经济寿命评估

经济寿命评估（精选八篇）

经济寿命评估 篇1

电力设备寿命管理对保障企业安全生产及效益提高意义重大。变压器作为电网公司的核心设备之一, 其安装调试、运行状态、健康状况均与企业的安全生产及效益密切相关。因此, 有必要对变压器的寿命评估及管理方法进行研究。设备的寿命定义分为物理寿命, 技术寿命及使用寿命。其中物理寿命是指设备从全新投入到无法继续使用的整个时间过程;使用寿命是指设备所能提供的有效服务总时间;技术寿命是指设备在规定的运行工况下能够安全运行的时间。

传统的寿命评估及管理方法的核心都是以现役设备中各元件的健康水平状况为基础, 对其未来运行状态做出一个相对的可靠性评估。在现在企业经营日益注重效益的前提下, 这类传统方法不够全面。

以下以配电变压器为研究对象, 结合设备全寿命周期成本管理的理念, 对配电变压器的最佳经济寿命评估方法进行研究。在此基础上, 开发出相应的数据库及评估软件工具。

2 经济寿命评估方法

配电变压器的经济寿命是从费用的角度出发来确定的经济使用周期。实质上就是在在役配电变压器物理寿命和最大技术寿命内, 在满足经济效益最大化或经济效益超过某一设定目标的条件下, 求其还应再服役多少年而无需更换新型配电变压器或再服役多少年就必须更换新型配电变压器的问题[1]。配电变压器的一般运行寿命都比较长, 考虑其费用问题都应该将资金的时间价值考虑在内。因此, 文中将基于全寿命周期成本的一般概念来进行建模及经济寿命评估。

2.1 全寿命周期成本的概念

全寿命周期成本包括了设备整个生命周期中包括购置、持有和报废阶段产生的成本, 通过建立设备的全寿命周期成本模型, 可以确定出对全寿命周期成本有重要影响或是微不足道的因素, 辨别出对某些特定用途有益的因素, 从而为基于设备成本的投资决策提供理论和现实依据。

2.2 配电变压器全寿命周期成本构成

从电力企业的角度出发, 变压器的全寿命周期可分为三大个主要阶段:购置安装阶段、运行阶段和报废阶段。其中购置安装阶段只需要考虑设备的购置、安装、调试等形成的费用, 运行阶段需要考虑配电变压器的日常运行、故障后检修、定期检修、损耗等活动形成的费用。报废阶段则要考虑进行清理、处置、退役、再利用等活动所形成的费用。

2.3 模型函数及成本解析

2.3.1 初始投入成本CA

初始投入成本CA表示配电变压器转资的账面价值, 此处也可根据南方电网配电变压器能效标准及技术经济评价导则 (Q/CSG 11624—201X) 中的规定直接选取配电变压器投运当年的采购价值。

2.3.2 运行人工及维护成本CP

运行人工及维护成本CP表示维持系统的正常运行需要耗费的资源, 例如监管的人工或是消耗的材料, 这些构成了产品或设备的运行成本。

式中, CPA (t) 表示第t年设备的人工及维护成本, tD为退役时间, δ为折现率。

配电变压器的运行人工及维护成本包括运行人工成本、其他运行维护成本、在计及保险费用的情况下还包括配电变压器在运支付的保险费以及配电变压器投运向银行贷款所需支付的贷款利息。

随着经济发展及CPI上涨, 人工费用每年都在不断上涨, 假设人工成本上涨的变化率基本不变, 可以得到运行维护成本如下:

CPA (t) =CPAH (1+α1) t-1+CPAM (1+α2) t-1 (2)

其中CPAH为第一年的运行人工费用, α1为运行人工成本变化率。CPAM为配电变压器第一年的其它运行维护成本, α2其它运行维护成本变化率。

2.3.3 故障及检修成本CM

故障及检修成本CM是指变压器失效后产生的成本及用于恢复运行所需要耗费的资源, 而变压器的失效情况又主要由其可靠性来决定。

目前在大多数研究中采用的可靠性模型的故障分布形式为指数分布或威布尔分布。一般假设设备故障率随时间变化的曲线为经典的所谓浴盆曲线 (图1) , 浴盆失效率曲线表示出3个特性阶段, 即新设备投产的磨合期, 此时故障发生较为频繁。随着时间推移, 故障发生可能性逐渐减小, 直到进入一个稳态, 称为偶然失效期。当设备寿命接近终结时, 设备各个部件老化, 故障率不断上升, 称为耗损故障期。

基于威布尔分布的设备故障率可以表示为:

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其中m为形状参数, η为尺度参数。

各阶段的参数m和η, 可用概率纸方法或Marquardt法等来求取[2]。

实际情况和上述理论假设有所区别, 文[3]收集了美国1970～1990年期间数万台4.8 kV, 10～100kVA的配电变压器基本数据进行统计分析, 建立了配电变压器的失效数学模型。分析结果表明配电变压器的寿命分布函数绝大多数符合威布尔分布, 配电变压器的失效率是一个指数函数, 它随运行时间而上升, 在该类设备的失效率曲线中找不到明显的偶然失效期, 其失效率函数图如图2。

利用概率纸可以推求不同安装年的配电变压器故障率函数, 如1970年代安装的配电变压器失效率函数为:

r (t) =0.017t1.48 (%/台·年) (4)

1980年代安装的配电变压器失效率函数为:

r (t) =0.10t0.93 (%/台·年) (5)

可以借鉴上述研究结论, 利用统计数据估计配电变压器失效率函数。由此可以得到运行期间每年的故障及检修成本:

式中, CMAD (t) 为当年变压器失效后产生的损失及修复成本费用, CMAL (t) 为当年定期检查费用。

模型中故障失效导致的损失需要根据具体情况来进行估计, 失效后修复成本构成则包括失效后修复人工成本、材料成本、装置性材料成本、机械成本以及其他成本。则可设定模型中第t年一次失效后修复的平均成本为:

CMAD (t) =CLoss (t) +CMAR (t) +CMAC (t) +CMAZ (t) +CMAJ (t) +CMAQ (t) (7)

式中, CLoss (t) 为故障导致的损失, CMAR (t) 为失效后修复人工成本;CMAC (t) 为失效后修复平均材料成本;CMAZ (t) 为失效后修复平均装置费用;CMAJ (t) 为失效后修复平均机械成本;CMAQ (t) 为失效后修复其它费用。

考虑到物价上涨, 人工费用上涨等因素, 可以以指数函数方式考虑这几项成本的增长 (见式2) 。

2.3.4 预防性检修成本CJ

预防性检修成本是指为了预防系统失效而在系统正常运行时检修系统而耗费的成本。

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其中, CJ (iΔtJ) 为第i次预防性检修所花费的成本。

和故障检修成本求取的情况相类似, 预防性检修成本也可细分为人工成本, 机械成本, 材料成本及其他成本。同样, 当考虑通膨因素时, 可以以指数函数方式考虑这几项成本的增长。

2.3.5 运行损耗成本CL

运行损耗成本是配电变压器使用过程中所占比例最大的成本项目之一, 长期以来在配电变压器的运行管理中都得到了重视。 2012年10月南方电网公司提出了企业标准:《配电变压器能效标准及技术经济评价导则》 (Q/CSG 11624—201X) 。新的技术经济评价导则给出了配电变压器综合能效费用计算方法, 根据导则规定可以得到当年能效费表示方法:

CL=A (P0+I0%Se) +B (Pk+Uk%Se) (9)

式中, CL:配电变压器能效费用, 元;A:配电变压器单位空载损耗的等效费用系数, 元/kW;B:配电变压器单位负载损耗的等效费用系数, 元/kW;P0:变压器额定空载损耗, kW;Pk:配电变压器额定负载损耗, kW;I0:配电变压器空载电流百分数;Uk:配电变压器短路阻抗百分数;Se:配电变压器额定容量, kVA。系数A、B的计算参见导则。

