原油泵机械密封寿命周期及失效模式分析

原油泵机械密封寿命周期及失效模式分析

陈启东;陈嫄嫄

【摘 要】某常减压装置原油泵在掺炼焦化蜡油之后,机械密封泄露频率迅速加大,为

了分析在掺炼焦化蜡油前后机械密封的可靠性,运用RCM技术对掺炼焦化蜡油前

后机械密封的寿命周期进行分析.通过K-S检查法进行拟合优度检验,确定了机械密

封的有效运行时间服从三参数威布尔分布,并进行了机械密封工作时间概率密度函

数、失效率函数等函数的计算.得知在现阶段掺炼焦化蜡油情况下泵机械密封故障

引起的停机多发生在700h以后;在可靠度0.9下,机械密封的寿命周期为657h;且

表面磨损是加速机械密封泄露故障的主要原因.%Mechanical al leakage

frequency increas after the original pump oil refineries,in order to

analyze the reliability of mechanical als,using RCM technology the RCM

to rearch the life cycle and failure rate of the mechanical h K-

S method,draw a conclusion that the mechanical al uptime obey three

parameter Weibull distribution,t竹子作文 hen calculate the mechanical al work

time probability density function,the failure rate careful

analysis,it unfolds that the most of mechanical al of the crude oil pump

need to repair when they have worked 700 hours;under 0.9 of the

reliability,life cycle of the mechanical al life cycle e wear is the

major problem that accelerate mechanical al leak fault.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2017(000)007

【总页数】4页(P95-979月15日是什么星座 ,102)

