FMEA分析手法与应用

設備分析淺談一、前言設備完整性理應涵蓋製程系統所有的設備，然而設備種類與數量繁多，加上各職司角色不同，重要性因之而異，如果施以同等待遇，將耗費巨資，不切實際，且無法達成，也違背了設備完整性設立的本意，所以需要實施設備分析，以確立設備的需求，或說是設備完整性的需求，再據以安排設備完整性的工作內容。就設備完整性本文而言，雖然是以安全為著眼，但未嘗忽略產能與成本之考量，那些設備需要特別照顧，或需要有專屬的標準作業程序，如三階文件，或需要零件備份兩套，或要管制只有鑑定合格人員才可以操作...等等，這些就是設備完整性需求項目，這些都需要經過設備分析予以判定。限於篇幅，本文僅說明設備分析之綱要，詳細作法仍請參考各相關文獻。二、為什麼要作設備分析進行設備完整性需要設備分析，簡單的說，我們是要藉以明白影響安全與生產力的因素有那些，如此才能掌握重點，進行設備完整性的整體規劃。為什麼設備分析是設備完整性的要件，我們以下列四個論點觀之，這些論點也是設備分析的後續應用範圍：1.設備分級─設備完整性的對象包括設備及與設備相關的人事地物之管理項目，所以在進行設備完整性之前，首先要瞭解有那些設備包含於製程系統，並將它們予以分級，以作為實施之依據，同樣地設備的分級也需要有所依據，設備分析可以提供這個依據，因為設備分析以設備功能的關鍵性及發生異常的嚴重性為主要探討內容，唯有透過設備分析才能產出最正確的設備分級。2.檢測規劃─因為設備種類的繁多，首先透過設備分級過濾設備，排定優先順序，接下來非常重要的是要進行那些檢測項目，以維持設備的狀況，也就是一般的檢測規劃，明白每一個設備所需要的檢測需求。設備分析是用以判斷各設備的檢測需求。3.設計變更─設計變更指的是工廠因應製程需求，或為加強安全，或為製程變更，設備系統必須有相對的變更，變更必須先透過設備分析以檢查變更的需求與變更的安全性，設計變更之需求在設備分析方面，是屬於產出的部份，以分析的所見與所聞，綜整具體地提出設計變更的需求與方向，設計變更的項目不限制設備硬體與電腦軟體，舉凡因應設備而生的管理或作業程序之設計皆屬之。4.教育訓練─教育訓練以符合技術專長與作業安全為訴求，無論是以安全或技術的觀點，設備分析的結果是最佳的教育訓練教材，因為設備分析是集眾人的智慧與經驗，直指設備的設計、製造、安裝、操作與維護等，所以是工廠技術的傳承。總而言之，設備分析在設備完整性的知與行中，扮演了“知”的提供，有“知”的依據，“行”的才會有效率。三、設備分析的內涵既然設備分析要作為設備完整性的依據，設備分析必須具備一些必要的內涵︰1.設備清查─設備分析是要找出關鍵性較高的設備或事物，相對地關鍵性較低者，也應經過確認，所以設備分析應兼具有設備清查的功效。並非所有的設備分析方法都具備設備清查的功能，但選擇有相近功能者較有利。2.設備系統本質分析─設備分析要能探討設備系統的本質，包括系統本質上的安全性與生產力，諸如系統的強弱，事故發生的嚴重性與機率。在分析或使用初期，又沒有量化數據時，可以先以定性的方法－即主觀的判定去探討。3.系統可能的故障與其效應─設備完整性認為事件的發生或無法避免，必源自設備的故障，所以各設備的故障與效應，應可經由設備分析完全掌握，以利安排檢測備料，或預作事故預防，系統可能的故障與其效應是設備分析最基礎也是最重要要掌握的。4.定性/定量分析─設備分析應以定性分析為主軸，並輔以量化評估。所謂定性與定量的分野沒有一定的界限，定性分析是基礎與必備的，定量方面如失效發生機率、嚴重等級、風險指數等，也是必要的，或以公認的資料庫統計數據為之，或以自由心證區分等級劃分之，由設備完整性執行小組視實際可行為之。5.