2.3.6 用户故障停电损失CU

式中, QU (t) 表示第t年因配电变压器失效引起客户端停电的停电电量;PS (t) 为第t年售电价;PB (t) 为第t年购电价;

2.3.7 退役处置成本CD

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式中:CR为退役时的清理成本;CNS为退役回收残值。

根据上述成本解析列出的各项成本函数表达式可以得到配电变压器全寿命周期成本估算表达式:

LCC=CA+CP+CM+CJ+CL+CU+CD (12)

2.4 最优经济寿命评估

考虑到配电变压器全寿命周期成本组成的多样性, 当配电变压器投入运行后, 在使用过程中前期投入成本随着使用年限的增加而不断摊薄, 而另外一些成本如故障导致的停电成本、故障修复成本等则会呈现增长的趋势。这两个趋势相互作用的结果是必然存在一个临界年限, 在此年限之前, 从成本角度考虑, 配电变压器的运行将会不断带来正增益, 而过了这个临界点, 则会带来负增益, 这个年限就定义为配电变压器最佳经济寿命年限。前述结果中得到的资金金额均为资金使用年折算到设备安装年的金额, 要从配电变压器全寿命周期成本得到配电变压器每一年的使用成本需要将成本总额摊到每一年中去, 这个计算需要考虑到资金的价值, 因而这里使用成本年金概念来求取年均成本:

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式中:

Cn:第n年的成本年金;LCCn: 配电变压器运行n年的全寿命周期成本;kpv:年金系数。

3 结束语

以上基于VS2010及SQL SERVER 2008设计了变压器全寿命周期成本管理数据库及经济寿命评估系统。应用面向对象VC++.NET 2010进行客户端开发, 软件界面清晰简洁。整个评估系统的物理构架采用三层控制, 即数据库层、逻辑操作层、客户端层。数据库层用于存储数据, 其功能独立于数据处理工作。逻辑层的主要作用是数据处理;客户端则是管理用户的输入输出工作。寿命评估的成本选项包括:是否计入运行维护成本、是否计入停电损失、是否计入责任损失成本、是否计入仓储成本、是否计入保险费用。选中细分的故障成本选项需要输入故障后修复成本的细节, 否则故障修复成本将自动按照经验公式来进行估算。进行配电变压器经济寿命评估需要输入两个参数, 即选择的配电变压器ID和折现率。当完成所有的选择及参数输入后按开始按钮, 程序便将与配电变压器ID相对应的成本信息显示出来以便进行评估计算前的检查, 按确定后即开始进行评估, 评估结果将以表格形式显示出来, 显示内容包括设备运行年限、贴现后成本、成本年金、及成本年金变化率4项, 观察成本年金变化率即可判断最佳配电变压器的最佳经济寿命。

参考文献

[1]于继来, 王成福, 张博等.在役电力变压器经济寿命评估[J].电力系统及其自动化学报, 22 (3) :86-90.

[2]郝洵.基于全寿命周期成本的变压器技改经济评估[D].华中科技大学, 2011.1.

[3]金显贺, 王昌长, 高玉明等.配电变压器的可靠性计算和分析[J].变压器, 1995, 7, 2-5.

[4]张黎, 张波.电气设备故障率参数的一种最优估计算法[J].继电器, 33 (17) :31-34.

经济寿命评估 篇2

性能贮存可靠性评估及贮存寿命预测方法

在介绍贮存可靠性与条件贮存可靠性的基础上,针对一次性产品的性能贮存可靠性试验的`特点,提出了性能贮存可靠性评估及贮存寿命预测的基本思路和方法.通过算例说明了本文提出的评估和预测思路的可行性与合理性,同时也分析了这种贮存可靠性评估和寿命预测方法对于一次性产品的适用范围.

作 者：刘军 华劲松 刘光祚 作者单位：中国工程物理研究院流体物理研究所919-105信箱,绵阳,621900刊 名：工程数学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING MATHEMATICS年，卷(期)：21(5)分类号：O213.2关键词：贮存可靠性 条件贮存可靠性 贮存寿命分布 评估与预测

经济寿命评估 篇3

技术改造是全寿命周期管理过程中的关键环节, 技改时机和措施选择合理将使资产的效益费用比达到最大化目标[5]。在20世纪60年代末, 国外已开展技改经济评价, 尤其是结合了资产设备管理的理论和实践研究早就有了成果。我国对技改经济评价的研究始于70年代, 并将其归于运筹学的范畴。然而, 在目前对电网技改的研究中, 大多是对技改必要性的分析[6], 或是从纯技术角度讨论电网技改项目[7], 且多是对具体设备维修方法的描述[8]。对于如何结合全寿命周期成本管理, 从设备整个周期内的成本、收益和可靠性等综合角度来进行技改决策的研究却很匮乏。因此, 结合资产全寿命周期管理对技改项目进行经济评估具有非常重要的实际意义。

本文在结合国网已有的研究与实践经验的基础上, 引入全寿命周期成本的概念和技术改造的财务评估方法, 统筹考虑设备整个寿命周期的成本投入, 并对技术改造做出客观有效的经济评估, 为基于全寿命周期成本的技改经济评估方法提供理论依据, 同时为电力公司今后技改工作经济结构优化提供决策支持。

1 全寿命周期成本分析

根据电力设备特点, 将电力设备的全寿命周期成本划分为初次投入成本、检修成本、备件仓储成本、运行人工及维护成本、运行损耗成本、定期维护成本、故障停电成本、责任成本和退役处置成本九大类。

1.1 成本函数

全寿命周期成本模型相当于一个“字典”结构, 该“字典”包含所有成本元素, 以及用来对成本进行估算的数学表达式。本文假设电力设备全寿命周期成本计算考虑时间价值, 并以投运年为基准年。下面列出上述九大类成本函数。

1.1.1 初次投入成本CA

初次投入成本CA指电力设备投产前的所有成本支出的总和, 包括采购建设费、安装调试费等, 此处直接采用初始投入成本替代电力设备获得阶段所有成本。初始投入成本CA=CAReal, 其中, CAReal表示设备转资的账面价值 (元) 。

1.1.2 检修成本CM

检修成本CM指因设备失效引起的检修成本。根据设备失效程度, 可以分为临检成本和大修成本, 临检成本包括临检的人工成本、机械成本和材料成本, 而大修成本包括大修人工成本、机械成本、材料成本及其他装置性材料成本。此外, 本文假定检修能使电力设备达到失效前的状态, 即电力设备失效无后效性, 并且缺陷当年发生, 当年检修, 临检不涉及更换部件, 大修涉及更换部件。检修成本计算如下:

其中, tD表示退役时间, CMAO (t) 表示设备在第t年时一次大修的平均成本 (元) , CMAMR (t) 表示设备在第t年时一次临检的平均成本 (元) , r (t) 表示设备在第t年时失效次数, ρ (t) 表示第t年时设备失效进行大修的概率, 1-ρ (t) 表示设备失效后进行临检的概率。

(1) 确定CMAO (t) 的大小

大修成本包括大修人工成本、机械成本、材料成本及装置性材料成本等。考虑到物价、人力资源等成本变化因素, 假设大修成本在投运年的大修成本的基础上以指数形式增加, 即CMAO (t) =CMAO (1) × (1+aMAO) t-1, 其中, CMAO (1) 为投运第1年大修成本 (元) , aMAO为一次大修的平均大修成本年变化率。

(2) 确定CMAMR (t) 的大小

临检成本包括临检人工成本、机械成本、材料成本等。同大修类似, 假设临检成本均在投运年的临检成本基础上以指数形式变化, 即CMAMR (t) =CMAMR (1) × (1+aMAMR) t-1。其中, CMAMR (1) 为投运第1年临检成本 (元) , aMAMR为一次临检的平均成本年变化率。

(3) 确定r (t) 的形式

目前普遍认同的失效函数呈浴盆状, 即设备新投产后需要一个磨合期, 此时失效发生较为频繁。随后进入随机失效期, 此时失效可能性较小且较稳定。设备寿命后期进入高失效期, 此时设备各个部件出现疲劳、磨损、腐蚀、老化等, 故障率不断上升。此处假设r (t) 为具有以下形式的浴盆曲线:

