摘 要

随着航运业的发展，信息化技术给船舶的研究带来了动力，船舶也朝着智能化发展，用信息技术对离心泵的可靠性分析也成为智能船舶的研究对象之一。离心泵作为货油泵，普遍应用在液货运输，化工等行业。运输的燃油属于危险品，因此，在日常管理上有严格的规范和要求。若货油泵发生故障，会发生经济损失，污染物的泄漏，还会造成安全事故。若用信息技术对其进行故障诊断，及时解决故障，减小损失，对船舶运输管理有很大帮助。

离心泵可靠性是智能船舶领域，也是船舶货油运输领域的一个主要研究范畴。本文的主要工作有：

（1）介绍离心泵作为货油泵，其占有的主要地位及特点，研究其可靠性的意义，国内外研究现状和发展前景。介绍本文的研究内容和具体技术路线。

（2）描述离心泵的原理，用可靠性理论分析离心泵的故障机理，得出离心泵的故障原因和具体解决措施。

（3）介绍故障树分析法，用故障树分析软件FreeFta建立离心泵可靠性失效的模型，并用故障树理论对离心泵故障进行分析，得出在日常工作中应重点注意的故障，总结出提高可靠性的建议。

（4）总结离心泵的故障模式，通过DAO接口将Visual C 和Access连接起来，建立故障诊断程序，可以诊断故障并生成解决方案，快捷方便地解决故障问题。

综上，本文通过FreeFta软件建立离心泵故障模型，利用Visual C 和Access软件建立离心泵故障诊断数据库程序，实现了对离心泵故障的分析和智能化管理。通过实践证明此故障诊断程序发挥出了理想的作用，能更方便地为技术人员提供指导，并且与本科所学知识相对应。

关键词：离心泵；故障树；可靠性；数据库；故障诊断

Abstract

With the development of the shipping industry, the information technology has brought the driving force to the research of the ship, the ship is also moving towards the intelligent development. The reliability analysis of the centrifugal pump with information technology has also become one of the research objects of the intelligent ship.Centrifugal pump as a cargo pump, commonly used in liquid cargo transportation, chemical and other industries. If the information technology to its fault diagnosis, timely troubleshooting, reduce losses, the ship transport management is very helpful.

Centrifugal pump reliability is the field of intelligent ships, but also a major area of research in the field of cargo oil transport. The main work of this paper is:

(1) Introduce the main position and characteristics of the centrifugal pump as the cargo pump, and study the significance of its reliability, the research status and the development prospect at home and abroad. Introduce the research content and concrete technical route of this paper.

(2) Describe the principle of centrifugal pump, reliability analysis of the centrifugal pump with the failure mechanism, the cause of the centrifugal pump failure and specific solutions.

(3) Introduce the fault tree analysis method, use the fault tree analysis software FreeFta to establish the reliability failure model of the centrifugal pump, and analyze the failure of the centrifugal pump with the fault tree theory, and draw the fault that should be paid attention to in the daily work Reliability recommendations.

(4) Summarize the failure mode of the centrifugal pump, connect the Visual C and Access through the DAO interface, establish the fault diagnosis program, diagnose the fault and generate the solution, and solve the problem quickly and easily.

In this paper, the centrifugal pump failure model is established by FreeFta software. It is proven that this fault diagnosis program plays an ideal role, and it is more convenient to provide guidance to the technician and correspond to the knowledge of the undergraduate course.

Key words：Centrifugal pump；cargo pump；Ship cargo oil transport; reliability failure mode; fault tree analysis; improve reliability.

目 录

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.2.3发展趋势 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 船用离心泵失效模式分析 6