設備維護的成本─一般而言，風險評估類分析方法著重於設備故障、製程偏離與外力因素等導致的安全相關事件，鮮有同時考量維護成本，所以分析的結果僅能作為事故預防之參考，以設備完整性之安全與生產力雙重原則而言，設備分析應以設備出發，重視安全，同時將各設備故障維修與保養之成本納入，使得一次分析，可作多重用途。6.管理界面需求─設備完整性以設備管理為起源，所以設備的分析是為設備完整性找出需求，包括對設備的需求，也包括設備管理的需求，如操作程序、管理流程、教育訓練等，也就是因設備的存在與維護之管理界面需求。可以看出，設備分析如果具備了上述的內涵，設備分析便成為設備完整性的控制項目，它告訴我們設備完整性的重點所在。表一危害分析應用面比較分析方法應用範圍設計審核事故調查變更管理製程安全設備評估FTA0VV00FMEAV0VVVHAZOPV00VVPHAVV000WhatifVVV0VChecklist000V0四、設備分析的方法風險評估類的分析方法雖然有數種，用途、使用時機與推理邏輯略有不同，但如能彈性運用，基本上所得結果大同小異，設備分析一般是沿用風險評估的方法，依據工廠的需要與體質選擇適用者，一般有製程風險分析(ProcessHazardAnalysis,PHA),操作危害分析(HazardandOperabilityStudy,HAZOP),查核表(CheckList),假設狀況分析(What-If),失效模式與效應分析(FailureModesandEffectsAnalysis,FMEA),以及故障樹分析(FaultTreeAnalysis,FTA)，如要硬性以適用範圍區分各方法，表一是為一例。這些方法都有所謂的原始制式格式，但我們在運用上無需拘泥。如以設備完整性的觀點，PHA,HAZOP,與Whatif屬腦力激盪，較偏安全，也較難掌握全部設備，對於生產力的提昇較無直接關係；查核表的方法，則是簡潔易行，但必須有產業專屬與設備類別專屬之查核表，才可進行，這是一般很難蒐集到的；最值得建議的是採取FMEA，並輔以FTA，以下將分別說明之。1.失效模式與效應分析FMEA是由下向上的推理，以平面表格方式為之，基本欄位包括設備項目、功能描述、失效模式、失效效應、發生機率、效應嚴重度(關鍵性)與對應措施等，可以看出FMEA先從各設備的認知開始，檢討它與系統以及事故之間的關聯性。其中發生機率與嚴重度等級是設備量化管理的基礎，發生機率可以選自產業屬性相近的資料庫，遇有從缺項目，則以同一資料庫內相似設備資料為之，必要時得透過討論賦予之，切勿混用不同的資料庫，因為各資料庫，數據判斷基礎不同；嚴重度等級可以於FMEA開始前，共同討論劃分等級，或分四級，或分十級，悉由工作同仁依據FMEA的後續應用之需求訂定之，也可以直接以成本損失金額為之。FMEA工作較為繁瑣，但確實可為製程設備系統提供高價值的資訊，而FMEA是否都要以基本設備或零組件開始？答案是未必，如果系統過於複雜，或項目過多，可將FMEA鎖定於模組或分系統層級，向上分析，找出關鍵性較高的模組或分系統層級，再於這些較關鍵者進行更低層次的FMEA，以輕油煉製為例，除了塔槽、反應器、蒸餾塔、再生器...等之外即是眾多的管線，各管線上又數十個管件、閥件、感測器、甚或泵浦等，如以各零件進行FMEA，將不勝負荷，但如以各管線含其上各零組件為一個分析項目，則工作簡化了，分析挑出較重要的管線，如重要的輸油管線、蒸氣管線、甚或空氣管線，再細究其下各零組件的FMEA。前面提到不要拘泥於標準格式，我們可以針對自己的需求改變分析格式，一般是保留前述的欄位，更增加一些欄位。表二是一個範例格式，可以看出一個表格(或一頁，或一頁以上)，用於一個分析對象，是一個設備或一個零組件的分析，表格右上方檢查該分析件的相關文件，表格下方則增列有關維護度與設備分級用欄位，如此的FMEA同時考量可靠度、為維護度與安全度，符合設備完整性的需求，一次分析即可獲得所有的資訊。