设备故障及预防措施探究

元件、设备或一个机械系统在规定的条件下和预定时间内完成功能的状态称为正常状态，它们保持正常状态的能力称为可靠性。可靠度则是用来表示可靠性的指标，它表示元件成功的概率或工作成功的比值。（现大都用可靠性指标来表示可靠度，如衡量电网供电能力的供电可靠性指标，衡量发电机组的发电可靠性指标等。）故障或失效是指元件、设备或者系统不能执行其规定的功能。在一定时间内，它们发生的故障的概率就是可靠的。

故障学的目的就是研究故障发生的规律，提出定量评定指标和制定提高可靠性的措施。

视故障的严重程度，各行各业都有自己的分类标准。如电力工业事故统计规程和企业习惯做法，是将一些严重的故障定为事故（即设备事故），其次定为障碍和异常（即设备障碍和设备异常，障碍又根据性质分为一类、二类、三类设备障碍；异常比较轻微，未再分级分类），并且各有其定性的确切定义。

电力设备故障，对工业是一种灾害。一个局部电网内发生一次重大设备故障，对该地区工业生产、人民用电秩序将是一次严重的打击，轻则给工业生产造成产品质量下降和经济效益减少，重则造成设备损坏和人身伤亡。若引发大面积停电事故，则市民生活、城市交通、金融、医院、电台、电视台将遭受一定的损失。因此，电力工业（包括电力基建）一再强调把“安全第一”、“质量第一”作为工作准则。电力建设行业中的机械设备故障与其他行业的发电、供电有所不同，但性质基本是一致的。发电、供电企业所用的电气设备，都是经电力基建企业安装和调试，并且启动发电、供电成功后，才分别交给发电企业、供电企业和用电企业的。因此，电力基建企业的“安全”、“质量”要求和考核尺度应高于发电企业和供电企业；若不高于，至少水平应一致，万不可定的“可靠性”考核指标低于他们，所以，这就是电力基建企业安全和质量的特殊性。

故障学一般研究的内容包括：故障分析、设备可靠性、维修性、材料物理性、容错技术和人们的能动性等。

1.故障分类

1）按故障原因分类。

① 渐发故障。也叫磨损故障，它与设备部件的劣化、腐蚀、蠕胀、磨损有密切的关系，和时间也有一定的关系。

② 突发故障。也叫外力破坏，是自然界中雷、雪、冰、风、雨、动物和人为外界影响的结果。

③ 复合性故障。也称为随机性故障，包括渐发性和突发性两种性质的故障，是它们互相影响造成的，并合成一股力量促使故障加速发展。

2）按故障后果分类。

① 功能故障。这类故障是指设备停止转动，丧失了设备原有的功能。

② 参数故障。这类故障使工作效率降低，技术经济指标下降，设备处于不经济状态下运行。过去这方面不做计算，现在有的单位和企业也不做此项计算，但从故障学的观念和经济管理学的观念，这是一种不正常的故障状态。

3）按故障持续情况分类。

① 连续性故障。在第一次故障发生以后，又会发生第二次，甚至第三次的连续不断的同类型故障。

② 周期性故障。在设备正常运行中，各运行部件，因受到磨损、腐蚀等因素的影响，会发生有周期规律性的故障，需要采取预防措施。

4）按故障影响范围来分类

① 局部故障。这种故障主要局限于部分元件或某一部位，也不影响外部，甚至可以延缓一段时间，由备用设备代用，损失比较小。

② 全局性故障。这种故障会造成停机，大面积停电，甚至全网瓦解，使许多生产、生活部门都受到损失，影响极大，这是要尽全力避免的。

5）按故障允许与否来分类。

① 允许发生的故障。这种故障的发生，对生产影响不大，是局部的，或已有备用设备，设计上已考虑到故障发生的概率，故不产生严重后果，允许其发生。

② 不允许发生的故障。这种故障发生后将会造成严重后果。因此，要防止误操作和自然外力破坏等，在设计上要考虑安全措施。

6）按故障关联来分类。

① 相关故障。当系统某一部分故障而导致系统故障时，不管其余部分是否发生故障，系统也不能正常工作。在串联系统中，相关故障时的可靠度要比单元独立时的可靠度低；在并联系统中，相关故障时的可靠度要比单元独立时的可靠度高，这就是相关故障减少了储备效果。

② 非相关故障。发生单元故障而系统还可以正常工作的故障。

2.设备故障的物理性

1）材料的性能和状况变化如图1-10所示。

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图1-10 材料性能和状态变化规律图

材料性能：现代技术按三种级别对材料性能和状态变化规律进行研究。

① 亚微观研究。诸如材料的晶体缺陷及其相互作用的运动、量子力学中的弹力、固体中的原子扩散等基本概念的研究。这些都是解决材料强度和耐久性等基本问题的物理学基础。

② 微观研究。研究分析在较小范围内发生的过程，阐明变形和应力间的关系，用显微组织和晶体结构，热转变及其他过程的显微组织等。

③ 宏观研究。对变形、磨损、腐蚀部件和材料的初始性能，如状况变化过程，通过以上分析，掌握部分规律，以便从设计、制造、生产、改造和维修中提高可靠性。

2）残余应力。材料部件都存在不同的残余应力，处理得好可以减少由应力而发生的故障。在加工和使用中，表面应力会使表面层发生很大变化。机器故障和表面应力发生变化有很大关系。另外，还有压缩应力、拉伸应力、扭曲应力和应力集中现象。由于温度造成蠕变、由于压力造成塑性变形、由于温度不均匀等造成龟裂和裂纹，这些都是造成故障的因素。