2.1船用离心泵 6

2.1.1离心泵结构 6

2.1.2离心泵工作原理 7

2.2 离心泵失效模式· 8

2.2.1 可靠性定义 8

2.2.2 可靠性失效机理 10

2.3 离心泵失效模式分析 11

2.3.1 离心泵启动后不能输送液体 12

2.3.2 离心泵启动后流量不足 12

2.3.3 离心泵电动机故障 13

2.3.4振动过大或异常响声 13

2.3.5 泵轴承过热 14

2.3.6 液体外泄 14

2.4本章小结 16

第3章 离心泵故障树分析 17

3.1故障树介绍 17

3.1.1基本术语 17

3.1.2故障树分析法 20

3.2离心泵故障树模型 21

3.3故障树分析 22

3.3.1 故障树定性分析 22

3.3.2 故障树定量分析 23

3.4 离心泵故障树分析 24

3.4.1 事故清单 24

3.4.2 定性分析 26

3.4.3 定量分析 27

3.4.4 故障排除措施 28

3.5本章小结 30

第4章 离心泵故障诊断方案设计 31

4.1程序设计基础 31

4.1.1设计原则 31

4.1.2开发工具 33

4.2数据库设计 34

4.2.1 数据库表单设计 34

4.2.2关系数据库 37

4.2.3数据流程图 38

4.3 程序功能分析 46

4.3.1 状态参数界面 46

4.3.2 报警参数界面 47

4.3.3 故障查除界面 48

4.3.4 报警监测界面 49

4.4故障诊断程序实现 50

4.4.1 主程序设计 50

4.4.2 动态链接库程序设计 52

4.5.3离心泵故障诊断过程实例 52

4.5本章小结 53

第5章 总结和展望 54

5.1 总结 54

5.2 展望 54

致 谢 56

参考文献 57

附 录 59

附录A 59

附录A1 离心泵故障诊断主程序CenFaultDiagnosisSys.h 59

附录A2 离心泵故障诊断主程序CenFaultDiagnosisSysDlg.cpp 61

附录B 63

附录B1 离心泵状态参数子程序CenStateParaParaDlg.h 63

附录B2 离心泵状态参数子程序CenStateParaDlg.cpp 65

附录B3 离心泵报警参数子程序CenAlramParaDlg.h 67

附录B4 离心泵报警参数子程序CenAlramParaDlg.cpp 69

附录B5 离心泵故障查除子程序CenFaultDeteDlg.h 71

附录B6 离心泵报警参数子程序CenFaultDeteDlg.cpp 73

附录B7 离心泵报警监测子程序CenAlramMoniDlg.h 75

附录B8 离心泵报警监测子程序CenAlramMoniDlg.cpp 77

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

货油泵有着驳运，装卸，加热，压载燃油的作用。往复泵，离心泵都可以作为货油泵^[1]。往复式活塞泵结构简单，自吸能力强，但作为货油泵，其流量小的特点难以满足日益发展的油船运输需求。而离心泵供液均匀，结构简单，且便于调节，转速高，效率高，可达80-90%，不仅可以输送油，还能排送水、泥浆等液体，尤其是在流量大的场合得到了很多应用，恰恰可以满足货油泵的要求^[2]。

离心泵在船上应用广泛。采用电动机驱动的离心泵，易于操作维护，但易产生电火花，且难以满足大功率需求。为了安全，在大型油轮上采用蒸汽透平驱动，设有独立泵舱，使用带有双吸叶轮的离心泵，且可以大大缩短装油时间^[3]。

离心泵约占现代油船上使用货油泵中的80%-90%，其在液货运输领域中占有不可或缺的低位。

由于离心泵在现代船舶应用广泛，其可靠性高，寿命长自然是首要的要求。然而，离心泵的可靠性因承受着应力，磨损，气蚀等多种作用而不断下降，甚至发生故障。比如轴承磨损会使原动机过载，功率消耗过大^[7]；密封不良导致吸入真空度过低，泵将不能供液^[8]；叶轮堵塞或损毁会导致排出压力降低，工作效率下降等等^[9]。这些故障不仅会使泵的性能下降，引起环境的污染，还会造成经济损失和安全事故。另外据统计，离心泵60%以上的故障是因为机械密封损坏而导致^[10]。所以研究离心泵可靠性，并针对其故障寻找快捷方便的解决措施，可以更高效地进行液货运输的管理。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

近些年来，国内对离心泵的研究，有了一定的进展，尤其是在离心泵可靠性和船舶防腐技术的管理方面。

我国有关单位设计制造的十多种油轮，装载量大约在4200到118000吨之间，进行原油、柴油、燃料油、汽油等的运输。每艘油船都配备有2-4个货油泵，由汽轮机，高压6600V双速马达，高压3300V单速马达，或通用马达驱动。大多数货油泵由汽轮机驱动^[2]。

