舰船电气设备剩余使用寿命评估方法

王建明

（91663部队，山东 青岛 266012）

舰船电气设备剩余使用寿命评估方法

王建明

（91663部队，山东 青岛 266012）

针对舰船电气设备在使用过程中的安全性、可靠性，简要分析了电气设备剩余使用寿命评估方法及理论，提出了实施剩余使用寿命评估的工作思路。

舰船；电气设备；剩余使用寿命；评估

舰船全寿命管理涉及到舰船论证、研制、使用、维修、退役、封存、延寿等工作，舰船设备各部件的寿命有设计寿命、安全运行寿命和实际寿命。设计寿命是指各部件在设计参数下能够保证安全、经济运行的最小累计运行小时数。安全运行寿命是指机组或部件在正常运行状况下安全运行的小时数。安全运行寿命不等于设计寿命，通常是安全运行寿命大于设计寿命。实际寿命是指机组或部件从开始运行至停止运行累计运行的小时数。实际寿命通常比设计寿命长，它可能比安全运行寿命长，也可能比安全运行寿命短。

剩余使用寿命是安全运行寿命减迄今为止的实际运行时间所剩余的可继续安全运行的时间。它需要通过全面的检验和估算预测得出。

目前,部分舰船在达到服役年限后，由于实际情况的需要仍在服役，其电气设备除少量报废外，部分仍在继续使用，但实际已超过安全运行寿命，不同程度的存在有高温部件的钢材性能老化，产生蠕变损伤乃至裂纹等危险性缺陷。由于受财力、物力等方面的制约，而没有做必要的检验、维修、更换，使得在使用过程中存在一定的风险性，为确保超到期舰船安全、有效地开展工作，如何科学地对其电气设备剩余使用寿命进行评估评定，为装备使用、修理、退役、报废等提供科学依据，是一个不容回避且值得探讨的重要课题。

1 电气设备剩余寿命评估和诊断

剩余使用寿命评估是指部件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、其他直接和间接的寿命诊断技术作为科学依据，评估部件还能够继续安全运行的时间，也就是预测机组或部件的剩余使用寿命。这种评估是偏实践的、偏经验的。剩余使用寿命评估也有的称为剩余使用寿命预测、结构完整性评估。为了进行剩余使用寿命评估，需要做大量的资料分析、实地检验、试验等工作。所以，将这些技术称为剩余使用寿命诊断技术，简称寿命诊断。

对于舰船电气设备来说，主要是预测电气设备故障或异常可能发展的速度和后果，提出临时处理的意见和根本治理的建议。

（1）剩余使用寿命评估评定的一般步骤包括：

①明确评估目标，分析评估对象。

②收集和研究历史数据。

③选择评估方法和建立数学模型。

④分析和编制评估评定报告。

（2）通过寿命诊断、评估和管理可以做到：

①掌握部件所用钢材随运行时间增长其材质性能变化的规律及长期运行后老化的程度；

②发现设备缺陷，监督其发展状况，掌握设备健康水平；

③确定寿命损耗率，评估剩余使用寿命；

④提出合理运行方式；

⑤为制订设备修理、改、换装方案及反事故措施提供科学依据；

⑥延长超到期服役设备的运行寿命，这是最经济的，进行寿命诊断和评估所需费用仅为更换该设备所需费用的1/6～1/3。

美国电力研究院采用多数国家使用的“三级评估法”，并制定出较完整的“综合寿命管理程序”，作为美国电力企业寿命管理工作的通用导则。

中国的寿命管理工作目前还是处于初级阶段，它仅限于某些技术专业内的活动，而且只作为个别设备、部件必要时的安全评估手段。

2 电气设备剩余使用寿命评估的方法及理论

2.1 电气设备剩余使用寿命评估方法分为三类：

（1）解析法

解析法属于间接寿命评估，根据各种运行情况下的材质老化数据和本机组使用的时间、温度、应力大小及其分布的状况、起停次数等工况，利用各种曲线、公式进行综合判断，然后可以预测部件的剩余使用寿命，此方法的关键在于正确收集到部件运行的完整真实的资料，如部件内部介质的温度、压力、金属的壁温等。该方法可以评价设备的任意部位，但有很多局限性。这种方法能进行在线监测。

（2）破坏性检测法

从有代表性的部位取得试样后，进行相应的性能实验并进行组织断口状况分析、化学成分分析及碳化合物分析，而后进行综合判断，进而预测部件材料的剩余使用寿命。该方法预测损伤的精度高，但做蠕变断裂试验、疲劳试验需要较长的时间，受到限制的部件和部位不能使用，该方法不适宜监测。

（3）非破坏性检测法

不破坏机组部件，通过外部测量、试验就可以定量掌握材质状况，因此也称为无损检测法。该方法不需要切割小型样品，仅在实物表面上测定，比较方便，但该方法也有局限性，因为材料的固有特性偏差较大，即使相同的部件，运行条件不同，则材料老化程度也各不相同。该方法能定期进行监测。

