]介紹了導(dǎo)航鎖定閘板和閥門的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕磨損的分階段研究結(jié)果。此類研究在一定程度上彌補(bǔ)了評(píng)估其剩余壽命時(shí)診斷信息的不足；Utah M N等人[9]對(duì)交流電電磁閥故障狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和剩余使用壽命預(yù)測(cè)；周思柱等人[10]通過對(duì)比自增強(qiáng)處理過的閥體與未經(jīng)自增強(qiáng)處理的閥體在80 MPa下的應(yīng)力分布圖可知,前者應(yīng)力分布更加均勻,應(yīng)力最大值較小,改變了內(nèi)表面應(yīng)力最大的狀態(tài)。通過疲勞分析可知,自增強(qiáng)處理能提高閥體的疲勞壽命達(dá)11倍之多；董冬等人[11]依據(jù)閥門的工作特性,對(duì)球體和左閥體分別在不同載荷下的閥門疲勞壽命情況進(jìn)行仿真和分析,獲得閥門球體和左閥體變形量、應(yīng)力集中和疲勞損傷大小及位置,并與閥門實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,提出了改進(jìn)措施和延長(zhǎng)閥門壽命的方法；章茂森等人[12]結(jié)合工程實(shí)際,研制了一種儀表閥高溫高壓壽命試驗(yàn)裝置,并對(duì)更加經(jīng)濟(jì)和方便地獲取高溫高壓介質(zhì)所采取的技術(shù)方案進(jìn)行了探討,該裝置能完成儀表閥的高溫高壓壽命試驗(yàn)、密封試驗(yàn)；唐東偉[13]從沖蝕磨損角度建立了閥門壽命預(yù)測(cè)模型,并與仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比分析；牛龍等人[14]以球閥閥桿磨損狀態(tài)為例考核其失效方式,得出閥門的失效規(guī)律與壽命特性；余煜哲等人[15]進(jìn)行了復(fù)雜服役環(huán)境下高壓閥門疲勞可靠性數(shù)值分析；陳詩(shī)坤[16]實(shí)施了定參數(shù)冷態(tài)啟動(dòng)過程中主汽閥門的疲勞壽命及預(yù)暖溫度對(duì)其影響的研究；阿比沙拉木等人[17]分析了鹽泥泵出口閥門頻繁損壞的原因；宋媛媛等人[18]對(duì)氣閥產(chǎn)品進(jìn)行了大量的低溫測(cè)試,介紹了低溫下氣閥故障的原因；鄭大勇[19]研制了深海用通海閥可靠性試驗(yàn)系統(tǒng),并完成了深海用通海閥的可靠性試驗(yàn),分別對(duì)工作載荷下的深海用通海閥的易故障環(huán)節(jié)與無(wú)失效數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)進(jìn)行可靠性評(píng)估,完成了深海用通海閥可靠度及可靠性壽命計(jì)算；溫世乾[20]進(jìn)行了航天發(fā)動(dòng)機(jī)閥門壽命試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制；陳適[21]探索了高溫強(qiáng)氧化環(huán)境下閥門使用壽命；李政[22]結(jié)合裝置運(yùn)行中球閥故障現(xiàn)象及原因分析,總結(jié)閥門故障處理經(jīng)驗(yàn),分別從安裝、密封形式改造、操作及設(shè)備管理方面,提出延長(zhǎng)球閥使用壽命的方法；周覺等人[23]對(duì)超超臨界汽輪機(jī)閥門進(jìn)行了損傷評(píng)估；吳勝等人[24]對(duì)某核級(jí)閘閥閥體進(jìn)行了壽命分析。

對(duì)閥門開展壽命試驗(yàn)研究,可進(jìn)一步弄清導(dǎo)致失效的主要失效機(jī)理,如設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理性、加工質(zhì)量、材料選擇及裝配質(zhì)量等,為超低溫閥門的壽命預(yù)測(cè)、安全性能評(píng)估、使用與維護(hù)、改進(jìn)新產(chǎn)品質(zhì)量和確定試驗(yàn)條件等提供依據(jù)。然而壽命可靠性試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大的影響,其準(zhǔn)確性與實(shí)際操作情況、試驗(yàn)條件等有很大的關(guān)系。