即浴盆曲线可以由λ1、λ2、λ、m1、m2五个特征参数确定, 其中λ1、λ2、λ是与特征寿命有关的参数, m1、m2为形状参数。并且λ1>0, λ2>0, 0≤m1≤1, m2≥1, λ1m1t0m1-1>λ, λ2m2tDm2-1>λ。由于函数连续, 可知两个临界点为:

随机失效期大修比例和失效参数则需要根据往年样本数据进行估计。

(4) 确定ρ (t) 的形式

假设设备大修采用周期性的计划检修, 各年都存在大修的概率。设备投入运行多年后, 性能有所下降, 发生严重缺陷的可能性增大, 因此可能需要提高设备的大修比例来维持设备的正常运行, 因此设定ρ (t) 的形式为:

其中, μ表示大修比例的增加率, tMAO表示设备的大修周期 (年) 。

1.1.3 备件仓储成本CSP

备件仓储成本CSP指长期储备备品备件的仓储成本, 包括仓库的日常维护费、库管人员的薪酬等。备件仓储成本计算如下:

其中, Cware (t) 表示第t年的备件仓储成本。假设备件仓储成本随年变化, Cware (t) =Cware (1) × (1+ψ) t-1, ψ为变化率, 0≤ψ≤1, Cware (t) 表示投运第1年备件仓储成本 (元) 。

1.1.4 运行人工及维护成本CP

运行人工及维护成本CP指运行人工成本和其他维护费, 包括运行人员的实发薪酬以及电力设备零星维护支出等。运行人工及维护成本如下:

其中, CPA (t) 表示第t年设备的运行人工及维护成本 (元) , δ表示折现率。一般情况下, 运行人工及维护各项成本会随时间增加, 因此假设:

其中, CPAH表示投运第1年设备的运行人工成本 (元) , α1表示人工成本变化率, 0≤α1≤1。CPAM表示投运当年设备的其他运行维护成本 (元) , α2表示其他运行维护成本变化率, 0≤α1≤1。

1.1.5 运行损耗成本CN

运行损耗成本CN指电力设备运行中电量损耗引起的成本。

(1) 对于功率固定的电力设备, 如断路器, 运行损耗成本计算如下:

其中, P表示设备铭牌上的额定功率 (KWH) , H (t) 是设备在t年的可用小时数, PA (t) 表示第t年的平均购电价。

电力设备的可用小时数H (t) =8760-h (t) , 其中, h (t) 表示第t年的不可用小时数, 且与设备失效有关, 假设h (t) =h (1) r (t) /r (1) 。

(2) 对于功率不固定的电力设备, 以变压器为例, 运行损耗成本计算如下:

其中, Q表示变压器的额定容量 (MVA) , lN (t) 表示第t年的预计平均负载率, fN (t) 表示第t年的预计损耗系数。

变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗。负载损耗是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗, 大小与负载电流的平方成正比。随着变压器的老化, 损耗系数会有所增加, 因此假设变压器的损耗系数满足下式:

其中, fN表示变压器铭牌上的满载负载损耗系数, ΔtNl表示损耗系数的波动周期, f0表示变压器铭牌上空载损耗系数, η表示损耗系数的波动系数, 0≤η≤1。

假设购电价是稳步增长的, 则

其中, pA为投运第1年的平均购电价 (元) , ΔtPA表示增长周期 (年) , σA表示增长值 (元) 。

1.1.6 定期维护成本CS

定期维护成本CS指定期预防性试验或定期检修引起的成本支出, 包括试验的人工成本、机械成本和材料成本。定期维护成本计算如下:

其中, CSA (iΔts) 表示第i个预防性试验周期年份的成本 (元) , ΔtS表示设备一次预防性试验的间隔周期 (年) 。

同大修类似, 假设定期维护成本在投运年的定期维护成本基础上以指数形式变化, 即CSA (iΔts) =CS× (1+aS) iΔt S-Δt S。其中, CS为第一次预防性试验的平均成本 (元) , aS为一次预防性试验的平均成本年变化率。

1.1.7 故障停电损失CU

故障停电损失指引设备失效引起用户侧停电而造成的电量损失成本。故障停电损失计算如下:

其中, p S (t) 表示第t年的平均售电价 (元) , Qu (t) 表示第t年因设备失效引起客户端停电的停电电量。

每年的故障停电量与设备当年的不可用小时数、年变电量有关, 即Qu (t) =QlN (t) h (t) 。

同样假设售电价是稳步增长的, 并且售电价与购电价以同样的增长周期进行波动, 则

其中, pS为投运第1年的平均售电价 (元) , σS表示增长值 (元) 。

1.1.8 责任成本CL

责任成本CL指因设备失效造成用户损失所引起的赔偿成本或重大事故产生的人员伤亡成本等偶发成本。责任成本计算如下:

其中, CL1表示预计第1年的责任成本 (元) , ξ表示责任成本的年增长率。

1.1.9 退役处置成本CD

退役处置成本CD指设备退役处置扣除残值的回收收入后的成本费用。退役处置成本计算如下:

其中, CR表示设备在退役时候的清理成本 (元) , CNS表示回收的残值 (元) 。

1.2 全寿命周期成本模型

综合上述分析, 电力设备 (变压器) 的全寿命周期成本 (LCC) 为:

2 技改经济评估方法

当电力设备技术落后或整体老化不能满足现有的运行要求时, 需要对其进行技改经济评估, 然而在运电力设备A的剩余运行年限和新更换电力设备B的寿命往往不相同, 总体成本并不具备可比性, 因此采用成本年金法来比选技改方案。

2.1 成本年金估算方法

在考虑货币的时间价值的情况下, 设备的成本年金就是使用时间内现金流出总额和预付年金系数的比值, 即每年的现金流出。已运行t年的设备全寿命周期成本年金为:

运行t年的全寿命周期成本年金

2.2 技改经济评估

不技改方案。设在运电力设备已运行年t1-1, 预计寿命为tD, 且t1≤tD, 则电力设备A在t1≤t≤tD年间的成本为 (折算到投运当年) :

技改方案。设t1在第年初对电力设备A进行技改。技改后, 除了年平均购电价p A (t) 、年平均售电价p S (t) 、预防性试验周期ΔtS和折现率δ外, 电力设备B各参数均不同于A, 如失效次数曲线函数由r (t) 变为rB (t) 。假设电力设备B的预计寿命为tD, 则电力设备B的全寿命周期成本为 (折算到电力设备A投运当年) :

当时ALCC′<ALCC, 进行技改经济效益更佳;当ALCC′>ALCC时, 不进行技改经济效益更佳;当ALCC′=ALCC时, 技改和改两不技个方案的经济效果大致相等。

3 变压器技改经济评估

变压器在电力公司固定资产中占有相当大的比重, 由于技术落后、设备老化等原因, 大量变压器面临技术改造。因此, 结合全寿命周期成本来探讨变压器的技改决策, 有利于合理地对变压器的技改方案做出经济评估和决策, 从而提高电力企业经济效益。

3.1 变压器全寿命周期成本计算

SFPSZ10-180000/220型号的变压器规格参数如下:

变压器预计寿命tD=40年, 容量Q=180 000千伏安, 年负载率lN (t) =66.67%, 满载负载损耗系数fN=0.586 5%, 空载损耗系数f0=0.066 4%, 失效率参数λ1=8.55、λ2=0.000 002、λ=3、m1=0.69、m2=4.8。

其余各项成本参数按往年数据进行估计, 如下:

(1) 初次投入成本

变压器转资价值CAReal=7 500 000元。

(2) 检修成本

投运第1年大修平均成本CMAO (1) =280 000元, 大修年平均成本年变化率aMAO取0值, 变压器大修周期tMAO=10年, 大修比例增加率μ取0值, 投运第1年一次临检平均成本CMAMR (1) =10 000, 临检年平均成本年变化率aMAMR取10%。

