基于故障诊断的寿命预测方法

1.前言

寿命预测是一项研讨设备在规定的运行工况下能够安全运行多长时间的工作。可将寿命预测分为早期预测和中晚期预测。早期预测是确定设备的设计寿命或计算寿命，主要以计算方法进行的，是偏理论的。中晚期预测是指设备累计运行时间已超过或远超过设计寿命，通过对其运行历史的分析、无损探伤及金相检验等多种检验鉴定、断裂力学计算、其它直接和间接的寿命预测技术作为科学依据，评估设备还能够继续安全运行的时间，也就是设备的剩余寿命，这种预测是偏实践的，偏经验的。通常说的寿命预测主要是指剩余寿命预测，也称为剩余寿命评估评定，结构完整性评估。为了进行寿命预测，需要做大量的资料分析、实地检验、试验等工作，将这些技术称为剩余寿命预测技术，简称寿命预测。

从经济效益的角度希望设备能够长期继续运行，延长重大设备寿命已成为世界各国相关部门共同关心的研究课题，并已取得了很大成果。对于我国这样一个发展中国家，许多重大设备主要依赖于进口，如何能够做到物尽其用，这个课题更为重要。所以，需要有一套行之有效的，可靠的技术方法对设备进行寿命诊断、寿命管理，做好预测寿命及延长寿命工作。总的来说，寿命预测是处于确保设备安全运行、防止灾难性事故及延长使用寿命的需求而提出来的。

2.设备寿命预测方法

随着设备状态维修技术的发展，为了提高其可靠性，对于运行20-30年的重大设备的时数老化诊断，即寿命预测，越来越重要。各国对重大设备的寿命诊断都开展了研究工作，不断开发出新的寿命预测方法，有相当多的方法已经用于实际，也有一些尚处于实验预测阶段。诸多的寿命诊断方法归纳起来，大致可分为间接方法和直接方法。

间接寿命预测方法即应力解析法是以解析求出部件材料的应力及材料强度数据为基础，用计算机采用有限元计算出部件的损伤程度。间接寿命预测的关键在于正确搜集到部件运行时完整的、真实的资料，如部件内部介质的温度、压力、金属的壁温等。可评价任何部件和任何部位，不受诊断对象所处位置的制约，但若运行历史或材料数据不准确将导致计算误差，且没有考虑材料老化这一因素。

直接寿命预测方法分非破坏试验法和破坏试验法。破坏性试验法需要取得相同或类似的样本，然后通过破坏性试验得到需要的数据，进行加速蠕变断裂试验、

疲劳试验，据此推算出寿命损伤程度，做出寿命评估。破坏性试验法（试样试验）评价时间较长，有许多场合取样较困难。而非破坏性试验法，在较短的时间，可对较多的部位进行诊断，且能定期监控，所以，采用非破坏性检查的剩余寿命诊断更为有用。直接预测方法中的破坏性方法比其它方法预测损伤的精确度高，在不明白过去作用于材料的温度、应力的情况下也能进行评价，缺点是做蠕变断裂试验、疲劳试验需要较长的时间；同时，受到限制的部件和部位不能使用；所取试样并不一定是关键部位，也有可能代表性不强。直接寿命诊断方法中的非破坏试验法是不需要从部件上切取样品，不破坏部件，在部件材料损伤进展的同时，非破坏地实地直接检验金属的组织，物理性能等，对部件寿命进行寿命预测，它可对多个位置进行诊断。直接方法中非破坏性试验法虽然不用破坏部件，可以实地直接检验金属组织，物理性能，对多个位置进行诊断，但这种方法仅适用于诊断受限制的部位，使用范围狭小。

表1所示为间接预测与直接预测两类方法的特征、适用性、经济性等的对比。

表1 间接预测与直接预测两类方法的特征比较

这几种方法机理的研究是成熟的，装置的开发应用是可行的，但寿命预测的精度还有待于进一步提高，应用范围也有待于扩大。

3.基于故障诊断技术的寿命预测

基于故障诊断技术的寿命预测就是根据电力设备的老化、劣化规律，及影响和决定因素，通过对各种检测方法（离线或在线）取得各种信息，经过科学分析方法全面综合分析，掌握设备的当前状况和寿命期望，并得出设备检修和更换的最佳时机，在避免发生重大事故和节约检修成本方面具有实用价值。

