故障數(shù)據(jù)驅(qū)動的機械密封壽命預測方法研究

蔡國娟，莊法坤，劉 洋，曹邏煒

（1.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300451；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

0 引言

煉化行業(yè)的常減壓蒸餾、焦化、加氫裂化和催化裂化等裝置中，由于工藝需求，物流中存在大量的高溫、高壓油類介質(zhì)，這些介質(zhì)由高溫油泵輸送到各設(shè)備內(nèi)進行生產(chǎn)[1]。因此，高溫油泵是用于熱介質(zhì)傳導的核心設(shè)備，同時，高溫條件下輸送具有危險性介質(zhì)對泵的機械密封有較高要求。研究表明，高溫油泵的泄漏80%是由機械密封失效引起的，其維修費用占動設(shè)備維修費用的70%[2]。機械密封一旦泄漏，高溫物料泄漏將引起火災、爆炸等安全事故。因此，預測機械密封壽命，對于保障高溫油泵的安全運行、科學制定備品備件需求具有重要的指導意義。

機械密封的壽命預測方法，近年來在基礎(chǔ)理論研究方面比較完備。孫見君等[3]依據(jù)分形理論，用具有尺寸獨立性的分形參數(shù)表征包含粗糙度和波度的密封端面形貌及其變化，研究了機械密封端面形貌變化對泄漏通道的影響規(guī)律，結(jié)合N-S方程，建立了基于允許泄漏率的機械密封壽命預測方法。張爾卿等[4]提出采用聲發(fā)射方法監(jiān)測機械密封端面參數(shù)（端面開啟時間、膜厚等），基于偏置因子隱馬爾可夫模型評估機械密封磨損狀態(tài)，并提出灰色粒子濾波法預測剩余壽命。Goilkar 等[5]設(shè)計了帶有扭矩傳感器的實驗平臺，監(jiān)控機械密封的磨損狀況，經(jīng)論證，該平臺可以較好地預測機械密封在不同轉(zhuǎn)速、潤滑機制和彈簧載荷下的失效，評估機械密封的使用壽命。Arnold 等[6]綜述了機械密封泄漏量的計算方法，通過計算泄漏量并同允許泄漏量對比來預測機械密封的壽命。除上述基于在線檢測技術(shù)預測壽命的方法外，還有運行應用特征參數(shù)跟蹤法預測機械密封的剩余壽命，如用機械密封端面溫度和泄漏量訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進而預測剩余壽命[7-8]。綜上可以看出，當前機械密封壽命預測方法主要是通過分析構(gòu)建摩擦副的物理模型、基于狀態(tài)數(shù)據(jù)預測的方法。但是，高溫油泵機械密封在運行過程中受到振動、溫度、壓力、工藝操作、結(jié)構(gòu)等因素的影響[9]，產(chǎn)生故障原因是多方面的，如潤滑惡化、材料不當、溫度壓力過大、介質(zhì)腐蝕、疲勞載荷[10-12]，此外，還有諸如抽空破壞[13]、密封圈結(jié)焦積碳[14]等原因，上述依靠故障機理模型預測壽命的方法，無法針對所有失效原因進行建模，所需的端面溫度等數(shù)據(jù)在現(xiàn)場也很難獲取[15]，因此，對于工程應用來說，需要一種覆蓋面廣、符合設(shè)備實際運行情況的壽命預測方法。

基于設(shè)備可靠性分析理論，綜合考慮機械密封失效的各種原因，研究采用基于歷史故障數(shù)據(jù)預測其平均使用壽命的方法，并以某高溫熱油泵自運行以來10 年內(nèi)的故障數(shù)據(jù)進行了驗證。

1 基于故障的壽命預測方法

基于歷史數(shù)據(jù)預測機械密封平均壽命的方法，主要通過收集機械密封投運后的故障信息，在盡可能少的先驗假設(shè)條件下進行處理，通過繪圖、制表、擬合等形式計算某些特征參數(shù)。分析過程采用指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和兩參數(shù)Weibull分布模型，結(jié)合運行參數(shù)估計方法，分別得到模型參數(shù)指標的估計值，并基于故障數(shù)據(jù)進行模型優(yōu)選，進而進行壽命預測。

1.1 預測模型及流程

高溫油泵機械密封壽命預測流程如圖1 所示，主要包括3 方面內(nèi)容。

圖1 高溫油泵機械密封壽命預測流程

（1）收集高溫油泵機械密封故障數(shù)據(jù)，建立故障數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，見表1。

表1 故障數(shù)據(jù)分布模型

（2）采用相關(guān)指數(shù)法對機械密封故障數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行優(yōu)選，選擇最符合故障數(shù)據(jù)變化趨勢的模型，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的準確度，通過計算相關(guān)指數(shù)R＇來衡量，R＇值越接近1，說明模型精度越高。式中，F(xiàn)n（ti）是故障間隔時間累積分布概率；F0（ti）是擬合故障間隔時間累積分布概率。