(3) 备件仓储成本

投运第1年备件仓储成本Cware=5000元, 仓储成本年增长率ψ取5%。

(4) 运行人工及维护成本

折现率δ取7%, 投运第1年运行人工成本CPAH (1) =15 400元, 运行人工成本年增长率α1取8%, 站点其他维护费用CPAMW、站点其他运行维护成本增长率α2取0值。

(5) 运行损耗成本

损耗系数波动周期假定为ΔtNL=40年, 损耗系数的波动系数η取0值。投运第1年平均购电价pA=0.322 3元, 售电价pS=0.402 3元, 购电价增长值σA=0.011 72元, 售电价增长值σS=0.011 72元, 平均购售电价增长周期ΔtPA=1年。

(6) 定期维护成本

预防性试验周期ΔtS=4年, 第一次预防性试验平均成本CS=25 000元, 预防性试验年平均成本年变化率aS取8%。

(7) 故障停电成本

变压器投运第1年不可用小时数h (1) =3.87小时。

(8) 责任成本

投运第1年责任成本CL1=12 000元, 责任成本的年增长率ξ取0值。

(9) 退役处置成本

变压器退役清理成本CR=15 000元, 回收净残值CNS=1 500 000元。

综上可计算得到SFPSZ10-180000/220型号的变压器全寿命周期成本为:

各类成本的数额及所占总成本的百分比情况如表1所示。

其中, 退役处置成本现值为负, 这说明回收残值高于退役处置清理成本。

由表1可看出, 在该型号变压器整个寿命周期内, 检修成本和运行损耗成本所占比重比购置成本更大。由此可以说明, 在技改经济评估中, 必须考虑到后继检修和运行损耗等其他成本的影响, 从而做出合理决策。

3.2 变压器技改经济评估

假定在第十一年初对技改进行评估和决策。

不技改方案:据电力公司预计, 变压器的寿命tD=40, 且t1≤tD。变压器A在t1≤t≤tD年间的成本支出及成本年金如下所示 (折算到投运当年) ,

则成本年金为ALCC=1 130 350。

技改方案:设第t1=11年初对变压器A进行整体更新技改, 处置变压器A可回收残值2 000 000元, 变压器B初始投入成本为CAReal B=8 000 000元, 满载损耗系数为fNB=0.7fN=0.4106%, 空载损耗系数为f0B=0.9f0=0.059 76%, 缺陷参数变化为, λB=3、λ1B=9、m1B=0.55、λ2B=0.000 002、m2B=4.5, 其他参数不变。预计寿命采用电力公司规定年限为tD=40年。则变压器B投运后的寿命周期成本及成本年金如表2所示 (折现到变压器A投运当年) 。

从表2中可看出, 在技改后初期, 即11≤t≤17, 不技改方案成本年金更小, 更加经济可行, 这是由于技改初始投入太大。但从长期来看, 即t≥18, 技改方案的成本年金快速下降到较小值, 虽然在第29年开始逐渐增长, 但增长率非常小, 整体还是保持比不技改方案的成本年金小的状态。因此, 从长远来考虑还是应该进行变压器技改。

4 结语

本文通过引入全寿命周期成本概念, 在分析全寿命周期各项成本的基础上建立了主要电力设备的全寿命周期成本模型, 并讨论了电力设备技改的经济评估问题。在此基础上, 本文针对一类变压器的实际技改工作进行了案例分析。研究发现, 电力设备的整个寿命周期内, 检修成本和运行损耗成本所占比重比购置成本更大, 需要借助全寿命周期成本模型为技改决策提供经济依据。此外, 设备技改前后服役时间往往会发生变化, 通过采用成本年金法比选技改方案可以充分考虑设备的服役时间变化, 这同时凸显了全寿命周期成本在技改经济评估中的重要作用。

参考文献

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[2]陈进杰, 陈峰, 梁青槐, 高桂凤.城市轨道交通全寿命周期成本分析[J].交通运输工程学报, 2010, 01:82-87.

[3]张勇, 魏玢.电网企业开展资产全寿命周期管理的思考[J].电力技术经济, 2008, 04:62-65+69.

[4]赖佳栋, 杨秀苔, 熊小伏, 张媛.基于全寿命周期分析的电力设备费用模型[J].技术经济, 2008, 11:29-32.

[5]帅军庆.电力企业资产全寿命周期管理理论、方法和应用[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[6]胡婧.电网技改的基层方略[J].国家电网, 2007, 03:26-27.

[7]张智伟.浅谈高原电网应用12kVC-GIS的选型及技改[J].电工材料, 2007, 04:43-46.

混凝土结构使用寿命评估准则 篇4

混凝土结构在自然环境和使用条件下, 随着时间的推移, 材料逐渐老化和结构性能劣化、出现损伤甚至损坏, 是一个不可逆的过程。它不是直接由力学因素引起的。首先是混凝土材料的物理化学作用的结果, 继而影响到建筑物的使用功能和结构的承载力, 最终影响整个结构的安全。结构耐久性可定义为结构在化学的、生物的或其它不利因素的作用下, 在预定的时间内, 其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。

环境引起的混凝土结构破坏造成的损失巨大, 美国57.5万座钢筋混凝土桥中有一半以上出现腐蚀破坏, 40%承载力不足需要修复加固处理。美国标准局1998年调查, 美国全年各种腐蚀损失约为2 500亿美元, 其中混凝土桥梁修复费用为1 550亿美元。美国公路研究计划批露, 到20世纪末, 为更换或修复除冰盐引起的破损公路混凝土桥面板, 估计耗资4 000亿美元, 其大部分是由钢筋锈蚀引起的。据瑞士联邦公路局统计, 瑞士公路系统约有3 000座桥梁, 每年用于桥面检测及维护的费用达8 000万瑞士法郎, 修理或更换费用就更高。我国有漫长的海岸线、广阔的盐碱地带以及北方仍大量使用除冰盐的地区, 都存在盐害问题, 我国尚缺乏完整的统计数据。据估计我国1999年底一年内由腐蚀造成的损失约在1 800~3 600亿元, 其中钢筋腐蚀占40%。我国环境污染相当严重, 工业生产过程排放的SO2, 1988年统计数据为2090万吨, 酸雨覆盖国土面积达到30%[1]。

我国混凝土结构耐久性问题不容忽视。过去为解决居住需要和促进工业生产, 建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。结构设计仅能满足安全可靠的要求, 而对耐久性要求考虑不足, 且由于忽视维修保养, 现有建筑物老化现象相当严重。截至20世纪末, 有近23.4×104m3建筑物进入老龄期, 处于提前退役的局面。我国每年消耗在混凝土结构上的费用为2 000亿元以上。人们开始忽略了混凝土结构的耐久性问题, 对混凝土结构耐久性的研究相对滞后, 为此付出了巨大的代价。我国是一个发展中国家, 正在从事着大规模的基础建设, 而我国的财力有限, 能源短缺, 人均资源并不丰富, 因此既要科学的设计出安全、适用、耐久的工程项目, 还要充分合理的延续利用现有房屋资源和其使用寿命, 是我们所面临的重大问题。对混凝土结构使用寿命的研究极为重要。

2 结构寿命的定义

建筑结构的使用寿命可以分为自然寿命和无形寿命。建筑结构的自然寿命也称为结构的使用寿命或耐久年限, 是指建筑结构在正常使用和正常维护条件下, 仍然具有其预定使用功能的时间。对于已经使用一个时期的旧建筑物, 将在正常使用和正常维护条件下, 仍然具有其预定使用功能的时间称为结构的剩余使用寿命或剩余耐久年限。结构的无形寿命是指建筑结构尚未达到其自然寿命之前, 由于种种原因终止其原有使用功能的时间。英国的Somerville从使用寿命终结的角度出发, 将使用寿命分成三类[2]: (1) 技术性使用寿命:是结构使用到某种技术指标 (如结构整体性、承载力等) 进入不合格状态时的期限, 这种状态可因混凝土剥落、钢筋锈蚀引起; (2) 功能性使用寿命:与使用功能有关, 是结构使用到不再满足功能要求的期限, 如桥梁的行车能力己不能适应新的需要、结构的用途发生改变等; (3) 经济性使用寿命:是结构物使用到继续维修保留已不如拆换更为经济时的期限。

