李 靜 劉立強 熊聯(lián)友 王慧榮

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190) (2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

250 W@4.5 K氦制冷機故障模式、效應(yīng)及危害度分析

李 靜1,2劉立強1熊聯(lián)友1王慧榮1,2

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190) (2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

為了評估中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的一臺250 W@4.5 K氦制冷機的可靠性，建立了250 W@4.5 K氦制冷機的故障模式、效應(yīng)及危害度(FMECA)模型。收集了國內(nèi)相似制冷機用戶的低溫設(shè)備失效數(shù)據(jù)，利用壽命數(shù)據(jù)軟件Weibull擬合了失效數(shù)據(jù)分布，從而獲得低溫部件的失效率。采用了國際熱核試驗反應(yīng)堆組織(ITER)的FMECA評價準(zhǔn)則，分析了制冷機主要部件的故障模式及其對制冷機相關(guān)功能的影響，找出了危害度較大的關(guān)鍵零部件。提出了改進措施，將高風(fēng)險的故障模式降低到了中低風(fēng)險。

氦制冷機 低溫系統(tǒng) 故障模式 FMECA 失效數(shù)據(jù)分布

1 引 言

大型氦低溫制冷系統(tǒng)在國內(nèi)外大科學(xué)裝置中應(yīng)用廣泛，對大科學(xué)裝置的正常運行起到重要作用。低溫系統(tǒng)設(shè)備的失效不但對低溫系統(tǒng)本身有影響，同時會影響低溫系統(tǒng)服務(wù)的大科學(xué)裝置。因此大科學(xué)裝置對于大型氦低溫制冷系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。進行大型氦低溫制冷系統(tǒng)的可靠性分析，保證低溫系統(tǒng)安全長周期穩(wěn)定運行從而保障大科學(xué)裝置的順利運行有重要的意義。

故障模式、效應(yīng)及危害度分析方法(Failure modes，effects and criticality model analysis，F(xiàn)MECA)在風(fēng)險評估中占有重要地位，主要用于預(yù)防故障。歐洲聯(lián)合體ISO9004質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，將它作為保證設(shè)備設(shè)計和制造質(zhì)量的有效工具。FMECA分析過程的基本出發(fā)點，是分析現(xiàn)有設(shè)計方案，以具有明確故障模式的部件級為基礎(chǔ)，充分利用已有的設(shè)計，通過對系統(tǒng)的全面分析，找出危害性較大的關(guān)鍵零部件，以及在役設(shè)備會有哪些故障可能發(fā)生，提高設(shè)備固有可靠性或過程可靠性[1]。

國際上對低溫系統(tǒng)的可靠性分析中FMECA分析應(yīng)用廣泛，國際熱核試驗反應(yīng)堆組織(ITER)曾經(jīng)成立了RAMI(可靠性，可用性，可維修性和可檢測性)分析組，對ITER配套低溫系統(tǒng)概念設(shè)計方案進行了故障模式、效應(yīng)及危害度分析(FMECA)，并提出了應(yīng)用于ITER所有系統(tǒng)的FMECA評價準(zhǔn)則[2-3]。國際三十米天文望遠鏡(TMT)的低溫系統(tǒng)概念設(shè)計項目同樣包含了可靠性分析的要求。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所針對TMT低溫系統(tǒng)概念設(shè)計方案進行了FMECA分析，已通過了TMT國際技術(shù)委員會的設(shè)計評審。在目前進行的ITER低溫傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中，承擔(dān)任務(wù)的ITER India也做了相應(yīng)的可靠性評估工作。

目前國內(nèi)對于大型氦低溫制冷系統(tǒng)的可靠性分析工作業(yè)已提上了日程。合肥中國科學(xué)院等離子體物理研究所采用故障樹分析方法(FTA)分析了超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置(EAST)低溫冷卻系統(tǒng)的可靠性[4]。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所對氦氣體軸承透平膨脹機實驗平臺進行了可靠性評估和FMECA分析[5]。針對低溫設(shè)備失效數(shù)據(jù)量不足和其分布不易擬合的現(xiàn)狀，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所收集了國內(nèi)相似制冷機用戶低溫設(shè)備的失效數(shù)據(jù)，利用壽命數(shù)據(jù)分析軟件Weibull++10.0擬合了其失效分布，得出壓縮機，透平，真空泵等設(shè)備的失效分布服從兩參數(shù)威布爾分布，并利用ITER的FMECA風(fēng)險評價準(zhǔn)則，對10 kW@20 K氦制冷機進行了FMECA分析[6]。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制了一臺250 W@4.5 K氦制冷機，目前處在集成階段。為了評估該制冷機的可靠性，建立了250 W@4.5 K氦制冷機的故障模式、效應(yīng)及危害度(FMECA)模型，分析了該制冷機主要部件的故障模式及其對制冷機相關(guān)功能的影響。