3）老化过程。部件老化是因腐蚀、振动、金属疲劳、磨损等，最终造成部件破坏，而丧失部件原有性能，这便是部件的老化过程。其表现如下：

① 零部件本体老化有三种类型。第一种类型是零部件变形，其老化表现形式有扭曲、蠕变、塑性变形等，其老化的外部特征是零部件变形。第二种类型是零部件材料性能变化，其老化的表现形式有磁性、透气性、机械性能、材料组织、化学成分以及润滑油、燃料油的污染程度等变化，其老化的外部特征是零部件的材料性能发生变化。第三种类型是零部件损坏，其老化的表现形式有韧性破坏、脆性破坏、刚性破坏，其老化的外部特征是零部件破坏。

② 零部件的表面老化（表面损坏伤）有五种表现类型，分别是腐蚀、磨损、附粘、表面层性能变化和接触条件变化。

4）材料腐蚀。腐蚀是指物质表面与周围介质发生化学反应或电化学反应而受到破坏。通常指金属腐蚀，如生锈等。金属腐蚀，据估计每年造成的损失占钢材生产量的3%左右。由于金属材料或金属材料构成的设备零部件，长年处在周围介质的化学作用、电化学作用、高频振荡作用所引起的金属腐蚀中，常会导致零部件的损坏。而电力工业的电气设备由于长年处在高温腐蚀、电腐蚀、水汽腐蚀中，所以防腐蚀工作和措施要认真研究和对待。

5）磨损。磨损是指机械零部件在运行过程中由于摩擦造成的损耗。材料部件在自动过程中，有面接触、线接触和点接触，材料必然受到磨损。设备运行维护得当，磨损可大为减少；如维护不当，则磨损加剧。

6）蠕变。蠕变亦称“蠕滑”或“徐变”，是指在一定的温度下，材料内部的应力大于某一数值时，外力不增加而塑性变形随时间缓慢增长的现象。蠕变是材料的机械性能之一。铅、锌、沥青和混凝土等材料，在常温下就有蠕变；钢、铁等材料，只有在300℃以上高温，蠕变现象才显著。其实，金属材料的蠕变同疲劳一样，有时联合作用，加速故障发展。发电厂的锅炉水管、蒸汽管最怕蠕变，目前各国都在统计研究，现我国有锅炉水管、蒸汽管运行18万小时的数据，在世界上也位列前茅。用蠕变来估计部件的寿命是比较科学、简便的。

3.设备诊断简介

设备诊断也称设备故障预知技术，是在技术监督基础上发展起来的一门新技术，是识别文件、设备、系统运行状态的科学，并研究它们运行状态中信息的反馈。现在已由手摸、目测、化验的鉴别手段，发展到通过复杂的设备仪器和应用计算机进行综合性的设备诊断。

故障判断，就是在生产运行当中对机械设备进行状态检测，对机械设备未发生故障前进行健康诊断和对发生了故障后进行分析判断。重要的是对设备故障前的诊断。故障判断主要是依靠准确的仪表监测进行综合分析，看设备是否在正常工作，如果超出极限或低于正常状态，那么是渐发的还是突发的、是瞬间的还是持续的、是被动的还是平稳的，根据这些现象来判断故障发生的可能性，以及摸索寻找故障发生的规律。检查主要是通过手摸、目测、仪器测量等手段，进而判断故障征兆和故障的可能性，以便采取紧急措施，防止事故发生或动用备用设备，有准备、有计划地进行维修，减少对外损失。

故障后的判断，是判断造成故障的原因，判断是由于物理性能造成的，还是操作过失造成的，还是外力破坏造成的，找出故障原因和故障部位，进行分析，以便采取修复措施。

4.容错技术

容错技术是提高系统可靠性的主要方法之一，是一种容许局部错误的方法。所谓容错，就是认识到故障是客观存在的，是不可能完全避免的，因此在投资故障对策上，如在大坝设计中，就是百年或千年一遇的洪水问题；在高压输电线路设计中，就是提高抗灾率，如五十年或百年一遇的冰雪、抗地震烈度、抗风能力等。

容错技术也包括冗余技术。所谓冗余，就是指多余的、繁琐的、繁忙的事。冗余技术是完全相同的若干系统来共同完成原来一个系统就可以完成的工作，在系统正常运行时是多余的，甚至是浪费的，但一旦发生故障，这种多余的系统可以自动投入，保证正常运行。

5.失效与可靠的统一

失效与可靠是矛盾的两个方面。我们的目的自然是尽可能提高可靠性以减少故障率，但可靠性的提高必须建立在合理的经济基础上。首先，不是任何元件和设备都需要同等的可靠度；其次，生产总是与经济性相关系的，如仅是以提高可靠性为目的，当然是富余量越大越好，但这会使可靠度超过需要，违反经济性的原则，或成为技术上不可能实现的要求。此外，可靠度的实现还受位置和配合关系的限制，不可能一味贪图可靠而使设备在重量、体积、材料和工艺上无所限制。因此，一定要在某种限度内保证必要的可靠度。但是可靠度差不符合要求的设备，经常修理，也会造成很大损失，同样是不经济的。

通常是从人、环境、设备几方面去想法提高设备可靠性，主要内容有：

1）发展故障预测和诊断技术。

2）维修性工程中应用新技术、新工艺、新材料，提高原有设备的部分性能。

3）提高故障分析能力，及时找出故障原因，采取相应措施。

4）做好生产人员的培训，提高设备使用维护技能。