3 混凝土结构寿命评估准则

混凝土结构耐久性是基于材料耐久性研究的进一步深化。混凝土结构在自然环境和使用条件下, 材料逐渐老化从而导致结构性能劣化, 出现损伤甚至损坏, 是一种不可逆的过程。它不是直接的力学因素引起的。混凝土材料耐久性问题是物理化学作用的结果, 继而影响到建筑物的使用功能和结构的承载能力, 最终影响整个结构的安全。在进行结构寿命预测之前, 必须明确结构的预定功能是什么, 如何判断结构的功能失效, 即耐久性极限状态的定义。

3.1 碳化寿命准则

碳化寿命准则是以保护层混凝土碳化, 从而失去对钢筋的保护作用, 使钢筋开始产生锈蚀的时间作为混凝土结构的寿命。到目前为止, 基本上是以混凝土碳化深度达到钢筋表面作为钢筋开始锈蚀的标志。

碳化寿命准则适用于:不允许钢筋锈蚀的钢筋混凝土构件 (如预应力构件等) 。但是对大多数混凝土结构来说, 以钢筋开始锈蚀作为结构使用寿命终止的标志, 显然过于保守, 也是不现实的。

3.2 锈胀开裂寿命准则

锈胀开裂寿命理论是以混凝土表面出现钢筋锈胀裂缝所需时间作为结构的使用寿命。这一准则认为, 混凝土中的钢筋锈蚀使混凝土纵裂以后, 钢筋锈蚀速度明显加快, 将这一界限视为危及结构安全, 需要维修加固的前兆。但是锈胀开裂对于大多数结构的安全性和适用性影响不大。

锈胀开裂寿命准则适用于:有装修、观感要求的结构构件;恶劣环境的混凝土结构。锈胀开裂的标准很难定量。

3.3 裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则

以裂缝宽度与钢筋锈蚀量控制寿命的准则, 即认为锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀量达到某一界限值时寿命终止。对工业厂房或一般民用建筑, 采用锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则似乎仍然偏严[3]。

3.4 承载力寿命准则

承载力寿命理论是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化, 以构件的承载力降低到某一界限值作为耐久性极限状态。或基于承载力的可靠指标降低到不满足要求。

各寿命准则的关系如图1所示。

从图1可以看出, 对混凝土结构耐久性破坏准则的合理选择是进行耐久性评估与寿命预测的重要前提。由于混凝土结构的性能退化过程是一个极其复杂的演化过程, 不仅取决于结构本身, 而且与结构所处环境有非常密切的关系。因此, 并不存在一个规定不变的耐久性评估准则, 对不同类型的结构、不同的使用环境等应区别对待。

以上四种寿命准则基本上属于结构的技术性使用寿命, 主要是从结构的安全性和适用性方面给出了判断结构耐久性终结的标准, 而未能考虑经济因素等在结构耐久性评估中的作用。更为合理的耐久性标准不应单纯从结构的安全性与适用性的角度考虑, 还应综合考虑结构的经济效益与社会效益、结构耐久性破坏及功能丧失所造成的损失以及社会经济发展水平等诸多因素, 采用风险决策方法来设置耐久性极限标准。

4 混凝土结构使用寿命的预测方法

混凝土结构耐久性分析的目的是进行新建结构使用寿命预测、既有混凝土结构的剩余使用寿命评估。

4.1 新建混凝土结构使用寿命预测

4.1.1 基于经验的预测方法

这种方法根据试验室和现场大量试验结果与以往经验的积累, 对使用寿命作半定量的预测, 其中包含了经验知识与推理。但如果设计寿命比较长, 使用环境条件恶劣, 或者遇到一种新的情况而缺少经验, 这种预测方法就不太可靠。

4.1.2 基于比较的预测方法

这种方法假定如果混凝土在某一期限内是耐久的, 则相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。由于材料、形状、施工质量、荷载和环境的变异性, 每一种混凝土结构往往是独一无二的, 不同的小气候条件也会影响混凝土的使用寿命。所以即便有相似的使用条件, 将过去的经验直接用来作比较则不甚合理。

4.1.3 加速试验预测方法

混凝土的耐久性试验多采用加速试验, 加速试验的劣化机理应该与使用条件下的相同。应用加速试验结果的主要困难在于缺乏使用状态下的长期数据, 但至少能用来解决预测使用寿命的数学模型问题。

4.1.4 数学模型预测方法

用数学模型预测使用寿命是目前较多使用的方法, 其预测的可靠程度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性有关。上述的寿命预测方法都属于确定性方法, 即将影响结构使用寿命的各因素均作为确定的量值, 由此得到的使用寿命预测结果也是一个确定值, 只能是均值意义上的使用寿命。

4.1.5 寿命预测的随机方法

影响混凝土结构耐久性的各项因素, 如环境温湿度、有害介质含量、混凝土保护层厚度混凝土的密实性和空隙率等都是随机变量或随机过程;采用承载力寿命准则时结构的荷载与抗力是随机过程。因此, 应用概率方法进行结构的耐久性评估与寿命预测是非常合理的。

使用寿命因其与材料性能、细部构造、暴露状态、劣化机理等许多因素及其相互作用有关而甚难量化。混凝土的劣化往往是多种因素的综合作用结果, 至少是一种侵蚀过程和荷载的共同作用。由于综合作用的影响及机理相当复杂且不明了, 所以, 目前对混凝土使用寿命的预测还只能考虑其中的一个主要因素。现在有各类预测方法, 通常组合起来应用, 其中最有价值的是利用数学模型并应用随机概念的预测方法。

4.2 既有混凝土结构剩余寿命评估

评估已有结构剩余寿命主要有两种方法:基于实际检测的时间外推方法、数学模型方法。建立已有结构寿命预测模型时, 必须借助实际工程实测数据对寿命预测模型进行修正。因此, 首先需要了解混凝土结构的现状、结构劣化速率以及过去和将来的载荷情况。

实测工作主要包括以下内容[4]: (1) 检查结构符合原设计的程度; (2) 检查劣化现象及劣化程度———实际测量混凝土保护层、混凝土裂缝宽度、剥落或分层脱离、氯离子侵入深度、碳化深度测量、钢筋锈蚀状况测量、现场取样等;混凝土吸水性与渗透性, 环境侵蚀性 (水份、氯、硫酸盐) 的评价; (3) 试验室试验———化学分析, 混凝土与钢筋性能; (4) 当前状态下的结构再分析。

5 结语

混凝土结构耐久性评价理论与方法是涉及土木工程与力学两大学科的重大研究课题, 内容丰富而复杂, 该课题不仅具有重大的理论意义, 而且有着广泛的工程应用前景。该理论的发展与完善将为现役结构的科学管理提供依据, 使钢筋混凝土结构在我国现代化经济建设中更充分地发挥作用, 创造更高的经济效益。

摘要：介绍了结构寿命的定义、混凝土结构寿命评估准则和混凝土结构寿命预测的方法。在此基础上, 提出了混凝土结构耐久性评估的研究方向。

关键词：混凝土结构,寿命评估,寿命预测

参考文献

[1]贡金鑫, 赵国藩.钢筋混凝土结构耐久性研究的进展[J].工业建筑, 2000, 30 (5) :1-5.

[2]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社, 2003.

[3]赵羽习, 金伟良.混凝土构件锈蚀胀裂时刻钢筋锈蚀率[J].水利学报, 2004 (11) :97-101.