2 250 W@4.5 K氦制冷機流程及功能分析

250 W@4.5 K氦制冷機流程圖如圖1所示，該流程包含1臺螺桿壓縮機、2個透平、9個熱交換器、1個液氦杜瓦，同時包含5個常溫調(diào)節(jié)閥，11個低溫控制閥。制冷機采用帶有液氮預(yù)冷、兩級透平膨脹機的克勞德(Claude)制冷循環(huán)，分為液氮預(yù)冷、氣體膨脹制冷和節(jié)流制冷3個階段。其工作流程為：氦氣螺桿壓縮機排出高壓氦氣經(jīng)除油后進入冷箱，經(jīng)過液氮預(yù)冷，透平膨脹機膨脹后經(jīng)節(jié)流閥進入液氦杜瓦。杜瓦瓶中的氦氣再次經(jīng)冷箱中的換熱器進入壓縮機完成工作循環(huán)。流程中還包括污氦氣的純化。

圖1 250 W@4.5 K氦制冷機流程圖Fig.1 PFD of 250 W@4.5 K helium refrigerator

為了對制冷機進行FMECA分析，首先對制冷機進行功能分析。定義250 W@4.5 K氦制冷機的功能為“制冷模式下提供250 W@4.5 K的冷量，同時具有氦純化與液化功能，處理能力不低于60 L/h”。整個制冷機分為4大功能模塊，即壓縮機站，冷箱制冷液化部分，純化部分和輔助系統(tǒng)。其中壓縮機站包括1臺螺桿壓縮機、2臺ORS凝聚式過濾器、1臺活性炭吸附筒、1個氣氦儲罐和4個常溫調(diào)節(jié)閥。冷箱制冷液化部分包括液氮預(yù)冷系統(tǒng)、6個熱交換器、2個透平、1個透平軸承氣控制閥、5個低溫控制閥和1個液氦杜瓦。純化部分包括3個熱交換器、5個低溫控制閥和1個污氦干燥器。輔助系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、真空泵、氣體純度分析儀和安全閥等。

根據(jù)功能分析，可以判斷為了實現(xiàn)制冷機的功能，制冷機的各主要部件是串聯(lián)關(guān)系。

3 制冷機低溫設(shè)備失效數(shù)據(jù)及其分布

3.1 失效分布類型

在可靠性問題中，產(chǎn)品的失效分布類型是十分重要的問題。常用的失效分布有指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等。指數(shù)分布的失效率是與時間無關(guān)的常數(shù)，可以用來描述浴盆曲線的盆底段。威布爾分布和其它分布的關(guān)系比較密切，其形狀參數(shù)取值范圍反映了產(chǎn)品失效特性，因此它對各種類型的試驗數(shù)據(jù)的適應(yīng)能力較強，其應(yīng)用比較廣泛。

3.2 可靠性數(shù)據(jù)收集與分布擬合

獲得設(shè)備的失效數(shù)據(jù)后，可以通過統(tǒng)計學(xué)的方法得到數(shù)據(jù)的分布，一般有概率紙圖估法和檢驗法等[7-8]。

對于250 W@4.5 K氦制冷機的某些部件，比如壓縮機，真空泵和透平，本項目收集國內(nèi)相似制冷機用戶近幾年的失效數(shù)據(jù)，用戶包括北京大學(xué)自由電子激光PKU-FEL，上海應(yīng)用物理研究所上海光源SSRF和北京高能物理研究所北京正負電子對撞機BEPCII，采用Reliasoft公司的專業(yè)可靠性壽命數(shù)據(jù)分析軟件Weibull++10.0，對收集到的低溫設(shè)備失效數(shù)據(jù)進行了失效分布擬合。

以透平為例，表1為透平失效引起整個氦制冷機停機的透平壽命數(shù)據(jù)。壽命數(shù)據(jù)包含完全壽命數(shù)據(jù)和右截尾數(shù)據(jù)(右刪失數(shù)據(jù))2種數(shù)據(jù)類型。完全壽命數(shù)據(jù)即明確知道從設(shè)備啟用到失效的壽命數(shù)據(jù)(以F表示)，右刪失數(shù)據(jù)指從設(shè)備啟用到數(shù)據(jù)統(tǒng)計時設(shè)備尚未失效的壽命數(shù)據(jù)(以S表示)。

