安全系统工程第五章故障模式影响及危害度分析

《安全系统工程》第五章故障类型、影响及危险度分析西安建筑科技大学安全研究所《安全系统工程》2内容提要概述FMECA的定义、目的和作用FMECA的方法FMECA的步骤–故障类型和影响分析–危险度分析应用案例《安全系统工程》3概述元部件的故障对系统可造成重大影响–灾难性的影响•挑战者升空爆炸——发动机液体燃料管垫圈不密封–致命性的影响•起落架上位锁打不开以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响–依赖于人的知识和工作经验系统的、全面的和标准化的方法—FMECA–设计阶段发现对系统造成重大影响的元部件故障–设计更改、可靠性补偿是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础《安全系统工程》4基本概念及格式故障：指系统或元素在运行过程中，因为性能低下而不能实现预定的功能的现象。故障类型指系统中相同的组成部分和元素所发生故障的不同形式。——故障类型是故障的表现形式，如起落架撑杆断裂、收放不到位等。一般可从五个方面来考虑：运行过程中的故障；过早地启动；规定的时间内不能起动；规定的时间内不能停车；运行能力降级、超量或受阻。危险度：危险度分析是对系统中组成部分和元素的不同故障类型危险程度（危险度）的分析。《安全系统工程》5典型故障类型GJB1391《故障类型、影响及危险度分析》序号故障类型序故障类型序号故障类型1结构破损12超出允许下限23滞后运行2机械性卡住13间断运行24输入量过大3振动14运行不稳定25输入量过小4不能保持在制定位置上15意外运行26输出量过大5不能开启16错误指示27输出量过小6不能关闭17流动不畅28无输入7误开18假运行29无输出8误关19不能开机30电短路9内部漏泄20不能关机31电开路10外部漏泄21不能切换32漏电11超出允许上限22提前运行33其他《安全系统工程》6机械产品典型故障类型故障类型可分为以下七大类：–损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。–退化型：如老化、腐蚀、磨损等。–松脱性：松动、脱焊等–失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等。–堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等。–功能型：如性能不稳定、性能下降、功能不正常。–其他：润滑不良等。《安全系统工程》7基本概念及格式故障原因（FailureCause）是指导致系统、元件等形成故障类型的过程与机理，造成系统、元件发生故障的原因。常见的故障原因有：设计上的缺陷：由于设计采取的原则、技术路线等不当，带来先天性的缺陷，或由于图纸不完善或由错误制造上的缺陷：加工方法不当或组装方面的失误质量管理方面的缺陷：检查不够或失误以及工程管理不当等使用上的缺陷：误操作或未按设计规定条件操作维修方面的缺陷：维修操作失误或检修程序不当等故障结果（FailureEffect）：元件、组件的故障类型对元件、组件本身及系统操作、功能或状态产生的后果。《安全系统工程》8基本概念及格式故障等级：是衡量故障对系统任务、人员和财务安全造成影响的尺度。故障等级评定从以下几个方面考虑：故障影响大小对系统造成影响的范围故障发生的频率防止故障的难易是否需要重新设计《安全系统工程》9FMECA的概念FMECA的定义–故障类型和影响、危险度分析(FailureMode,EffectsandCriticalityanalysis,简记为FMECA)是分析系统中每一产品所有可能产生的故障类型及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障类型的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。•FMECA是一种自下而上的归纳分析方法；•FMEA和CA。FMECA的目的–从产品设计（功能设计、硬件设计、软件设计）、生产（生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用）和使用发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。