孫 博，李 揚，趙立賓，王肖肖

（山東省調(diào)水工程運行維護中心，山東 濟南 250100）

0 引言

膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程自濱州市博興縣打漁張引黃閘引取黃河水，自東營小清河子槽上節(jié)制閘引取長江水，途徑濱州、東營、濰坊、青島、煙臺、威海6市16個縣（市、區(qū)），輸水線路總長482 km，7級提水泵站、5座大型隧洞、6座大型渡槽、19座倒虹，以及橋、涵、閘等建筑物467座，是緩解膠東地區(qū)水資源短缺矛盾、構(gòu)建山東大水網(wǎng)體系、實現(xiàn)全省水資源優(yōu)化配置而實施的遠距離、跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性民生工程。工程設(shè)計年調(diào)水規(guī)模3.83億m3，2003年12月開工建設(shè)，2013年7月實現(xiàn)主體貫通，2013年底試通水運行，2014年以來先后完成調(diào)流調(diào)壓設(shè)施、管理設(shè)施、水土保持、安全防護、自動化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，2019年底工程竣工驗收，正式由建設(shè)階段轉(zhuǎn)入管理運行階段。據(jù)統(tǒng)計，十三五期間（2016年-2020年）膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程累計為煙臺市供水4.95億m3，為威海市供水3.56億m3，供水效益顯著，為膠東地區(qū)乃至全省經(jīng)濟社會發(fā)展提供安全可靠的供水支撐和保障，實現(xiàn)了全省水資源優(yōu)化配置，有效緩解了膠東地區(qū)水資源供需矛盾，改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

調(diào)水工程事關(guān)民生用水大計，其核心設(shè)備泵站機組大量投建。在調(diào)水工程通水運行過程中，泵站機組的異常停機會導(dǎo)致設(shè)備失效從而影響整個調(diào)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，而泵站機組往往結(jié)構(gòu)繁多，部件復(fù)雜，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。各個子部件的失效對系統(tǒng)的安全影響不一[1]。因此，作為狀態(tài)檢修的核心步驟，泵站機組潛在失效模式及后果分析可以分析部件重要程度，針對泵站機組安裝和運行中可能存在的故障模式，采取對應(yīng)的預(yù)防和改進措施，避免或者降低經(jīng)濟和社會重大損失[2]，對提升設(shè)備的健康管理水平，提高泵站運行管理水平具有重要的科學(xué)價值和實踐意義。

1 泵站故障模式及影響分析

膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程采用加壓提水和重力流輸水相結(jié)合的輸水方式，全線共設(shè)灰埠、東宋、辛莊、黃水河、溫石湯、高疃、星石泊7級提水泵站；布置了任家溝、村里、桂山、孟良口子及臥龍5座輸水隧洞；建設(shè)了大劉家河、淘金河、界河、孟格莊、后徐家、八里沙河6座渡槽；其它明渠段水閘、倒虹吸、橋梁等建筑物496座，管道（暗渠）段閥、井等218處；配套建設(shè)自動化調(diào)度系統(tǒng)、管理設(shè)施、水土保持和輸變電工程等。閘門、泵站、閥、空氣閥、調(diào)壓室、泄壓閥等多種水力設(shè)施在實際運行中難以避免存在故障模式，面對泵站運行新常態(tài)，迫切需要針對泵站機組變工況、強噪聲環(huán)境下的健康狀態(tài)評估難以刻畫的問題展開研究，準確模擬工程水力瞬變過程，分析水力元件對水力瞬變的影響，加強對泵站機組狀態(tài)評估，合理安排機組運行，保障工程安全經(jīng)濟運行。

為提高膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程系統(tǒng)、設(shè)備與運行的安全可靠性，全面正確地分析泵站調(diào)水工程過渡過程中的水流特性，按照調(diào)水系統(tǒng)的真實結(jié)構(gòu)及組成元件的真實特性，對工程全系統(tǒng)進行了水力過渡過程研究。計算過渡過程的范圍從濱州引黃閘斷面開始，沿輸水明渠、管道、暗渠、隧洞及各級供水泵站提水，最后進入下游米山水庫。計算工況包括：各級泵站的正常起動和停泵工況，進行起動和停泵程序研究，優(yōu)化起動和停泵程序校核各泵站前池是否滿足系統(tǒng)運行的最小尺寸；各級泵站的事故停泵工況；全系統(tǒng)聯(lián)合運行的不同流量下的穩(wěn)態(tài)工況，得到穩(wěn)態(tài)水面線,校核系統(tǒng)過水能力等。對各級泵站管道系統(tǒng)的正常起動、停泵工況和事故停泵工況計算，確定了最優(yōu)開閥規(guī)律和關(guān)閥規(guī)律，得到管道系統(tǒng)的最大水錘壓力上升、最小壓力以及水泵的最大倒轉(zhuǎn)速；全系統(tǒng)穩(wěn)定工況計算，得到穩(wěn)態(tài)時全系統(tǒng)沿程水面曲線，驗證了池岸、渠頂、洞頂(包括暗渠)等高程是否符合規(guī)范要求和系統(tǒng)各部水流銜接是否順暢。全系統(tǒng)水力過渡過程仿真計算和水錘分析為輸水工程方案設(shè)計、管線布置、泵參數(shù)選擇、安全保障措施及調(diào)度運行方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)。