2 可靠性分析方法

可靠性分析是對(duì)元件或系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析,并確定故障對(duì)整體可靠性影響程度的定性分析方法,從而提供產(chǎn)品的改進(jìn)方法。通常包括故障樹分析法、故障模式影響分析。故障樹分析法（FTA）利用布爾邏輯,通過演繹的形式自上而下對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)初始失效及事件的影響進(jìn)行分析。故障模式影響分析（FMEA）與故障樹分析恰好相反,它是歸納推理,以從下到上的方式,分析設(shè)備或子系統(tǒng)的單一元件失效或機(jī)能失效的影響,也是目前進(jìn)行可靠性分析最常見的方法。

關(guān)于FMECA的分析流程,大多數(shù)學(xué)者均參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析,其分析流程一般如圖1所示,依次為系統(tǒng)定義、FMEA分析和CA危害性分析。

圖1 FMECA分析流程

2.1 系統(tǒng)定義及分析

首先系統(tǒng)定義的主要目的是使相關(guān)人員明確超低溫閥門產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能,從而確定后期分析所需要的各種依據(jù)資料。例如對(duì)于超低溫閥門在前期的分析中就要大致了解其結(jié)構(gòu)與工作過程中各部件之間的相互關(guān)系,并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)定義超低溫閥門失效的判斷依據(jù)。

2.2 故障模式影響分析（FMEA）

故障模式影響分析主要包括超低溫閥門故障模式分析、故障原因分析、產(chǎn)生的影響分析、故障檢測(cè)方法分析及補(bǔ)償措施分析等步驟。

1）故障模式分析是統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品在后期的使用過程中可能存在的所有問題,或者在沒有統(tǒng)計(jì)前提下通過參考相似的產(chǎn)品故障模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

2）在獲取了產(chǎn)品故障模式的基礎(chǔ)上就必須對(duì)故障產(chǎn)生的原因、影響進(jìn)行分析,如果是設(shè)計(jì)原因則反饋至設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化,若是環(huán)境、人為原因?qū)е?則通過制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)減少產(chǎn)品的故障影響,提高可靠性。

3）對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行分析,判斷其是否滿足產(chǎn)品的要求,從而對(duì)原有檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn),獲得更加合理的檢測(cè)維修策略。

4）重點(diǎn)分析各故障模式如何及時(shí)有效地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)救,使故障模式所產(chǎn)生的影響最小。

2.3 危害性分析（CA）

危害性分析是FMECA分析中最重要的一點(diǎn),其主要是從評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)角度對(duì)各故障模式的相對(duì)危害性大小進(jìn)行分析,確定最薄弱的環(huán)節(jié),從而對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化,例如超低溫閥門材料的篩選、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、工藝的偏差、密封面堆焊材料的優(yōu)選等。

目前大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品采用GJB/Z 1391—2006中的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（RPN）法進(jìn)行分析。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（RPN）常選取故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)（S）、發(fā)生概率等級(jí)（O）和被檢測(cè)難度等級(jí)（D）三者之積為評(píng)判依據(jù),故障模式的RPN值越大,表示該故障的危害性越大,其計(jì)算公式為：

根據(jù)GJB/Z 1391—2006將故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)（S）、發(fā)生概率等級(jí)（O）和被檢測(cè)難度等級(jí)（D）分為10個(gè)評(píng)分?jǐn)?shù)和5個(gè)評(píng)分等級(jí)。其中嚴(yán)酷度等級(jí)是評(píng)定某個(gè)故障模式的最終影響程度,發(fā)生概率等級(jí)是該故障模式實(shí)際發(fā)生的可能性,被檢測(cè)難度等級(jí)表示在使用過程中檢測(cè)的難度。上述3個(gè)評(píng)判因素越高,則故障模式對(duì)產(chǎn)品的危害性影響越大,風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)法簡(jiǎn)單易操作,但是存在明顯的缺點(diǎn),即危害性的大小極易受到對(duì)危害度、檢測(cè)難度、發(fā)生率分值評(píng)定專家主觀因素的干擾,從而導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。