《安全系统工程》10FMECA作用保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障类型及其影响，进而采取相应的措施。为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。为可靠性（R）、维修性（M）、安全性（S）、测试性（T）和保障性（S）工作提供一种定性依据。为制定试验大纲提供定性信息。为确定更换有寿件、元器件清单提供使用可靠性设计的定性信息。为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。《安全系统工程》11FMECA的步骤明确分析范围产品功能与任务分析明确产品的故障判据故障模式分析故障原因分析故障影响分析故障检测方法分析补偿措施分析危害性分析得出分析结果1系统定义2FMEA3CA《安全系统工程》12FMEA概括图FMEA过程•评估设计•辨识潜在的故障类型•评估已识别每个故障类型的影响•建立文件输入信息•设计知识•关于故障的知识•故障类型•故障率输出信息•故障类型•结果•可靠性预测•危险与风险•危险度清单《安全系统工程》13明确系统的情况和目的确定分析的层次建立故障类型清单绘制功能框图和可靠性框图分析故障类型和影响评定故障等级研究故障检测方法提出预防措施填写FMEA表FMEA分析步骤《安全系统工程》14故障类型等级的划分方法1）直接判断法。这种方法是根据故障类型对系统功能、人员及财产损失影响的严重程度来划分的。其划分原则如表。级别危害程度危害后果一级可忽略不会造成人员伤害和系统损坏二级临界的可能会造成人员伤害和系统损坏，但可排除和控制三级危险的会造成人员伤害和系统损坏，需立即采取控制措施四级破坏性的的会造成人员伤害和系统严重损坏，必须设法消除《安全系统工程》15故障类型等级的划分方法2)风险矩阵法是综合考虑故障发生的可能性和发生后引起后果严重度两个方面的因素来确定故障的等级。这种划分标准称风险率。其方法是将故障概率和严重度都分为四个等级，划分原则如下：A.严重度：是指故障类型对系统功能的影响程度，分级如下表严重度等级内容严重度等级内容Ⅰ低的对系统任务无影响对子系统造成的影响可忽略不计通过调整故障易于消除Ⅲ关键的系统的功能有所下降子系统功能严重下降出现的故障不能立即通过检修予以修复Ⅱ主要的对系统的任务虽有影响但可忽略导致子系统的功能下降出现的故障能够立即修复Ⅳ灾难的系统功能严重下降子系统功能全部丧失出现的故障需经彻底修理才能消除《安全系统工程》16故障类型等级的划分方法B.故障概率：一般按统计时间内的实际故障次数除以统计区间内实际工作小时数进行计算。级别故障出现可能性故障概率级别故障出现可能性故障概率A非常容易发生10-1D不容易发生10-4B容易发生10-2E难以发生10-5C较容易发生10-3F极难发生10-6《安全系统工程》17风险率矩阵图故障概率12341234严重度故障类型等级的划分方法《安全系统工程》18故障概率和严重度等级确定后，以故障概率为纵坐标，严重度为横坐标，画出风险矩阵图。沿矩阵原点到右上角画一条对角线，以对角线为轴线，轴线两边是对称的。如果知道了某一故障类型的概率和严重度等级，将其填入矩阵图中，就可以确定故障类型风险率或等级大小。处在右上角方块内的故障类型风险率最大，这是因为该故障类型发生的概率高且后果严重。依次左移，风险率逐渐降低，因为故障类型发生的概率虽然高，但造成的后果的严重度却逐渐降低；同样从右上方依次下移，风险率也逐渐降低，虽然故障类型造成的后果严重，但因为发生的概率很少，综合两方面因素风险率也就降低了。故障类型等级的划分方法《安全系统工程》19FMEA应用举例电机运行系统故障类型和影响分析一电机运行系统如图所示，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及影响分析。