焊接结构疲劳寿命评估方法研究 篇5

焊接结构疲劳是指承受动态载荷的焊接结构在交变载荷作用下逐渐失效的过程, 普遍认为焊接接头的疲劳属性与焊接之前的材料的疲劳属性是不同的, 因此需要有不同方法以有效地进行焊接件的疲劳评估。

焊接结构疲劳的特点与母材不同, 第一, 焊接接头遵循的疲劳失效模式是可以明确区分的, 即它可能从何处开始出现裂纹, 一旦出现裂纹, 裂纹又可能朝着哪个方向发展;第二, 焊接接头的S-N数据中, 至少在寿命区间内, 有一个趋于一个特有的斜率, 而光滑试件和未焊接的有缺口的试样却不是这样;第三, 焊接接头的S-N数据中, 平均应力没有什么显著的影响, 而非焊接的试件中, 平均应力则有显著的影响。

2 焊接结构疲劳评估方法

传统的疲劳设计评估是有针对性的面向焊接接头展开, 核心是许用名义应力用安全系数调节进行校验, 该方法并没有考虑焊缝的应力集中, 将名义应力作为焊接接头的评价指标。随着研究的深入, 焊缝应力集中是决定接头疲劳强度的最主要因素成为共识, 随之发展起来的三种方法:结构应力法、等效结构应力法和缺口应力法。

2.1 名义应力法。

该种方法是通过简单材料力学计算公式或常规尺寸应变片测试方法得出结构特定位置 (远离应力集中区域) 的名义应力, 然后与许用名义应力做比较。判定安全的依据为服役应力不大于经过安全系数修正的许用应力

2.2 结构应力法。

在离焊趾3mm的位置测试正交于焊缝方向的应变片, 测量值用于疲劳强度评定, 并提出这种应力评定方法不依赖于焊接接头类型、焊缝几何形状、受力形式等因素, 这是最早的结构应力概念。该方法的局部应力参数能反映接头部位因几何形状变化引起的应力集中但却无法描述焊趾附近的强应力集中效应。

2.3 等效结构应力法。

在焊趾应力梯度较大的一个微小区域内, 由于材料内部的晶粒取向等微观各向异性不可忽略, 根据各向同性的弹性理论求得的弹性应力高于此区域的真实应力, 这称为弹性约束效应;如果这个区域已发生宏观塑性变形, 称为塑性约束效应。鉴于弹性或弹塑性有限元计算无法准确描述焊趾附近非线性应力场, 一些学者引入了等效结构 (热点) 应力概念, 以消除单元尺寸相关性和上述约束效应的影响。

2.4 缺口应力应变方法。

缺口应力应变是裂纹萌生后初期裂纹亚临界扩展的决定性因素, 可以采用缺口应力应变作为评定焊接构件疲劳强度的参数。这种方法本身接近实际情况, 更能合理的将试验结果运用于实际结构

3 疲劳评估标准的使用方法

3.1 国际焊接学会提出的焊接接头及其部件疲劳设计标准。

国际焊接学会提出的焊接接头及其部件疲劳设计标准, 它提供了多种级别焊接接头疲劳强度S-N曲线, 这些S-N曲线考虑了焊缝形状所引起的局部应力集中、一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差、应力方向、残余应力、冶金状态、焊接过程和随后的焊缝改善处理。

使用IIW标准预测疲劳寿命的技术路线如下:a.指定具体待评点的位置;b.如果有动应力实测数据, 通过编谱而获得该点的应力范围谱, 转到第 (e) 步;c.如果没有动应力实测数据, 有载荷谱, 那么创建有限元模型;d.根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力范围谱;e.根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向, 在IIW中选择对应的用于建立S-N曲线的疲劳级别 (FAT) 及相关参数;f.根据损伤比计算公式, 计算损伤比累积;g.根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数, 由Minner公式求出寿命 (里程) 。

3.2 BS7608钢结构疲劳设计与评估实用标准。

该标准对于屈服强度700MPa以下结构钢均可应用, 该标准从大量焊接结构中, 提炼出的焊接接头细节S-N曲线, 不仅考虑了局部应力集中, 尺寸与形状的最大允许不连续值, 而且还考虑了应力方向、冶金影响、残余应力、疲劳裂纹形状, 以及某些情况下的焊接工艺和焊后处理方法。

采用BS7608标准进行疲劳寿命评估时, 与采用IIW标准技术路线基本相同, 主要是标准中S-N曲线本身及选择方法上有所不同。根据待疲劳评估的接头细节三维几何图形、受力方向以及工艺细节要求, 从中选择相对应的细节级别, 然后根据细节级别查出定义该级别S-N曲线的具体参数。为提高计算精度, BS标准的S-N曲线也是双斜率的, 其拐点对应的循环次数为一千万次。

3.3 标准对比

3.3.1 共性特点。

a.Minner损伤累积是BS/IIW标准的理论基础, 其中BS与IIW的寿命计算公式本质完全相同。b.可操作性强, 不仅有理论, 亦有技术, 不仅有数据, 亦有工艺要求, 只要被评估对象的接头型式落入它们提供的数据库之中, 其寿命评估就是科学的有价值的。c.BS/IIW标准均适用于焊接结构的疲劳寿命预测与评估。由于铁路机车车辆装备中大部分为焊接结构, 因此, BS标准与IIW标准有着相当大的应用空间。

3.3.2 个性特点。

a.BS 7608钢结构疲劳设计与评估实用标准。 (1) 用于钢结构, 其中包括焊接接头及螺栓连接接头。 (2) 将钢结构接头细节分成10级, 每一级别中不仅提供了建立S-N曲线的信息, 还提供了工艺条件的细节要求, 例如附录B中给出的每一接头细节的可能的疲劳断裂模式及相应的工艺要求可以直接用来指导设计和制造。 (3) 从工程角度出发, 注重工程应用。b.IIW焊接接头及其部件疲劳设计标准。 (1) 比BS更注重焊接接头细节, 焊接接头分类更详细。 (2) 考虑了更多的其它因素对寿命的影响, 并提供了相当丰富的实验数据。 (3) 不仅适用于钢结构, 也适用于铝合金结构。 (4) 考虑了裂纹的扩展。

4 结论

4.1 从标准的基本原理上看, 影响焊接结构疲劳性能的决定性因素是焊缝上的应力集中, 它包括工艺上的焊接缺陷导致的微观应力集中以及设计不合理导致的宏观应力集中。

4.2 焊接接头上承受的变化的外载荷是一相当复杂的随机载荷, 由于载荷谱难于获得, 可以直接在焊接接头附近通过贴片实测其动态应力, 获得其应力谱。

4.3 在BS标准与IIW标准中, 疲劳试验数据表明, 焊缝焊趾打磨可以提高抗疲劳能力;不同板厚、板宽渐变过渡后, 也可以提高抗疲劳能力, 这些措施之所以有效, 其原因就是局部刚度得到了协调, 从而应力集中得到了消除或缓解。

4.4 几种评估方法比较来看, 名义应力法在工程应用中较为方便, 但由于其简化因素较多, 也没有考虑局部应力集中, 所以其结果可能与实际略有偏差, 可以增加实际线路测试环节来反应局部结构的真实应力水平。

摘要：本文首先指出焊接结构产生疲劳失效的特点, 针对焊接结构疲劳问题, 列举了主要的4种评价分析方法, 并阐述了每种评价方法的原理。在4种评价方法原理的基础上, 给出与之相关的焊接疲劳评估标准, 由于标准结合了大量的试验数据及断裂力学知识, 所以在结合实际经验的基础上, 给出了标准的使用技术路线, 同时对标准之间的应用差异给出了说明, 最后对评估方法在结构设计中的应用给出总结。

关键词：焊接结构,疲劳寿命,强度评估

参考文献

[1]IIW FATIGUE DESIGN OF WELDED JOINTS AND COMPONENTS 1996.

舰船电气设备剩余使用寿命评估方法 篇6

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。

摘要：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。

关键词：舰船,电气设备,剩余使用寿命,评估

参考文献

[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.