对于可靠性，陈新响对离心泵的机械密封失效和轴承失效进行了分析，他发现最主要的原因是磨损，这些磨损来自输送介质中的微粒，对此，他提出了可靠性方案的实验方法，为下一步进行船用离心泵的可靠性试验奠定了基础^[8]。凌素琴提出了船用立式离心泵机械密封改进设计，改进的离心泵中防止干摩擦的自动保护装置。在密封腔缺水的情况下，制止了泵的启动，对机械密封保护效果显著，并提高了可靠性^[10]。赵清民也对泵的机械密封进行了改进，由单面密封改进为双面密封，基本消除了危险液体的泄漏，安全生产得到了保证^[11]。孙增友提出保证转子的刚度是运行可靠的关键，通过比较汽蚀余量曲线，得出选用吸入口径较小的叶轮可以保证最佳汽蚀余量结论^[12]。作为离心泵重要结构的电动机，税书锦提出了提高可靠性与故障检测的研究方案^[13]。在汽蚀性能上，李忠全利用数学判别法，用定量方法处理系统各组成部分的关系，分析汽蚀性能，使得整个系统达到最优状态^[14]。

离心泵的故障多为机械密封性失效导致，超过了总故障的60%，张怀生对此进行了相关研究并提出了若干解决方案^[15]。电机作为离心泵的主要设备，当其过载，电流过大，机械磨损及其他原因时常会发生故障。税书锦等人在研究大量数据的基础上，提出了电机故障的检测方法，提高电机故障检测精度^[16]。

材料的选择对离心泵的抗汽蚀能力也有关键的作用，选用耐腐蚀材料和金属涂层可以削弱电化学腐蚀^[20]。牺牲阳极和外加电流阴极保护也可以作为电化学防腐的方法，海洋生物中的硫细菌、铁细菌、锰细菌对材料腐蚀也有一定的影响^[21]。

最近几年，我国在船舶防腐蚀技术方面的研究进展很快，在世界市场中也牢牢地占有了一席之地。海洋中气候环境多变，在应对复杂的环境，材料的防腐蚀性就显得尤为重要。像使用新型复合涂层，海洋生物材料可以代替传统材料，船用钒电池，利用电涂层防止电化学腐蚀等，这些技术也得到了迅速的发展^[22]。

尽管我国在研究离心泵的可靠性方面取得了很大的进步，但实际上在一些方面还有欠缺。在大型油轮货油泵的设计和制造方面，我们不得不依赖于进口。

1.2.2国外研究现状

国际上有很多制造货油泵的商家，比如德国Dresser公司生产的货油泵，在管路间使用挠性连接，使液压马达的噪声大大降低；在平衡轴向力方面，使用双扣环结构，再加上使用双重机械密封，保证了液货和液压油的密封，提高了货油泵的可靠性^[25]。在辅助设备中，日本Shinko公司开发的自动卸油系统，在扫舱中只需要使用货油泵，而且不需要扫舱泵，即可清扫舱内的油，很大程度上提高了效率^[2]。另外，日本的三菱，德国的KSB，丹麦的Svanehoej在世界市场上也占有一席之地。

国外学者对于离心泵可靠性优化的研究也取得了一定成就。Tan Minggao利用标准k-e湍流模型和SIMPLEC算法进行流量计算，分析不同流量点内部流场分析，阐明离心泵特性曲线^[26]。在设计方面，在叶轮后盖开设平衡孔可以平衡侧推力，但会导致效率下降。若一味地提高效率，忽视了轴承的强度，则会导致轴承寿命缩短^[27]。此外，Edward学者总结出加强零件标准化，减小装配误差，加大轴径轴长比，密封腔设计得尽可能大，改善润滑环境亦可增加离心泵轴承的寿命^[28]。Dufour等学者研究了离心泵在运行中的流量情况，即使离心泵的流量范围较广，但在低流量时会产生环流旋涡，会导致叶轮的径向力不平衡，长期运行会增加轴承的负荷，泵壳和涡轮同样会发生损坏，泵轴的受力不均甚至会发生断裂的情况^[29]。在安装方面，轴的校中情况一直是关键的步骤。安装过程中的问题会影响泵的正常运行。校中不良会引起振动和噪声，不仅会使轴偏离正常位置，还会消耗额外的功率，导致机械密封被破坏，使离心泵的寿命缩短。Piotrowski John学者统计了轴的偏离程度与寿命的关系。当轴的偏离程度为每英寸小于0.2密尔（密尔，长度单位。1密尔=25.4微米）时，其寿命可达100个月。当每英寸为0.3密尔时，寿命减少到10个月，当每英寸50密尔时则只有2个月^[30]。Jafarzadeh通过分析叶轮的振动特性，得出了在叶轮进口根部的应力最大，在叶尖处位移最大^[31]。Liu demin对离心泵的噪声进行了模拟和仿真^[32]。高家诚等人对离心泵常用的材料镁，铝及其合金的腐蚀情况进行了研究^[33]，Benra也对离心泵的流场进行了分析，阐述了内部变形固体对离心泵流场的影响^[37]。