表1 統(tǒng)計的透平失效數(shù)據(jù)Table 1 Collected failure date of turbine

利用壽命數(shù)據(jù)分析軟件Weibull++10.0，對收集到的透平壽命數(shù)據(jù)進行分布擬合。因為存在右刪失數(shù)據(jù)，故選用極大似然估算法(MLE)。擬合結(jié)果為透平的失效分布服從兩參數(shù)威布爾分布，其形狀參數(shù)β=2.8，特征壽命或尺度參數(shù)η=24 061.1 h。采用同樣方法，壓縮機，真空泵等的失效分布同樣服從兩參數(shù)威布爾分布。PLC控制系統(tǒng)，液氮預(yù)冷系統(tǒng)的失效分布服從對數(shù)正態(tài)分布。

對于250 W@4.5 K氦制冷機的其它部件，比如熱交換器，控制閥(室溫調(diào)節(jié)閥和低溫控制閥)，因為沒有足夠的失效數(shù)據(jù)進行分布擬合，它們的失效分布則引用自國際熱核試驗反應(yīng)堆組織(ITER)的可靠性分析報告[9-10]。

4 250 W@4.5 K氦制冷機故障模式、效應(yīng)及危害度(FMECA)分析

4.1 故障模式、效應(yīng)及危害度分析(FMECA)風(fēng)險評價準(zhǔn)則

采用國際熱核試驗反應(yīng)堆組織(ITER)使用的嚴酷度分類標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)生概率分類標(biāo)準(zhǔn)。危害度分類標(biāo)準(zhǔn)同樣采用ITER標(biāo)準(zhǔn)。嚴酷度分類標(biāo)準(zhǔn)見表2所示，故障發(fā)生概率分類標(biāo)準(zhǔn)見表3所示。

表2 嚴酷度分類標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Severity rating scale

表3 發(fā)生概率分類標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Occurrence rating scale

4.2 故障模式、效應(yīng)及危害度分析(FMECA)危害度矩陣(風(fēng)險矩陣)

為了評估風(fēng)險等級，定義改進措施實施前的初始危害度Ci為初始嚴酷度Si和故障初始發(fā)生概率Oi的乘積(Ci=Si×Oi)。根據(jù)計算結(jié)果，危害度可以分為高風(fēng)險、中風(fēng)險和低風(fēng)險。高風(fēng)險指在危害度矩陣里深色區(qū)域中的危害度，其危害度值Ci大于等于13；中等風(fēng)險指7≤Ci<13的危害度，用風(fēng)險矩陣中的淺色區(qū)域表示；低風(fēng)險指Ci<7的危害度，用風(fēng)險矩陣中的淡色區(qū)域表示。具有高風(fēng)險的故障模式，必須采取一定措施，如設(shè)計改進、維修等將危害度降低為中、低風(fēng)險；中等風(fēng)險的故障模式，推薦采取一定措施將危害度降低為低風(fēng)險；低風(fēng)險的故障模式，其改進措施可選。定義改進措施實施后的危害度Cr為嚴酷度Sr和故障發(fā)生概率Or的乘積(Cr=Sr×Or)。

以透平為例，已知透平的失效分布，可計算得透平一年之內(nèi)的失效概率為0.057 3。根據(jù)表3可知Oi為4。根據(jù)透平失效需要的維修時間，初始為1周，Si為4。改進措施實施后的維修時間為1天，Sr為3，故Ci=Si×Oi為16，Cr為12。

4.3 250 W@4.5 K氦制冷機FMECA模型

250 W@4.5 K氦制冷機各部件的FMECA分析(節(jié)選)見表4—表6，不同的危害度數(shù)值代表不同的風(fēng)險等級，大于等于13的數(shù)值代表高風(fēng)險，大于等于7但小于13的數(shù)值代表中等風(fēng)險，小于7的數(shù)值代表低風(fēng)險等級。

表4 250 W@4.5 K氦制冷機FMECA分析：A1-壓縮機站產(chǎn)生常溫高壓氦氣Table 4 FMECA of 250 W@4.5 K refrigerator

5 250 W@4.5 K氦制冷機FMECA分析結(jié)果

根據(jù)250 W@4.5 K氦制冷機FMECA分析，制作初始風(fēng)險矩陣和改進后的風(fēng)險矩陣圖，共有25種故障模式，見圖2和圖3。

根據(jù)圖2，初始風(fēng)險矩陣里共有2個高風(fēng)險，7個中等風(fēng)險的故障模式。所對應(yīng)的故障模式分別為：

表5 250 W@4.5 K氦制冷機FMECA分析：A2-冷箱制冷液化部分-提供低溫環(huán)境和冷量Table 5 FMECA of 250 W@4.5 K refrigerator

高風(fēng)險：螺桿壓縮機不能實現(xiàn)預(yù)定功能、透平不能實現(xiàn)預(yù)定功能。

中風(fēng)險：氦氣緩沖罐泄露、液氮預(yù)冷系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定功能、換熱器故障(輕微泄露)、PLC控制系統(tǒng)當(dāng)?shù)貎x表故障、PLC控制系統(tǒng)主控PLC故障、真空系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定功能。