基于故障诊断技术的寿命预测作为维修和更换设备决策的支撑技术，从理论与生产上建立起了状态检测与故障诊断理论以及各种针对具体对象的诊断系统。80年代以来，集多交叉学科于一体的监控、诊断、预测理论与技术，随着现代电子技术、自动控制理论、信息理论与技术、计算机技术，特别是智能理论与技术等前沿科学技术的迅猛发展，建立智能状态监控与故障诊断系统是一个必然的发展趋势。

预防维修是根据设备故障特征曲线或浴盆曲线，在设备进入耗损故障期之前安排进行的维修活动。当今的设备比以往要复杂得多，而且故障模式也有了新的变化。国外一些部门和机构，作了大量关于设备可靠性的研究，发现在设备从使用到淘汰（包括无形磨损造成的设备报废），其故障特征曲线呈六种不同形状，如图1所示。

A B

4% 2%

C D

5% 7%

E F

14% 68%

图1 不同的故障特征曲线

从图中可以看出，模式B开始为恒定或逐渐略增的故障率，最后进入耗损期；模式C显示了缓慢增长的故障率，但没有明显的耗损期；模式D显示了新设备刚出厂时的低故障率现象，很快增长为一个恒定的故障率；模式E在整个寿命周期

都保持恒定的故障率；模式F在开始时有较高的初期故障率，很快降低为恒定或增长极为缓慢的故障率。研究表明，模式A、B、C、D、E、F的发生概率分别为4%、2%、5%、7%、14%和68%。显然，在设备越来越复杂的情况下，更多的设备遵循E和F所代表的模式。这一研究表明，原来认为设备使用时间越长磨损越严重，而会使故障率迅速上升，这种观点不一定正确。对于某种故障模式起主导作用的设备，故障率可能与使用时间长短有关。而对于大多数设备而言，使用时间长短对于设备可靠性的影响不大。也就是说，经常修理设备或定期大修，不一定会防止故障发生，反之可能将初期的高故障率引入稳定的系统之中，增加设备总故障率。

4.可靠性与寿命评估

在设备寿命预测的众多直接方法和间接方法中，大部分方法不但需要高额费用和大量时间，而且适应范围很狭窄，仅适用于一些受限制的部位或者部件。任何设备，其质量水平都由规定的技术参数和指标来衡量，例如高压断路器的质量水平由断流容量、开断故障电流、热稳定电流、绝缘水平等多个参数来表征。但是不论哪个设备都有一个共同的质量指标，这就是使用中的可靠性。它不仅可对同类设备进行质量比较，也可在不同设备之间进行质量对比。基于可靠性的寿命预测对设备进行寿命评估和失效分析，同时结合运行中设备在线监测和诊断技术，可以更准确地掌握它的运行状态，得出设备的寿命损耗程度，进而确定设备最佳检修时机，以便实现状态维修，保证设备的安全运行并且改善其运行条件。

4.1可靠性指标

设备可靠性定义为：设备在规定条件下和预订时间内完成规定功能的概率。若设备丧失了规定功能即为失效或故障。由于设备出现失效或故障总有一定的随机性，是一个随机事件，所以可靠性也要用概率来衡量。

设备的失效或故障大多数是由于绝缘性能劣化所引起的，所以对其进行可靠性分析和寿命评估在很大程度上是对设备绝缘性能做分析和评估。从可靠性角度可将设备分为两大类：

⑴不可修复设备（或元件）。指该设备一旦损坏，在技术上已无法修复或者能修复但在经济上不合算，则它从投运到发生故障所经历的时间就是其寿命。

⑵可修复设备（或元件），指损坏后经修理又可恢复其功能的设备，如发电