（3）根據(jù)確定出的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，預測機械密封平均壽命。機械密封平均壽命計算模型見式（2）。式中，θ 為機械密封平均壽命值，單位h；t 為機械密封運行時間，單位h；f（t）為概率密度函數(shù)。

由式（2）和機械密封的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型聯(lián)合推導，確定出基于歷史數(shù)據(jù)的機械密封平均壽命值，見表2。

表2 機械密封平均壽命值

1.2 優(yōu)勢對比

由上述分析可見，基于歷史故障數(shù)據(jù)預測機械密封的平均壽命，無需區(qū)分導致機械密封失效的具體原因，該方法可以評價多種因素導致機械密封失效的平均壽命水平，無需分析部件的故障/失效機理，是一個綜合性指標，可以客觀地反映出機械密封實際運行的綜合狀態(tài)。

同時，基于歷史數(shù)據(jù)的動設(shè)備可靠性評估方法，不區(qū)分具體的設(shè)備，適用于泵、風機和壓縮機，在具體應用時僅需要注意區(qū)別不同設(shè)備類型下的故障模式即可。

2 機械密封壽命預測應用與驗證

2.1 機械密封使用情況

基于某焦化裝置P-104A/B 高溫離心泵機械密封的歷史故障數(shù)據(jù)，預測機械密封的平均使用壽命。該高溫離心泵已穩(wěn)定運行一段時間，渡過偶然失效期，可以采用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行預測。共收集高溫離心泵自2009 年運行以來的27 條機械密封失效故障數(shù)據(jù)，經(jīng)確認故障類型全部為關(guān)聯(lián)故障，均需納入故障收集中，通過故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得來的平均無故障運行時間如表3 所示。

表3 機械密封無故障運行時間數(shù)據(jù)

2.2 機械密封平均壽命預測

為便于方法的實施和應用，根據(jù)機械密封壽命預測流程，編制Matlab 程序，實現(xiàn)模型建立、模型優(yōu)選和壽命預測過程。將機械密封數(shù)據(jù)帶入編制的matlab 程序中，輸出結(jié)果如下所示：

2.2.1 分布判斷

>>parameter

該數(shù)據(jù)源服從正態(tài)分布。

該數(shù)據(jù)源服從對數(shù)正態(tài)分布。

該數(shù)據(jù)源服從指數(shù)分布。

該數(shù)據(jù)源服從威布爾分布。

說明該數(shù)據(jù)源服從四種分布，需對這四種分布的擬合程度進行判斷比較。

2.2.2 擬合程度排序

因此可以判斷，擬合程度排序結(jié)果為對數(shù)正態(tài)分布＞威布爾分布＞指數(shù)分布＞正態(tài)分布。因此，選擇對數(shù)正態(tài)分布模型作為機械密封平均壽命預測的基礎(chǔ)模型。

2.2.3 參數(shù)估計結(jié)果

根據(jù)機械密封歷史數(shù)據(jù)，擬合得到對數(shù)正態(tài)分布模型參數(shù)為：μ=8.227 0，σ=0.742 3。

2.2.4 平均壽命預測結(jié)果根據(jù)對數(shù)正態(tài)分布模型，預測得到的P-104A/B 高溫離心泵機械密封的平均使用壽命θ=4.927×103h。

2.3 平均壽命結(jié)果驗證

石化企業(yè)對于高溫離心泵機械密封備品備件周期管理，是根據(jù)企業(yè)內(nèi)部通過大量密封件使用情況統(tǒng)計得到的平均壽命值進行計劃購置。以往的密封備件周期大約為6 個月，由于石化企業(yè)對關(guān)鍵部件管理水平的不斷提高，目前統(tǒng)計的機械密封平均使用壽命在18 500 h 左右。本文采用的P-104A/B 泵的機械密封故障數(shù)據(jù)是自2009 年運行至今的所有數(shù)據(jù)，因此該案例中預測得到的平均壽命符合企業(yè)設(shè)備的實際運行情況。

3 結(jié)論

基于設(shè)備可靠性分析理論，綜合考慮機械密封故障失效的各種原因，研究采用基于歷史數(shù)據(jù)預測其平均使用壽命的方法，得到了以下主要結(jié)論：

（1）構(gòu)建高溫油泵機械密封壽命預測流程，基于指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和兩參數(shù)Weibull 分布模型，推導建立機械密封的平均壽命計算公式。

（2）基于某焦化裝置P-104A/B 高溫離心泵機械密封的歷史故障數(shù)據(jù)，預測機械密封的平均使用壽命為4.927×103h，與企業(yè)當前備件時間基本一致，為企業(yè)備件提供科學的指導方法。

（3）基于歷史故障數(shù)據(jù)預測機械密封的平均壽命，無需區(qū)分導致機械密封失效的具體原因，該方法評價機械密封平均壽命水平，是一個綜合性指標，可以客觀地反映出機械密封實際運行的綜合狀態(tài)，評價結(jié)果可用于指導機械密封部件的備品配件指導工作。