热动力系统循环泵配置方案的可靠性分析

　　热动力系统循环泵配置方案的可靠性分析蔡琦，金家善（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）关性作了初步的估计和评述。

　　1：A 1问题的提出热动力系统设计中，考虑到系统可靠性与安全性要求，循环泵配置存在单泵方案与双泵方案。采用冗余配置的双泵方案对保证系统的生命力、可用性等均是现实的，但也带来若干对系统可靠性不利的因素，尤以相关失效更为突出，在进行系统可靠性分析与计算时必须加以研究和处理。

　　在热动力系统中，循环泵的功能是“为系统提供规定的流量”，功能的发挥涉及到泵本身、供电系统及控制线路、进出口管路（双泵方案中还包括泵出口止回阀）和泵冷却管路，本文定义为ab单元，单泵方案与双泵方案对应的简图见。

　　热动力系统中循环泵ab单元双泵方案与单泵方案相比较，有利的方面是明显降低了循环泵这一可靠性薄弱环节造成的热动力系统的失效，提高了系统的任务可靠性、安全性和生命力，并兼顾到了系统及设备在使用环境和运行期间维修方面的困难。但同时应注意到，循环泵冗余配置后，系统增加了1台泵、2个止回阀、2个三通与2个以上的弯头（相应地多了约十几条焊缝）增加了管线长度，增加了循环泵冷却水支路；循环泵控制增加了切换、连锁功能，使得系统占用空间加大、控制复杂化、功耗增加（对具有自然循环能力的装置，由此而导致的回路阻力增量是明显的），在一定程度上影响了系统总体性能。另一方面，ab单元的复杂化形成了新的故障模式，并导致下列环节的可靠性下降：（1）系统泄漏的可能性增加，密封的可靠性下降；蔡琦等：热动力系统循环泵配置方案的可靠性分析（3）止回阀故障导致ab单元功能丧失；对循环泵配置问题，目前的研究多限于定性或简单、粗略的定量研究，一般仅考虑循环泵本身故障。

　　下面基于单、双泵配置方案的比较，在相同前提下，侧重从功能角度分析、探讨ab单元的可靠性。

　　2系统可靠性影响因素ab单元的系统可靠性要求为：在任务周期内提供一定的循环压头。显然，ab单元如果能满足系统任务的可靠性要求，则安全性要求也能同时满足。系统不论采用哪种循环泵，ab单元的故障都可分为：泵本身故障（独立故障部分）、密封故障、控制线路故障、冷却故障以及其它相关故障。

　　（4）止回阀的影响止回阀故障的一种可能模式是关不上（不止回），一般发生在循环泵故障时或高低速切换时被停止泵的止回阀，故障将因ab单元构成内循环而导致系统失效。止回阀的失效率为（）供电、冷却故障供电因素、冷却因素是ab单元失效的共同原因，作为边界处理，认为其以相同的概率保障不同方案的ab单元工作。应该认为，双泵方案的冷却问题更为复杂，这一处理有利于双泵方案。

　　按统计相依事件的分析方法，在不讨论循环泵冷却故障、工作环境（如潮湿导致电机绝缘低等）、多重人为差错等因素的相关性的情况下，上述影响基本上可在ab单元可靠性框图中得到反映（见）。

　　ab单元的可靠性框图构成了ab单元可靠性研究的基础。从任务可靠性角度，本文仅考虑控制线路的修复，而认为其它故障在任务期间不可修。

　　3分析与估算同单泵方案相比，双泵方案的可靠性问题主要是相关失效和备用泵切换失效。3.1双泵方案的相关失效双泵方案中ab单元出现相关失效，这在热动力系统可靠性定量分析中是非常重要的问题。其中，密海军工程大学学报封故障对ab单元是一类因果失效一由冗余设备故障直接导致的系统失效；工作泵密封故障直接导致系统失效。止回阀故障则是ab单元两支路之间存在的一种依赖性。由于ab单元各设备或结构组件的故障存在统计相依，相关性会使系统失效概率有增加的趋势。