2.4 危害性改進(jìn)方法的分析應(yīng)用

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)法存在主觀度過高的缺點(diǎn),目前相應(yīng)的控制措施基本分為兩類：第一類是將模糊綜合分析與FMECA相結(jié)合,即將各因素的評(píng)分按照一定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊化,降低評(píng)判因素中包含的主觀度,從而提高危害性分析的可靠度。第二類是從專家評(píng)分入手,由于選擇個(gè)體專家打分制易受影響,通過引入群體決策的方法避免個(gè)體自身水平差異對(duì)結(jié)果的影響而提高分析精度。

3 失效數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估

前文對(duì)產(chǎn)品可靠性的分析是建立在主觀評(píng)分基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)分析研究,可以在設(shè)計(jì)之初或該類閥門運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)較少時(shí)使用。而對(duì)于可以獲取超低溫閥門失效數(shù)據(jù)的就需要具體利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析評(píng)估,從而獲得更加準(zhǔn)確、更有依據(jù)的可靠度模型。

對(duì)于超低溫閥門易失效環(huán)節(jié)一般可以得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H工況下的失效數(shù)據(jù),因此對(duì)超低溫閥門該環(huán)節(jié)的研究應(yīng)主要集中在失效數(shù)據(jù)的處理建模上。而目前可采用的可靠性數(shù)據(jù)建模方法主要有2種,分別為基于產(chǎn)品隨機(jī)狀態(tài)的馬爾科夫建模理論和采用普遍已知的函數(shù)分布模型對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方法。其中馬爾科夫過程一般需要失效數(shù)據(jù)服從指數(shù)分布,且產(chǎn)品的實(shí)時(shí)狀態(tài)可以跟蹤,但對(duì)于超低溫閥門,通常不易對(duì)其實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤或檢測(cè),因此該方法并不適用。而采用已知分布函數(shù)擬合的處理方法僅需要獲取超低溫閥門工作過程中的失效數(shù)據(jù)便可獲得閥門的可靠度隨時(shí)間的變化規(guī)律,從而對(duì)超低溫閥門是否合格進(jìn)行評(píng)定與改進(jìn)。但采用已知分布函數(shù)擬合的方法進(jìn)行可靠度建模也存在以下問題,需要進(jìn)行研究分析。

3.1 分布函數(shù)選取

采用何種分布函數(shù)對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合是進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估的基礎(chǔ),目前常用的分布形式有指數(shù)分布、Weibull分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。其中根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果分析,Weibull分布比較適用于機(jī)械產(chǎn)品的疲勞壽命、磨損等數(shù)據(jù)的擬合,因此針對(duì)超低溫閥門的薄弱環(huán)節(jié)失效數(shù)據(jù)也不例外。但是在使用Weibull進(jìn)行擬合時(shí),值得注意的是如何根據(jù)失效數(shù)據(jù)的分布規(guī)律采用何種Weibull模型進(jìn)行擬合。眾所周知,機(jī)械產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)一般符合浴盆曲線規(guī)律,即早期故障率較高,并隨著時(shí)間的增加故障率下降,進(jìn)入偶然失效期,此時(shí)故障率保持在極低水平,直到時(shí)間增加至材料的壽命階段,此時(shí)產(chǎn)品的故障率則會(huì)呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。在該種情況下,若依舊采用簡(jiǎn)單的Weibull分布就很難滿足失效數(shù)據(jù)的規(guī)律,因此需要對(duì)Weibull模型進(jìn)行改進(jìn),如采用多重Weibull模型或比例威布爾模型等。

3.2 求解方法選取

在選取相應(yīng)的分布函數(shù)后,如何提高求解精度也是需要注意的問題。對(duì)于簡(jiǎn)單Weibull分布,數(shù)學(xué)研究人員已經(jīng)給出了十分完善的求解理論體系。但對(duì)于多重Weibull分布等求解方法研究較少,而鑒于目前各種優(yōu)化算法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,對(duì)此可以考慮將各種優(yōu)化算法引入模型的求解問題當(dāng)中,這樣可以有效地提高超低溫閥門產(chǎn)品的可靠度精度。