光纤的机械可靠性及寿命评估 篇7

目前,部分老通信光缆线路已到达或超过预期使用寿命,老线路的延寿或更替已逐渐成为国内外用户关注的热点问题。影响光纤机械寿命的主要因素为光纤可靠性,但目前国内已有的研究多是对退役或故障替换下来的光缆样本中的光纤进行测试分析,对于光纤可靠性的研究很少。因此,有必要对光纤机械可靠性及寿命的评估方法进行研究,从而了解影响光纤寿命的主要因素和提高光纤可靠性的关键技术。

为了探究延长光纤机械寿命的关键技术,本文研究了光纤机械可靠性及寿命评估。通过分析光纤裂纹的起源和光纤的应力腐蚀,探究了光纤疲劳断裂机理;通过统计光纤筛选实验中的失效概率和光纤疲劳实验的威布尔分布特性,建立了光纤筛选实验寿命评估模型。结合OPGW(光纤复合架空地线)线路长期承受拉伸的特点,运用该模型对OPGW线路寿命进行了模拟计算和评估。

1 光纤疲劳断裂机理

光纤疲劳断裂是指光纤会在较大的外力下瞬间断裂,也会在较小的外力作用下(如静态拉伸、静态弯曲等)累计到一定时间而发生断裂。光纤的疲劳断裂是由于光纤裂纹在外加应力条件下,随着时间的推移不断扩展直至断裂。裂纹生长的速度与外加应力、裂纹尺寸和环境的温湿度等有关。光纤的疲劳断裂与应力水平和时间具有相关性[1]。

1.1 光纤裂纹的起源

光纤裂纹生成的原因主要是:

(1)光纤的纤芯是SiO2(二氧化硅),其晶体微观结构存在缺陷,受到外力时,在缺陷处产生应力集中,导致裂纹成核。

(2)光纤表面的机械损伤与化学侵蚀形成表面裂纹。

(3)热应力形成的裂纹,如:光纤熔融拉丝时,快速冷却,光纤内部和表面的温度差产生热应力,导致裂纹生成。

总之,光纤裂纹的成因很多,要制造没有裂纹的光纤是极其困难的[2]。

1.2 光纤的应力腐蚀

光纤芯层和包层的基本组份为SiO2,在一定的环境温度和应力作用下,光纤中裂纹尖端处发生亚临界裂纹生长。如果环境中含水或水蒸气,水气透过光纤涂层渗入光纤芯层与SiO2发生化学反应,将导致芯层表面裂纹的快速生长,直至断裂[3]。对此现象更进一步的解释如下:

(1)当光纤受力时,裂纹处有较大的扩展动力,光纤表面吸附了活性物质(如H2O、HO-、极性液体和气体),其自由表面能降低,导致裂纹加深,形成新的开裂表面,而新的开裂表面由于暂时没有被活性物质腐蚀,其表面能大于裂纹扩展动力,裂纹暂停生长,但随着下一个腐蚀过程而循环,从而形成了宏观上的裂纹生长。

(2)裂纹尺寸增加,应力强度因子K随之增大,当达到临界应力强度因子KIC时,发生快速扩展,光纤随之断裂。

(3)裂纹扩展速率与K具有相关性,如图1所示。通常把裂纹扩展速率分成3个区域:I区,K与裂纹扩展速率成线性,曲线斜率为光纤的疲劳参数n,n越大,光纤的静态疲劳过程越缓慢,光纤寿命越长;Ⅱ区,裂纹扩展速率恒定,这与光纤所处环境有关,与K无关;Ⅲ区,裂纹扩展速率依赖于K,而与环境无关。一根光纤的使用寿命,几乎完全由I区来决定[4]。

光纤的裂纹端形成应力集中区,该区域最容易引起光纤断裂,通常用应力强度系数KI来表示应力集中程度(单位:MPa·m1/2或MN·m-3/2,),即

式中,σ为外加应力;Y为裂纹几何形状参数;α为缺陷深度,即垂直于施加应力方向的缺陷尺寸。

2 光纤的寿命

2.1 光纤的机械强度

如前所述,应力腐蚀以及零应力老化的持续作用,使得裂纹尺寸不断增大,假定初始状态的光纤强度为S(0),经过时间t之后强度为S(t),可由下式计算得到:

式中,B为裂纹强度保留参数,与材料、裂纹几何形状因子和断裂临界值有关,B值的测量较困难,大概的数值范围在10-8~1GPa2s之间[5]。

2.2 光纤机械寿命评估

目前,研究光纤机械寿命的模型和方法有3种:静态疲劳实验、动态疲劳实验和筛选实验。通常采用动态疲劳实验模型和筛选实验模型预期光纤的寿命,本文将采用筛选实验模型预期光纤寿命。筛选实验模型预期光纤寿命主要根据筛选断裂点的频次、长度和使用应力的断裂概率[6]来进行。

在筛选实验中,逐渐线性地把应力加到光纤上,加荷应力σ(t)的典型值为不大于筛选应力σp的10%。经过筛选应力区后,再逐渐从满负荷值线性地下降到收线区的低值,一般也不大于σp的10%。施加应力与作用时间的函数关系如图2所示[7],一般要求保持时间td≥1s,卸荷时间tu≤0.1s。

由式(2)可得,筛选实验后的强度为

式中,tp为筛选时间。用N(S)表示惰性强度≤S的单位光纤表面积上的累积裂纹数,P(S,L)表示光纤长度为L、惰性强度为S的累积幸存率,在零强度无裂纹的边界条件时威布尔幸存率P(S,L)为

式中,H为比例常数,并且一般要求光纤样品长度不少于1km。通常发现

式中,m为惰性环境中的威布尔参数。

结合式(4)和(5),可得幸存率为

式中,L0为光纤标样长度;S0对应于e-1或36.8%幸存率时的强度。

一般光纤惰性强度S远大于最小强度Smin,所以可以认为S=S-Smin,对式(6)求导可得:

将式(3)代入式(7)中,分子分母同时乘,并令,代入β值和C值可得:

对式(2)进行积分可得:

令静态威布尔参数,并将其代入式(8)中,可得:

实际情况中,B值一般满足,因此B值可以忽略。C值通常也很小,约在0~0.1之间,并且与筛选实验卸荷时间tu成反比,所以在实际的筛选试验中,C值也非常小。在寿命估算中,最严格的条件是C=0。从而光纤寿命公式可以简化为

实际工程中,β值很难测量,因此这里引入复绕筛选时每公里断裂次数Np。如果筛选后施加应变εp时光纤的断裂概率F<10-3,则可以认为F≈ln(1/P),并结合式(7)可得:

将式(3)代入,并忽略C值可得:

将式(13)代入式(11)中,并用筛选应变εp来表示筛选应力σp,用施加应变εa来表示施加应力σa,可得光纤寿命计算模型为

在进行寿命估算时,所用参数值要精确测定,其中疲劳因子n值是寿命估算中最敏感的一个参数[8]。

3 OPGW线路寿命估算

OPGW线路通常采用架空敷设,光缆链路受长期的拉伸应力,可以应用以上寿命模型进行推算。假定OPGW通信线路长度为100km,光纤出厂的张力筛选为100kpi(1%应变),通信线路设计的断纤故障概率为1×10-6,以下分两种情况进行估算:

(1)对于早期制造的光纤,其n值通常为18,光纤出厂筛选的断纤概率Np为0.01,光缆在不同的应力水平下对应的光纤寿命tf如表1所示。

(2)对于目前的商用单模光纤,光纤出厂筛选的断纤概率Np为0.005,OPGW光缆长期应力水平为20kpi(0.2%应变),不同n值对应的光纤寿命tf如表2所示。

由上可见,提高光纤的疲劳参数和降低光纤使用时的应力水平,都可以显著提高光纤的使用寿命[3]。提高光纤的疲劳参数可以通过改进光纤制造技术和涂层技术来实现,降低光纤使用时的应力水平可以通过OPGW光缆的结构设计、制造技术及光缆施工等方法来实现,在此不再展开讨论。

4 结束语

本文研究了光纤机械可靠性及寿命评估,文中的光纤寿命模型是基于恒应力下的惰性环境,而在真实的自然环境中,温度、潮气、酸碱度和交变应力等影响因素要复杂得多。因此,光纤可靠性还需要广大研究机构、制造商等进行更多、更深入的研究,其研究成果将为电信运营商及其他通信网客户的网络规划、建设及更替决策提供重要的数据支持,进而产生良好的经济和社会价值。

摘要：为了探究延长光纤机械寿命的关键技术,研究了光纤机械可靠性及寿命评估模型。影响光纤机械寿命的主要因素是光纤裂纹生成和光纤裂纹在应力腐蚀下不断生长。根据光纤机械强度计算公式以及光纤疲劳试验的威布尔分布特性,建立光纤筛选实验寿命评估模型。运用该寿命评估模型对OPGW(光纤复合架空地线)线路寿命进行模拟计算和评估,探究了延长OPGW线路寿命的关键技术。结果表明,提高光纤疲劳参数和降低光纤使用时的应力水平,均可显著提高光纤寿命。

关键词：裂纹,应力腐蚀,机械寿命

参考文献

[1]陈炳炎.光纤光缆的设计和制造[M].第二版.浙江:浙江大学出版社,2003:263-290.

