故障类型和影响分析概述（安全系统工程）
故障类型和影响分析FMEA(Failure Model and Effects Analysis) 是对系统各组成部分、元件进行分析的重要方法。系统的子系统或元件在运行过程中会发生故障,而且往往可能发生不同类型的故障。例如,电气开关可能发生接触不良或接点粘连等类型的故障。不同类型的故障对系统的影响是不同的。这种分析方法首先找出系统中各子系统及元件可能发生的故障及其类型,查明各种类型拱障对邻近子系统或元件的影响以及最终对系统的影响,以及提出消除或控制这些影响的措施。故障类型和影响分析是一种系统安全分析归纳方法。
早期的故障类型和影响分析只能做定性分析,后来在分析中包括了故障发生难易程度的评价或发生的概率,从而把它与致命度分析(Critical Analysis)结合起来,构成故障类型和影响、危险度分析(FMECA)。这样,若确定了每个元件的故障发生概率,就可以确定设备、系统或装置的故障发生概率,从而定量地描述故障的影响。
系统、子系统或元件在运行过程中,由于性能低劣而不能完成规定的功能时,则称为故障发生。
系统或元件发生故障的机理十分复杂,故障类型是由不同故障机理显现出来的各种故障现象的表现形式。因此,一个系统或一个元件往往有多种故障类型。
一般机电产品、设备常见故障类型见表2-6。
表 2-6 一般机电产品、设备常见故障类型
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结构破损 机械性卡住 振 动 不能保持在指定位置上 不能开启 不能关闭 误 开 误 关 内 漏 |
外 漏 超出允许上限 超出允许下限 间断运行 运行不稳定 意外运行 错误指示 流动不畅 假 运 行 |
不能开机 不能关机 不能切换 提前运街 滞后运行 合人量过大 输入量过小 输出量过大 输出量过小 |
无输入 无输出 电短路 电开路 漏 电 其 他 |
对产品、设备、元件的故障类型、产生原因及其影响应及时了解和掌握,才能正确地采取相应措施。若忽略了某些故障类型,这些类型故障可能因为没有采取防止措施而发生事故。例如,美国在研制 NASA 卫星系统时,仅考虑了旋转天线汇流环开路故障而忽略了短路故障,结果由于天线汇流环短路故障使发射失败,造成1亿多美元的损失。
掌握产品、设备、元件的故障类型需要积累大量的实际工作经验,特别是通过故障类型和影响分析来积累经验。
二、分析程序
故障类型和影响分析通常包括以下四方面:
(1) 掌握和了解对象系统;
(2) 对系统元件的故障类型和产生原因进行分析;
(3) 故障类型对系统和元件的影响;
(4) 的汇总结果和提出改正措施。
1.掌握和了解对象系统
对故障类型和影响进行分析之前,必须掌握被分析对象系统的有关资料,以确定分析的详细程度。确定对象系统的边界条件包括以下内容：
(1) 了解作为分析对象的系统、装置或设备。
(2) 确定分析系统的物理边界,划清对象系统、装置、设备与子系统、设备的界线,圈定所属的元素（设备、元件）。
(3) 确定系统分析的边界,应明确两方面的问题：
①分析时不需考虑的故障类型、运行结果、原因或防护装置等,如分析故障原因时不考虑飞机坠落到系统外和地震、龙卷风等对系统的影响;
②最初的运行条件或元素状态等,例如对于初始运行条件，在正常情况下阀门是开启还是关闭的必须清楚。
(4) 收集元素的最新资料,包括其功能、与其他元素之间的功能关系等。
分析的详细程度取决于被分析系统的规模和层次。例如,选定一座化工厂作为对象系统时,故障类型和影响分析应着眼于组成工厂的各个生产系统,如供料系统、间歇混合系统、氧化系统、产品分离系统和其他辅助系统等,对这些系统的故障类型及其对工厂的影响进行分析。当把某个生产系统作为对象系统时,应对构成该系统的设备的故障类型及其影响进行分析。当以某一台设备为分析对象时,则应对设备的各部件的故障类型及其对设备的影响进行分析。当然,分析各层次故障类型和影响时,最终都要考虑它们对整个工厂的影响。