　　按分析，双泵方案中ac单元可靠性较难处理，2台泵的可靠性按并联计算也有疑问。本文建议按转换开关不完全可靠的贮备系统模型处理，转换开关由2个单元串联而成：控制线路单元寿命为指数型，止回阀影响单元寿命为0?1型。其联结关系或过程为：当工作循环泵（如1）发生故障，由备用循环泵（2）替换，若控制线路切换失败（服从指数分布）ab单元失效；若切换成功，而1止回阀关不上（成败型），ab单元也失效；仅在控制线路、止回阀两环节均转换成功，备用循环泵正常启动，ab单元才能提供功能。

　　就双泵方案而论，ab单元可靠性计算可采用P、Y因子法，在缺乏进一步数据支持的情况下，本文采用卩因子法粗略估计相关量的数量级。

　　中，假定循环泵本身故障和密封故障都服从指数分布，任务时间为2160h（约连续工作3个月）各曲线表示双泵方案冷贮备模型下单泵MTBF与ab单元可靠度的关系（为突出主要问题，忽略了控制线路和止回阀的影响）。P=0的曲线未考虑密封故障影响，当ab单元的任务可靠度为0.99时，循环泵MTBF需超过1.4X 104h.单双泵方案中（3因子对ab单元可靠性的影响估计泵方案中，循环泵的MTBF应达到2.是目前循环泵制造、使用水平所不可能达到的。

　　由可看出，当密封故障概率比循环泵本身故障概率小两个数量级时，相关性影响并不明显。也就是说，从工程角度，当循环泵本身故障概率较高时，密封故障不易引起重视；另一方面，当循环泵本身故障概率降低到一定程度，密封故障的发生频率可能接近这一量级，相关性明显，ab单元的可靠度以较大幅度下降。

　　3.2双泵方案的切换失效ab单元的切换失效率（设其为r）应为切换开关失效率、止回阀失效（关不上）率和备用泵未按需求启动率之和。若另外只考虑泵启动后停转的失效率（设其为X），其它因素不考虑，设设备失效状态用1表示，可得如所示的马尔可夫状态转移图。中，从状态A（0，0）移出的转换分成两个支路。初始失效率X乘以（1一r）可顺利转移到状态B（1，0）即备用泵工作状态；X表示当泵的切换失效时，直接转移到系统失效状态仅考虑备用泵切换失效C（1，1）的转移率。的马尔可夫状态转移图由于状态A（0，0）与转换失效率r无关，因此有：状态B与转换失效率r有关：由于状态C为系统失效状态，因此ab单元的可靠性为：根据前述，可得下列初始条件：蔡琦等：热动力系统循环泵配置方案的可靠性分析很明显，随着切换失效率的增加，备用泵成功运行的可能性越来越小，直到后r= 1，备用泵对凡（）不产生影响。

　　4结论以上讨论以系统全工况要求为前提，如果系统任务对高速工况要求不高，或任务期较短，双泵方案的优点就体现不出来。对于循环泵本身，薄弱环节在电机，而从结构组件角度而言，高低速绕组可构成冗余，如果高速绕组失效的风险能够承受，ab单元可靠度将显著提高；双泵方案的控制线路可靠性可以通过冗余设计得到提高（线路的冗余毕竟简单）。在循环泵制造水平进一步提高之后，不设备用泵的单泵方案有其可取之处。

　　目前，从热动力系统设计角度，现实的问题在于：无论如何考虑，可行方案计算出的可靠度总也达不到系统要求。理论上的处理，可能需要从系统效能综合和风险区域方面去考虑及解释。但由于系统相关性的影响，冗余结构并不总能使系统的可靠性得到充分改善。这一点，在热动力系统的设计、建造、安装和运行管理中应引起进一步的重视。