实际上，在对机组部件进行剩余使用寿命评估时，往往将以上三种方法综合运用。

2.2 基于异常现象信息的故障诊断与故障预测

通过被观测对象在非正常工作状态下所表现出来或可监测到的异常现象（振动、噪声、污染、温度、电磁场等）进行故障判断，并基于趋势分析进行故障预测。大多数机械产品由于存在明显的退化过程，多采用这种故障诊断与预测方式。

基于异常现象信息进行故障诊断与故障预测的任务是基于历史统计数据、故障注入获得的数据等各类已知信息，针对当前产品异常现象特征，进行故障损伤程度的判断及故障预测。概率分析方法、人工神经网络（ANN）、专家系统（ES）、模糊（Fuzzy）集、被观测对象物理模型等都可以用于建立异常现象与故障损伤关系模型。

3 舰船电气设备剩余使用寿命评估工作思路

电气设备如电机的故障表现在三个环节：电气环节、磁耦合环节、机械环节，旋转电机运行条件复杂、恶劣，在长期运行过程中，绝缘逐渐老化，击穿电压逐步下降，因此对大电机剩余寿命（特别是绝缘寿命）的评估一直是人们关注的一个焦点。从国内外电机剩余寿命评估的手段和方法来看，一种是电机制造厂和使用方都在积极开发的电机运行中绝缘在线监测与诊断方法。此法中广泛应用的有局部放电电荷法、电位变化检测法、超声波法、测色法和微粒子检测法等，其特点是多数都需要敷设较先进的传感器或使用一些较先进的仪器设备。另一种方法即在两次大修期间诊断、评估电机绝缘剩余寿命的方法，利用先进的仪器设备监测和检查电机的工作状况，据此判断其剩余寿命。同时发展的用概率模型估算电机剩余寿命的方法也得到了越来越广泛的应用。如通过马尔可夫模型模拟电机的绝缘系统劣化过程以评估其剩余寿命等。

在研究电机可靠性中，常提到可靠度（R）、可靠寿命（tR）和平均寿命（MTBF）等，由于生产厂、型号规格、使用环境、维护工作等诸多不同因素，评估其剩余寿命是一个较复杂的问题。通过计算机，将非破坏性试验结果、经验检查结果及概率模型估算值等输入，通过分析大量的现场数据资料，依据一个科学的判断劣化标准，将专家的思考过程和判断逻辑规律化，自动得出一个评价结论，这就构成了绝缘可靠寿命评估专家系统，通常每年要至少重估一次电机绝缘剩余寿命。

装备监测诊断技术是在设备运行过程中，运用检测手段，获取设备的运行信息，并运用诊断理论和方法，对设备的运行状态作出判断，从而确定故障产生的原因、部位和性质，预测故障的发展趋势。及时准确地监测诊断，可以及早发现故障苗头和隐患，降低故障损失；充分发挥设备潜能，延长服役期限和使用寿命，监测诊断技术能有效地减少和杜绝事故的发生，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，装备监测诊断是装备全系统、全寿命管理的重要手段，促进装备建设由粗放式快速发展到健康稳定的道路上。

如发电机可从故障诊断的基本方法入手：

（1）电气分析法 通过频谱等信号分析方法对负载电流的波形进行检测，从而诊断出发电机故障的原因和程度，检测局部放电信号，对比外部施加脉冲信号的响应和标准响应等；

（2）绝缘诊断法 利用各种电气试验装置和诊断技术对发电机的绝缘结构和参数及工作性能是否存在缺陷作出判断，并对绝缘寿命作出评估；

（3）温度检测方法 采用各种温度测量方法对发电机各个部位的温升进行监测，发电机的温升与各种故障现象相关；

（4）振动与噪声诊断法 通过对发电机振动与噪声的检测，并对获取的信号进行处理，诊断出发电机产生故障的原因和部位，尤其是对机械上的损坏诊断特别有效；

（5）化学诊断的方法 可以检测到绝缘材料和润滑油劣化后的分解物以及一些轴承、密封件的磨损碎屑，通过对比其中一些化学成分的含量，可以判断相关部位元件的破坏程度；

条件许可的话，也可采用发电机故障诊断的现代分析方法：基于信号变换的诊断方法如希尔伯特变换和小波变换、基于专家系统的诊断方法、基于人工神经网络（ANN）的诊断方法、基于集成型智能系统的诊断方法等。

4 结束语

对舰船电气设备剩余寿命的评估是关系到舰船安全性、可靠性的重要手段，按照剩余寿命评估评定一般步骤，分析制定科学合理的舰船电气设备剩余寿命报告，为装备使用、修理、退役、报废等提供科学依据，从而提高装备全系统全寿命科学管理水平。

[1] 马宏忠.电机状态监测与故障诊断[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 张建.机械故障诊断技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

The remaining useful life assessment method of the electrical equipment in ship

For the safety and reliability of the electrical equipment used in ship ,the paper analyzes the remaining useful life assessment method and theory of the electrical equipment briefly,and proposes work plans for implementation of remaining useful life assessment..

Ship; electrical equipmen; remaining useful life ;assessment

TM201.4+2;TM247+.1

A

1008-1151(2015)03-0085-02

2015-02-13

王建明（1963－），男，山西人，91663部队高级工程师，从事装备状态监测与故障诊断。