[2]竺逸年.受应力光纤寿命计算理论和方法[J].光纤与电缆及其应用技术,1992,(4):17-19,55.

[3]王德荣.进一步提高光纤质量的几个技术问题[J].光纤与电缆及其应用技术,2005,(4):23-27.

[4]王宝珠,邓宏林,李小瑞,等.制导光纤中光纤寿命预期[J].应用光学,2005,(6):41-45.

[5]刘泽恒.光纤的筛选实验和寿命估算[J].光通信研究,1993,(4):33-38.

[6]王伟斌,王慧芳,郑庆利,等.光纤余长与光缆寿命相关性的剖析[J].电线电缆,1997,(2):2-7.

[7]韩志辉,赵金岐,沙洪涛.影响光纤寿命因素的探讨[J].光纤与电缆及其应用技术,2011,(2):7-9.

混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估 篇8

1 疲劳寿命

1.1 概念

疲劳指的是金属材料在不断变换的力的作用下性能发生改变,在施工过程中需要清楚疲劳不是突然发生的,而是一个逐渐改变过程,因为受到力的干扰,不管是结构还是零件在最初的使用阶段,就已经开始发生疲劳。当一直处于疲劳状态并一直因为力的作用而受到破坏,就会使因疲劳产生的裂纹扩大,当扩大到一定程度就会发生断裂。从开始进入疲劳到最后结束断裂,被称为“寿命”。

1.2 影响疲劳寿命的因素

车辆增多、吨位增重和恶劣环境的影响都会引发桥梁的一些病害,进而影响桥梁的疲劳寿命。但总的来说,混凝土桥梁因为疲劳而发生的破坏由很多因素共同作用而成,并且在多数情况下无法分辨哪个是关键因素。后来经过长时间的实验研究发现,最能够影响混凝土桥梁疲劳寿命的因素是钢筋混凝土在梁方面的配筋率。同时也有部分的专家认为疲劳荷载的应力程度也是钢筋混凝土桥梁发生疲劳破坏的一个重要因素,但有待证明。

1.3 混凝土桥梁疲劳现状

我国多座缆索承重桥梁或多或少都有存在一定的裂缝或疲劳开裂的现象,因为裂缝较小前期很难引起注意,但后期引发的安全事故是非常严重的。对此,我国从事桥梁工程技术的相关人员同许多研究人员结合我国的实际情况投入了大量研究工作,目的在于能够找到评定桥梁疲劳寿命的方法,通过研究,制订出一套我国特有的评定方法。

2 混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估方法

虽然当前在混凝土桥梁方面还缺少能够应用的规范来对其疲劳寿命和应用安全进行评估,但在不断的理论和实践研究中形成了两种主流的计算方法。

2.1 基于S-N曲线和Miner理论的疲劳寿命评估方法

目前来说,不仅是我国乃至全世界在进行桥梁设计中一直应用传统的疲劳分析法,这种分析法的原理是以S-N曲线和Miner线性的累积损伤作为基础准则。但这种方法面临问题时一定要确定好疲劳细节的强度及模拟好疲劳应用谱。

2.1.1 确定S-N曲线

只有研究好外荷载和疲劳寿命之间的比例关系,才能够更好地研究混凝土桥梁的疲劳寿命。将外加应力定义为S,疲劳寿命定义为N,他们的曲线关系则被称为S-N曲线。因为在当前,我国对于S-N曲线还没有一个明确的规范,因此,作者将使用外国发达国家给出地规范的S-N曲线。

2.1.2 Miner准则

Miner理论是线性累积损伤理论中有代表性的一种,Miner线性疲劳累积损伤准则,将循环的损伤公式定义为:

式中:N为从开始受力到最后破坏的循环次数。通常情况下,即n个循环所造成的疲劳损伤公式为:

如果在n1个循环的力的影响下,造成的疲劳损失的公式为:

式中:D为疲劳累积损伤值。

如式(1)～式(3)的损伤一直累计到达了某一个特定的临界值就会出现疲劳损坏,即当D不小于1时,就能够判定出现了疲劳损坏。通过实验发现,在随机的载荷状态下,破坏的临界值都会在1的上下跳动,这就是当前工程界应用最广泛的Mine准则的原因,从目前情况来看,因为疲劳损伤的变化情况是十分复杂的,因此理论还有误差,不够成熟。

2.2 基于断裂学的疲劳剩余寿命评估办法

如上文所述,钢筋是影响混凝土疲劳寿命的关键因素。因此,可根据主要受力的钢筋的断裂程度来对钢筋混凝土桥梁的疲劳寿命进行判定。为了能更好地确定钢筋的裂缝扩大情况,在本文中,假定最初出现的裂纹是一个半圆形的裂纹,若设初始裂纹的深度是A0,且同钢筋的轴线垂直,难么裂纹的扩大可以按照Paris公式进行计算。

2.2.1 对A0的确定

深度的测量方法一般有两种:(1)直接观测的方式;(2)根据实际情况及经验来做假设。第一种方法虽然比较精确,但受到地理环境的影响,深埋段钢筋总是隐藏在土中,有时很难进行检测和观测。本文将采用给第二种方法,即通过经验对A0进行合理的假设。

2.2.2 对临界裂纹的确定

如果初始的裂纹不断扩大,直到到达裂纹临界点,钢筋混凝土桥梁就会发生断裂崩塌。通常来说,钢筋的疲劳破坏模式分为两种,即韧性和脆性破坏。这两者需要分不同的情况使用不同的公式进行计算。

若根据线弹性断裂力学的K准则进行判断,当Kc不大于K时,发生的就是脆性断裂。那么此时裂纹深度的临界值为

2.3 裂纹的拓展计算

可以根据Paris准则来计算裂纹拓展的速率以及相应的变化幅值:

3 结束语

通过国内外从事钢筋混凝土桥梁建筑的工作人员不断努力,终于提出了以上两种能够对混凝土桥梁的疲劳寿命进行安全评估的办法。总的来说第一种应用S-N曲线、Miner准则的方法能通过对应关系直观地计算出桥的疲劳寿命;第二种基于线弹性断裂力学的方法则根据主要受力钢筋的断裂情况来进行计算,通过计算裂纹的临界值,来判定疲劳寿命。通过上文介绍桥梁疲劳寿命及安全评估方法,希望在今后的桥梁安全评估中充分应用,深入探究和理解,进一步保障混凝土桥梁的安全,虽然当前的两种方法能够很好的对桥梁疲劳寿命进行判定,但笔者仍希望相关人员能够进一步优化工作。同时也建议在可采用WIN动态称重系统对来往的车辆进行称重,防止出现桥梁载荷过重的现象。

参考文献

[1]李干.既有公路混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估研究[D].西安:长安大学,2011.

[2]王玉娇.既有混凝土梁桥疲劳使用安全评估[D].西安:长安大学,2013.

[4]朱志光.论钢筋点焊联结对混凝土桥梁疲劳寿命的影响[J].长沙:长沙铁道学院学报,1999(17):109.