由圖3可見改進后的風(fēng)險矩陣，共有0個高風(fēng)險和4個中等風(fēng)險的故障模式。改進措施實施后，高風(fēng)險的故障模式降低為中等風(fēng)險，中等風(fēng)險的故障模式數(shù)目降低。4個中等風(fēng)險的故障模式為：螺桿壓縮機不能實現(xiàn)預(yù)定功能、透平不能實現(xiàn)預(yù)定功能、PLC控制系統(tǒng)主控PLC故障、真空系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定功能。

由此可見，影響250 W@4.5 K氦制冷機可靠性的關(guān)鍵設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)是壓縮機、透平、PLC控制系統(tǒng)和真空泵。

圖2 初始風(fēng)險矩陣圓點的個數(shù)和大小表示被(嚴酷度、發(fā)生概率)坐標(biāo)定義的故障模式的個數(shù)。危害度評價準(zhǔn)則(7和13)將圖中區(qū)域劃分為高風(fēng)險區(qū)域、中等風(fēng)險區(qū)域和低風(fēng)險區(qū)域Fig.2 Initial criticality matrix

圖3 改進后的風(fēng)險矩陣圓點的個數(shù)和大小表示被(嚴酷度、發(fā)生概率)坐標(biāo)定義的故障模式的個數(shù)。危害度評價準(zhǔn)則(7和13)將圖中區(qū)域劃分為高風(fēng)險區(qū)域、中等風(fēng)險區(qū)域和低風(fēng)險區(qū)域Fig.3 Revised criticality matrix

6 提高制冷機可靠性的措施

為了提高250 W@4.5 K氦制冷機可靠性，從設(shè)計，測試，維修和運行等方面提出改進措施以降低高風(fēng)險和中等風(fēng)險故障模式。這些改進措施如下：

(1)壓縮機震動應(yīng)被監(jiān)測。如有異常震動，檢測或預(yù)防性維修應(yīng)執(zhí)行。氦氣壓機維修備件+聯(lián)軸器+濾油器+氣體過濾器應(yīng)現(xiàn)場備用；

(2)設(shè)計良好的透平開機控制邏輯，并建立自動啟?？刂颇Ｊ剑煌钙捷S承現(xiàn)場備件；進行快速換裝；

(3)采用有冗余功能的PLC，PLC備件現(xiàn)場備用，當(dāng)?shù)貎x表備件需現(xiàn)場備用(壓力變送器，傳感器，信號調(diào)節(jié)器等)；

(4)液氮管道，閥門定期檢查，密封件定期更換且備件現(xiàn)場備用；

(5)機動真空泵應(yīng)替代故障真空泵以恢復(fù)特定的真空量級，且接口兼容。

7 結(jié)果和結(jié)論

為了評估中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的250 W@4.5 K氦制冷機的可靠性，建立了故障模式、效應(yīng)及危害度分析(FMECA)模型。共分析了25種故障模式。結(jié)果表明：壓縮機、透平、PLC控制系統(tǒng)和真空泵是影響250 W@4.5 K氦制冷機可靠性的關(guān)鍵因素。從設(shè)計，測試，維修和運行等方面提出了改進措施，以降低高風(fēng)險和中等風(fēng)險的故障模式。

目前低溫系統(tǒng)部件的故障模式數(shù)據(jù)量太少，且收集不易，今后可以考慮針對已知失效分布的特定失效模式進行壽命加速實驗。

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Failure modes，effects and criticality analysis of a 250 W@4.5 K helium refrigerator

Li Jing1,2Liu Liqiang1Xiong Lianyou1Wang Huirong1,2

(1Key Laboratory of Cryogenics，Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

To evaluate reliability of a 250 W@4.5 K helium refrigerator developed in Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，a failure modes，effects and criticality model(FMECA)was proposed. The cryogenic components failure data of similar refrigerators in China were collected and failure rate distributions were fitted with software Weibull. Hence，the failure probability of cryogenic components can be gotten. The FMECA rating scale of ITER was adopted. The failure modes of main components of this refrigerator and their effects on the related function were analyzed. The key components with high and medium risks were pointed out. The mitigation actions were proposed to decrease the major/medium risks to medium/minor risks.

helium refrigerator；cryogenic system；failure modes；FMECA；failure rate distribution

2016-06-02；

2016-07-26

中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室青年科技創(chuàng)新項目(CRYOQN201307)基金資助。

李靜，女，38歲，博士研究生、助理研究員。

TB664

A

1000-6516(2016)04-0035-06