2. 对系统元素的故障类型进行分析
在对系统元素的故障类型进行分析时,要将其看作是故障原因产生的结果。首先,找出所有可能的故障类型,同时尽可能找出每种故障类型的所有原因,然后确定系统元素的故障类型。故障类型的确定,可依据以下两方面:
(1)分析对象是已有元素,则可以根据以往运行经验或试验情况确定元素的故障类型。
(2) 若分析对象是设计中的新元素,则可以参考其他类似元素的故障类型,或者对元素进行可靠性分析来确定元素的故障类型。
一般来说,一个元素至少有4种可能的故障类型:
①意外运行;
②运行不准时;
③停止不及时;
④运行期间故障。
为了区分故障类型和故障原因,必须明确元素的故障是故障原因对元素功能影响的结果。故障原因可以从内部原因和外部原因两个方面来分析。
在分析时要把元素进一步分解为若干组成部分,如机械部分、电气部分等,然后研究这些部分的故障类型( 内部原因 ) 和这些部分与外界环境之间的功能关系,找出可能的外部原因。一般来说,外部原因主要是元素运行的外部条件方面的问题 , 同时也包括邻近的其他元素的故障。
根据故障原因分析,最后确定元素的故障类型。确定元素故障类型的程序如图 2-1 所示。
3. 故障类型的影响
故障类型的影响是指系统正常 运行的状态下,详细地分析一个元素各种故障类型对系统的影响。
分析故障类型的影响,通过研究系统主要的参数及其变化来确定故障类型对系统功能的影响,也可以根据故障后果的物理模型或经验来研究故障类型的影响。
故障类型的影响可以从下面三种情况来分析：
(1) 元素故障类型对相邻元素的影响,该元素可能是其他元素故障的原因。
(2) 元素故障类型对整个系统的影响,该元素可能是导致重大故障或事故的原因。
(3) 元素故障类型对子系统及周围环境的影响。
4. 列出故障类型和影响分析表
根据故障类型和影响分析表,系统地、全面和有序地进行分析,最后将分析结果汇总于表中,可以一目了然地显示全部分析内容。根据研究对象和分析的目的,故障类型和影 响分析表可设置成多种形式。
三、应用实例
1. 电机运行系统故障类型和影响分析
一电机运行系统如图 2-2 所示,该系统是一种短时运行系统,如果运行时间过长则可能 引起电线过热或者电机过热、短路。对系统中主要元素进行故障类型和影响分析,结果列于表2-7 。
2. 空气压缩机储罐的故障类型和影响分析
空气压缩机的储罐属于压力容器,其功能是储存空气压缩机产生的压缩空气。这里仅考察储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响,分析结果列于表2-8。
四、故障类型和影晌、危险度分析
把故障类型和影响分析从定性分析发展到定量分析,则形成了故障类型和影响、危险度分析FMECA(Failure Modes Effects and Criticality Analysis)。
故障类型和影响、危险度分析包括两个方面的分析:
(1) 故障类型和影响分析;
(2) 危险度分析。
例如,起重机制动装置和钢丝绳的部分故障类型和影响、危险度分析见表2-9。
危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险程度。通常,采用概率一严重度来评价故障类型的危险度。概率是指故障类型发生的概率,严重度是指故障后果的严重程度。采用该方法进行危险度分析时,通常把概率和严重度分别划分为若干等级。例如,美国的杜邦公司把概率划分为6 等级,危险程度划分为3个等级(见表2-9中注)。
当用危险度一个指标来评价时,可按下式计算危险度:
式中 C ---系统的危险度;
n ---导致系统重大故障或事故的故障类型数目;
λ---元素的基本故障率;
t ---元素的运行时间;
α---导致系统重大故障或事故的故障类型数目占全部故障类型数目的比例;
β---导致系统重大故障或事故的故障类型出现时,系统发生重大故障或事故的概率,
其参考值见表 2-10;
k1---实际运行状态的修正系数;
k2---实际运行环境条件的修正系数。