通過對泵站機組失效因素、失效類型研究，識別出常見不同故障的特征，并在此基礎(chǔ)上研究不同的故障造成泵站運行、管道運行的影響。泵站機組主要由電氣、機械、水力和軸系等部分組成，如圖1所示。其中，葉輪和過流部件屬于水力部分，將電能轉(zhuǎn)為水的勢能；機械部分將電動機的電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機械能；軸系部分負責傳遞轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)定的作用，提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，電動機是整個系統(tǒng)的能源供給。

圖1 泵站機組結(jié)構(gòu)圖

目前，F(xiàn)MEA已形成一套科學(xué)的分析方法，并在工程實踐中得以成功應(yīng)用[5]，如圖2所示：

圖2 FEMA過程圖

FMEA用嚴重度、發(fā)生率、不易探測度等指標來識別關(guān)鍵部件。嚴重度分值越高表示故障對系統(tǒng)的影響越嚴重。發(fā)生率出現(xiàn)的概率越大其分值就越高。不易探測度是指在采取現(xiàn)行的控制方法后故障能夠被檢測的難易程度。

2 泵站機組故障統(tǒng)計

在提煉出FMEA的主體框架后，需要結(jié)合泵站機組的具體故障進行統(tǒng)計分析，來確定關(guān)鍵部件和失效影響。

根據(jù)國內(nèi)外若干座大型低揚程泵站運行過程中發(fā)生的事故和故障統(tǒng)計分析，泵站發(fā)生故障的類型主要有兩種，一是由建筑物或/和設(shè)備自身缺陷引起的故障；另一種是由于運行條件發(fā)生改變、偏離原先設(shè)計值，交變荷載的長期作用使零件產(chǎn)生疲勞破壞導(dǎo)致的故障發(fā)生。根據(jù)收集某省大中型泵站資料，泵站建筑物方面的故障主要集中在由于污物過多導(dǎo)致攔污設(shè)施故障、水位過高引起水工建筑物開裂和構(gòu)件破損以及流速過大引起的上下游翼墻護坡塌陷等，建筑物故障類型統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 泵站建筑物故障統(tǒng)計分類圖

設(shè)備故障以某省泵站樞紐的泵站甲和泵站乙為例。對其運行的失效故障進行統(tǒng)計分析，停機檢修的嚴重故障共計36次，詳細情況如表1所示。泵站故障統(tǒng)計與分類見圖4。

圖4 大型泵站機組關(guān)鍵部件故障頻次統(tǒng)計圖

表1 水泵機組故障分類統(tǒng)計表

同時，通過調(diào)查某省61座大型低揚程泵站運行情況，粗略統(tǒng)計10年內(nèi)各部件故障發(fā)生的次數(shù)如圖5，計52次，出現(xiàn)問題的部件及機構(gòu)主要為推力軸承10次、占19.2%；水導(dǎo)軸承8次、占15.4%；電機絕緣18次、占34.6%；葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)3次、占5.8%；葉片氣蝕等13次、占25%。顯然，與江都四站的統(tǒng)計結(jié)果類似，故障率較高的是軸承和電機，均為34.6%，從統(tǒng)計結(jié)果看，葉片氣蝕破壞也是不可忽視的因素。

3 基于故障模式及影響分析的可靠度分析

通過上述機組故障統(tǒng)計和分析，可以通過識別關(guān)鍵部件來定性得到可靠度計算框架[6]，推力瓦、軸系域?qū)лS承、電機、葉輪、調(diào)節(jié)控制設(shè)備等均有嚴重故障發(fā)生，屬于核心關(guān)鍵部件，而燒損、磨損、絕緣老化、調(diào)節(jié)失效、葉片氣蝕則屬于關(guān)鍵故障原因。

上述關(guān)鍵故障原因則涉及到主體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備等，因此，需要將泵站機組分解為主體、 葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)、輔助設(shè)備（油、氣、水等）。同時可以將泵站設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)和可靠度評價進行有機結(jié)合，實現(xiàn)基于故障模式及影響分析的可靠度分析。將設(shè)備可靠度分為泵站機組本體可靠度、控制系統(tǒng)可靠度、油系統(tǒng)可靠度、氣系統(tǒng)可靠度、水系統(tǒng)可靠度等五類可靠度計算框架，具體可靠度分析框架如圖5所示。

圖5 可靠度計算框架

設(shè)備可靠度分析是基于結(jié)構(gòu)劃分，建立4層結(jié)構(gòu)，頂層為設(shè)備層，第二層為部件層，第三層為構(gòu)件層，第四層為零件層。通過不同零件的可靠度程度加權(quán)組合可以得到不同構(gòu)件的可靠度，通過不同構(gòu)件的可靠度加權(quán)可以得到不同部件的可靠度，最終得到整個設(shè)備的可靠度。

通過上述可靠度計算，可以由專家給出各個細節(jié)部件的可靠度，然后由各個層級來定性評估出整體系統(tǒng)的可靠度。

4 結(jié)論

通過對泵站機組失效因素、失效類型研究，識別出常見不同故障的特征，并在此基礎(chǔ)上研究不同的故障造成泵站運行、管道運行的影響。同時對泵站機組的各類故障頻次進行了統(tǒng)計分析，結(jié)合統(tǒng)計分析結(jié)果，制定基于失效分析和故障模式的可靠度計算框架，為泵站機組安全運行提供理論指導(dǎo)和工程參考。