4 無(wú)失效數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估

目前隨著產(chǎn)品材料、設(shè)計(jì)等技術(shù)的不斷發(fā)展,產(chǎn)品的質(zhì)量與價(jià)值越來越高。因而在試驗(yàn)時(shí)間受限、試驗(yàn)成本受限的情況下很難獲取超低溫閥門的大量失效數(shù)據(jù),因此也就無(wú)法采用失效數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估方法進(jìn)行可靠度分析。目前把這種在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),樣本數(shù)量較少且無(wú)法獲取失效情況的數(shù)據(jù)稱為無(wú)失效數(shù)據(jù)。對(duì)于該種數(shù)據(jù)的處理則更符合閥門檢測(cè)中心的研究與應(yīng)用。而對(duì)于該種數(shù)據(jù)相關(guān)研究人員也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展,主要包括極大似然法、最優(yōu)置信限法、配分布曲線法等。超低溫閥門的可靠性評(píng)估屬于小子樣、長(zhǎng)壽命可靠性評(píng)估問題,傳統(tǒng)基于壽命數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法具有一定的局限性,目前常用的配分布曲線法在低溫閥門壽命評(píng)估中具有一定的運(yùn)用前景。

首先,應(yīng)用配分布曲線法就必須建立在Bayes理論的基礎(chǔ)上,這是由于無(wú)失效數(shù)據(jù)中無(wú)法體現(xiàn)具體的失效時(shí)間點(diǎn),只包含了當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)可以使用的運(yùn)行數(shù)據(jù),而采用Bayes對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷過程中需要使用該產(chǎn)品的樣本信息、總體信息和先驗(yàn)信息這3種信息,可以有效地對(duì)無(wú)失效數(shù)據(jù)的失效情況進(jìn)行預(yù)知。上述3類信息的主要定義如下：

1）樣本信息是指從試驗(yàn)樣本中所提取的信息。其通常反映的是實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品具體的運(yùn)行狀況,沒有樣本信息也就無(wú)法有效地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷,因此樣本信息是最重要的信息。

2）總體信息是指產(chǎn)品服從的固有分布類型以及該分布類型所包含的各種信息。例如,假設(shè)某種超低溫閥門產(chǎn)品的壽命服從正態(tài)分布,那么就可以知道該產(chǎn)品的失效率會(huì)呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律,以及其密度函數(shù)的趨勢(shì)規(guī)律等,這些信息被稱為總體信息。

3）先驗(yàn)信息是指產(chǎn)品在試驗(yàn)之前就存在的信息。通常先驗(yàn)信息是由相關(guān)產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)或根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出,從而對(duì)超低溫閥門的總體與樣本信息進(jìn)行調(diào)整,從而預(yù)測(cè)失效結(jié)果的大致范圍。

由以上分析可以看出,應(yīng)用Bayes方法與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)比較,經(jīng)典統(tǒng)計(jì)推斷只使用樣本信息和總體信息,而Bayes理論則使用了先驗(yàn)信息,它將待估計(jì)的未知參數(shù)即超低溫閥門各時(shí)間點(diǎn)的失效率可以看作一個(gè)隨機(jī)變量,從而用特定的概率分布來描述未知參數(shù)的先驗(yàn)信息。通過上述Bayes方法便可得到各節(jié)點(diǎn)時(shí)間的失效率,在此基礎(chǔ)上采用配分布曲線法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,即可得到無(wú)失效數(shù)據(jù)下的產(chǎn)品可靠度變化規(guī)律,從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)評(píng)估檢驗(yàn)或提出維修指導(dǎo)時(shí)間點(diǎn)。

5 展望

通過對(duì)超低溫閥門壽命可靠性分析和評(píng)估方法的研究,提出以下展望：

1）在可靠性分析方面,如何考慮共因失效,如何降低主觀影響度對(duì)故障模式可靠性的影響,需要重點(diǎn)分析；

2）在可靠性評(píng)估方面,對(duì)于無(wú)失效數(shù)據(jù)的情況,目前大多基于Bayes方法進(jìn)行分析,但對(duì)失效的分布規(guī)律沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的理論體系,因此造成求解過程中無(wú)法確定準(zhǔn)確的先驗(yàn)分布,從而會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果帶來較大誤差；

3）對(duì)于有失效數(shù)據(jù)的情況,如何選取精度更高的可靠度模型和求解方法,是超低溫閥門壽命可靠性分析的關(guān)鍵。