电机运行系统示意图《安全系统工程》20电机运行系统故障类型和影响分析元素故障类型可能的原因对系统的影响按钮卡住机械故障电机不转接点断不开机械故障人员没放开按钮电机运转时间过长短路会烧毁保险丝继电器接点不闭合机械故障电机不转接点不断开机械故障经过接点电流过大电机运转时间过长短路会烧毁保险丝保险丝不熔断质量问题保险丝过粗短路是不能断开短路电机不转质量问题按钮卡住继电器接点不闭合丧失系统功能短路质量问题运转时间不长电路电流过大，烧毁保险丝，使继电器接点粘连《安全系统工程》21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。这里仅考虑储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响。故障类型故障的影响故障原因故障的识别校正措施轻微漏气能耗增加接口不严漏气噪声，空压机频繁打压加强维修保养严重漏气压力迅速下降焊接裂隙压力表读数下降，巡回检查停机修理破裂压力迅速下降、损伤人员设备材料缺陷、受冲击等压力表读数下降，巡回检查停机修理储气罐的故障类型和影响分析《安全系统工程》22危险度分析危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险度。一般采用概率—严重度来评价故障类型的危险度。nitkkC121)(正系数。实际运行环境条件的修—数；实际运行状态的修正系—概率；发生重大故障或事故的系统故的故障类型出现时，导致系统重大故障或事—障类型数目的比例；部故故的故障类型数目站全导致系统重大故障或事—元素的运行时间；—元素的基本故障率；—故的故障类型数目；导致系统重大故障或事—系统的危险度；—式中21kktnC《安全系统工程》23起重机的故障类型和影响、危险度分析（部分）项目构成元素故障模式故障影响危险程度故障发生概率检查方法校正措施注意事项防止过卷装置电气零件机械部分安装螺栓动作不可靠变形、生锈松动误动作破损误、欠动作大中小10-210-410-3通电检查观察观察立即修理警惕立即修理钢丝绳绳钢丝变形、扭结15%切断切断切断中大10-410-1观察观察立即更换立即更换注：危险程度大（危险）中（临界）小（安全）校正措施立即停止作业看准机会修理注意发生概率非常容易发生1×10-1容易发生1×10-2偶尔发生1×10-3不常发生1×10-4几乎不发生1×10-5很难发生1×10-6《安全系统工程》24实施FMECA应注意的问题强调“谁设计、谁分析”的原则–“谁设计、谁分析”的原则，也就是产品设计人员应负责完成该产品的FMECA工作，可靠性专业人员应提供分析必须的技术支持。–实践表明，FMECA工作是设计工作的一部分。“谁设计、谁分析”、及时改进是进行FMECA的宗旨，是确保FMECA有效性的基础，也是国内外开展FMECA工作经验的结晶。如果不由产品设计者实施FMECA，必然造成分析与设计的分离，也就背离了FMECA的初衷。《安全系统工程》25实施FMECA应注意的问题重视FMECA的策划–实施FMECA前，应对所需进行的FMECA活动进行完整、全面、系统地策划，尤其是对复杂大系统，更应强调FMECA的重要性。其必要性体现在以下几方面：•结合产品研制工作，运用并行工程的原理，对所需的FMECA进行完整、全面、系统地策划，将有助于保证FMECA分析的目的性、有效性，以确保FMECA工作与研制工作同步协调，避免事后补做的现象。•对复杂大系统，总体级的FMECA往往需要低层次的分析结果作为输入，对相关分析活动的策划将有助于确保高层次产品FMECA的实施。•FMECA计划阶段事先规定的基本前提、假设、分析方法和数据，将有助于在不同产品等级和承制方之间交流和共享，确保分析结果的一致性、有效性和可比性。《安全系统工程》26实施FMECA应注意的问题保证FMECA的实时性、规范性、有效性–实时性。FMECA工作应纳入研制工作计划、做到目的明确、管理务实；FMECA工作与设计工作应同步进行，将FMECA结果及时反馈给设计过程。–规范性。分析工作应严格执行FMECA计划、有关标准/文件的要求。分析中应明确某些关键概念，比如：故障检测方法是系统运行或维修时发现故障的方法；严酷度是对故障模式最终影响严重程度的度量，危害度是对故障模式后果严重程度的发生可能性的综合度量，两者是不同的概念，不能混淆。–有效性。对分析提出的改进、补偿措施的实现予以跟踪和分析，以验证其有效性。这种过程也是积累FMECA工程