【关键词】机械密封;可靠性;威布尔分布;寿命周期;失效模式

【作 者】陈启东;陈嫄嫄

【作者单位】常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟215500;常州大学机械工程学

院,江苏常州213016

【正文语种】中 文

【中图分类】TH16;TH242

原油泵是常减压装置的大型关键设备之一，原油泵的运行正常与否直接影响着常减

压装置的日常生产。自掺炼焦化蜡油以来，某炼油厂常减压装置由于密封泄漏导致

机泵检修频繁，维修工作量加大，影响装置长周期安全运行[1-2]。以原油泵机械

密封为研究对象，以可靠性为中心的维修理论为基础，使用RCM技术对原油泵机

械密封的寿命分布类型及可靠性规律进行研究，找出了原油泵机械密封失效概率密

度，对比了在掺炼焦化蜡油前后机械密封的可靠性趋势，并且给出了机械密封合理

的定期更换周期。

RCM（Reliability Centered Maintenance）理论是依据可靠性来设定设（装）

备预防性维修计划、优化维修制度的一种系统工程方法。它已成为一些发达国家军

队及工业部门制定军用装备和设备预防性维修大土司面包做法 纲的首选方法[3]。RCM理论通过

对系统功能的故障分析，确定系统可能发生的各类故障类型；再根据设备的可靠性

状态，应用逻辑决断的方法确定所需的维修方案以及各故障后果的预防性对策；在

保证设（装）备安全性和完好性的前提下，通过维修记录数据分析与评估等手段，

期望在不造成意外停机成本的情况下，资源消耗最优状态下实现维修目的。

3.1 Kolmogorov-Smirnov检验理论

Kolmogorov-Smirnov检验理论是检验样本数据属于何种分布类型使用最为广泛

的一种数理统计方法。相较于Mann-Whitney检验、参数t检验、中位数检验等

方法，Kolmogorov-Smirnov检验理论对样本数据更加敏感，检测效果也更为理

想。

假定X=｛x1，x2，…，xm｝是随机样本数据集，其中x1，x2，…，xm是这个

样本数据集合的一组随机变量，并将其从小到大排列，即x1≤x2≤…≤xm，则其经

验分布函数FX（Z）定义为

设参考随机样本、待检验随机样本的经验分布函数分别为Rx（z）、Fx（z），则

Rx七八十年代经典老歌曲 （z）和Fx（z）的Kolmogorov-Smirnov距离可定义如下[4]：

通过确定威布尔分布三个基本参数，位置参数a、尺度参数、形状参数m来拟

合机械设备寿命实验数据。进而对机械设备部件的可靠度RT、故障率（t）、寿

命周期T等特征量进行计算，分析机械设备零部件的可靠性。

3.2 威布尔分布

磨损、疲劳、腐蚀、老化等是机械设备部件渐变性失效的主要形式[5]。以磨损形

式为例，随着时间的变化，它经历跑合、稳定磨损、剧烈磨损阶段等三个阶段，其

失效率函数随时间而变化，包括早期失效期、偶然失效期和耗损失效期，由于这种

失效率曲线的整体形状与浴盆相似，所以失效率曲线也被称为浴盆曲线，如图1

所示。

三参数威布尔分布能够比较全面地描述浴盆曲线的各个阶段，而且对于机械设备可

靠性实际情况反映的更加真实[6-7]，因此成为可靠性领域应用最为广泛的分布函

数类型。

威布尔分布的概率密度函数，如式（2）所示。

分布密度函数，如式（3）所示。

式中：—形状参数；—尺度参数；—位置参数。

利用威布尔分布拟合给定的寿命实验数据，确定符合的威布尔分布的位置参数a、

尺度参数、形状参数m。进而计算出寿命相关的特征量计算，如可靠度RT、故

障率（t）、寿命周期T等。

3.3 数据采集及分析

将某常减压装置原油泵2012～2015年维修数据进行统计，找出其中因机械密封

失效引起原油泵停机的维修记录，将原油泵正常开机使用至机封损坏造成停机这段

时间作为机械密封的有效运行时间，采集到的有效样本数据如下：

掺炼焦蜡前T=｛1008 1032 1200 1848 2400 2832 2904｝（单位h）；

掺炼焦蜡后t=｛600 648 700 720 744 792 824｝（单位h）。

工程中常用的拟合零部件寿命的概率分布类型有指数分布、正态分布和威布尔分布，

然后运用K-S检验方法对测试得到的机械密封运行的有效时间数据进行拟合优度

检验，分别得这三种分布的测试统计量，通过检验结果可确定机械密封寿命更符合

哪一种概率分布，如表1所示。

由表1的拟合结果可知，三种分布中只有威布尔分布的测量统计量小于K-S检验

的假设临界值，因此可以认为此处原油泵机械密封寿命周期分布服从威布尔分布

[8-9]。用MATLAB绘制的威布尔图形及源数据分布图，如图2所示。可以看出威

布尔分布拟合出的曲线接近直线，威布尔分布能够很好地拟合机械密封寿命周期的

实际情况。

可靠性寿命周期（即设备可以安全运行的寿命）的确定可用来判断故障可能发生的

日期，即可实现预防性维修，可有利于针对性的在生产产能空闲时提前安排设备维

修，从而降低设备故障率[10]。同时基于可靠性分析理论，确定不同故障模式下的

设备的有效寿命周期，面对在运设备与备用设备都存在不同故障模式的极端条件下，

可以判断出设备维修的最佳时间窗口，进而确定最为合理、安全的维修策略。因此

依据机械可靠性理论确定设备的有效寿命周期对设备实施预防性维修有着重大意义。

在三参数威布尔分布条件下，利用matlab软件做出掺炼焦蜡前后机械密封工作时

间的概率密度函数图，如图3所示。

从图3可得出掺炼焦化蜡油前后机械密封的概率密度函数最大极值点分别在

2400h、700h左右。说明掺炼焦化蜡油前，原油泵机械密封在2400h左右需要

进行维修更换的比较多，而在掺炼焦化蜡油之后，这一时间大幅缩短为700h，这

就意味着原油泵运行时间接近700h左右，就需采取预防性措施，加强巡检应对。

机械密封工作时间服从三参数威布尔分布，将其位置参数a=0.99、尺度参数

=765、形状参数m=14.259（掺炼焦化蜡油之后）代入式（3）的分布密度函数

为式（4）。可得到机械密封工作可靠度函数及趋势图，如图4所示。

由图4趋势图得出三参数威布尔分布的拟合曲线与原数据的概率分布趋势走势一

致，能够比较准确地反映原油泵机械密封的失效趋势。随着工作时间的增加机械密

封的可靠性变的越来越低，即机械密封失效的概率越来越大。

三参数威布尔分布下，式（4）即是设备在工作t时刻的可靠度，则在R（t）≥RT

的条件下，机械密封工作周期可由式（5）表示：

结合可靠度RT以及威布尔分布下的特征参数、、，求出不同可靠度下机械密

封定期的维修更换周期，如表2所示。表中T1、t1分别是掺炼焦蜡前后，不同可

靠度下机械密封定期维修更换周期。可以看出在掺炼焦化蜡油之后，相同可靠度下

机械密封定期维修更换周期迅速缩短，机封维修频率加大。

5.1 机械密封失效率

为了减少机械密封的故障频率，延长机械密封的有效使用寿命，杜绝重大设备事故

发生，需要对机械密封的失效率进行分析，从而来降低设备的失效率，提高运行的

可靠性。

在三参数威布尔分布条件下，设备的故障率函数可以由下式表示：

由式（7）求出掺炼焦化蜡油前后机械密封的失效率曲线，如图5所示：

图5 显示机械密封的故障率随着运行时间增大，并且失效率趋势吻合与计算出的

故障率函数。在装置掺炼焦化蜡油之前，机械密封故障率上升趋势比较平缓，而在

掺炼焦化蜡油后，原油泵机械密封失效率f（t）在700h后迅速增大，因此，失效

多发生在700h以后，可以判断掺炼焦化蜡油对机械密封的可靠性产生了较大影响，

是机械密封失效周期缩短的关键因素。

5.2 失效模式分析

对（2012～2015）年的原油泵机械密封维修有效记录资料的记录整理，机械密封

的失效模式及其概率分布情况，如图6所示。可以看出多是由机械密封泄露引起

原油泵停机。从图6、图7可知掺炼焦化蜡油后，机械密封的泄漏是原油泵被迫停

机检修的主要因素，而机械密封端面的磨损是引起机械密封维修或更换的主要原因。

依据RCM原理，分析了某常减压装置原油泵机械密封的工作时间概率密度、可靠

性趋势分布情况，得出结论如下：（1）掺炼焦化蜡油前后，机械密封的可靠性趋

势发生了改变，在掺炼焦化蜡油时可靠度在0.9的情况下，更换维修周期657h为

宜，机械密封故障率函数大约在700h左右迅速增大，即原油泵在运行700h的时

候就应该加强巡检应对。

（2）机械密封故障多是由密封端面的磨损引起，因此对原油泵机械密封添加合适

的密封冲洗方案是提高机械密封可靠性的有效方法，且在日常检修中要特别注意对

机械密封的检查和保养，延长其使用寿命。

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