圖一示意FMEA的架構與其後續應用的關係，實線部份是FMEA分析本體，虛線則為FMEA分析結果的可應用面。分析結果如果顯現某分析件發生機率與嚴重度均偏高，則應透過系統設計變更消弭之，絕非加強檢查、維修或監測即可，設計變更後應補行變更部份的FMEA；對於嚴重度較高的項目，應進行緊急應變的檢討或規劃，以防範於未然；因為FMEA掃瞄了所有的設備，並調查各檢測項目與週期，所以可以據以進行檢測規劃，包括定期保養與預知保養；同時也可以安排備品的規劃，及檢討作業程序的需求。FMEA記錄表分系統模組件號名稱功能規格修護職責修護手冊汰換週期停機代號月失效模式失效原因失效效應偵測方法警報聯鎖嚴重等級發生機率處置措拖備考修護時間修護費用停機時間停機損失最大損失維修週期維修備料設備類級安全等級小時元小時元元月份2.故障樹分析FTA則是由上向下的邏輯演繹，先設想系統可能發生的重大事件，或謂結果表象，諸如火災爆炸、系統跳機、毒性化學物質外逸...等，每一個定義為一個頂端事件，針對每一個頂端事件，向下推理尋出造成頂端事件的發生原因與發生機制，亦即基本事件，基本事件一般有數個以上，單一基本事件的發生就會導致頂端事件者，稱為單點失效(SinglePointFailure)，這個基本事件的關鍵性極高，發生機率也可能較高，應透過設計變更消弭之，或必須有對策；兩個以上的基本事件同時發生才會導致頂端事件者，相對地發生機率較低。以邏輯閘的圖號繪出基本事件到產生頂端事件的過程，其中過渡態的事件或條件稱為中間事件，此圖即為一個頂端事件的故障樹，圖二是範例。故障樹的量化分析是遵照布林代數法計算頂端事件發生機率，但除非基本事件均是設備失效，否則故障樹量化分析的部份是最困難的，因為人為因素或不可抗力因素等基本事件的機率很難賦予，所幸FTA重要的是樹的本體。圖三是故障樹分析的架構圖，實線部份是故障樹分析本體，虛線則為故障樹分析結果的可應用面。與FMEA類似，對於嚴重度與發生機率均高的頂端事故，應設法透過設計變更消弭之，故障樹是頂端事件發生的始末分析，所以可以很清楚的據以訂定緊急應變計畫，故障樹的分析結果可以作為員工的教育訓練資料，也可以作為除錯或事件調查的機制，故障樹的分析結果可以簡單地以文字表格轉換成為製程危害分析PHA。圖二FTA分析範例—變壓器起火爆事件樹3.FMEA與FTA的相輔相成FMEA與FTA各有利弊，確互補缺點，FMEA是以個別設備為導向，比較詳細，可以檢討所有設備，但對於設備與設備之間，或設備與外力間的關係，較難釐清；相反地FTA是以事件為導向，無法顧及所有設備，但確可釐清事件發生的途徑，與設備間或設備與外力間的關係。建議先執行FMEA，有了基本事件及可能的頂端事件，再進行FTA找出邏輯樹；除非可以獲得同產業的FTA技術與經驗；否則不要冒然直接執行FTA，另一方面，因為故障樹力求完整，如果基本資訊不足，故障樹的發展將不完全，不但對工廠沒有幫助，反而因不完整的故障樹，誤導大家的注意力，於安全有害。五、共同參與設備分析設備分析不應由少部份人員閉門造車，而應是各部門指派專人全程參與，共同討論，這是最重要的，因為設備分析始於設備或零組件的定義與功能認定，到失效模式、系統危害、處置對策，乃至處理工時、維護成本與備料規劃等，所以涵概了設計、製造、工務、庫管、工安與部份行政支援部門，各部門就其專業認知與經驗累積，提出意見與綜整，使得設備分析的結果是公認最客觀與最正確的，是為大家共同的智慧財產，也願意繼續使用與維護該財產。各部門共同參與分析有一個很重要的前提是最高主管的實際行動支持，嘗見許多工場有設備分析類的產出，或工安部門或工務部門絞盡腦汁完成，但分析結果僅能作為其部門內部參考用，其它部門卻往往以保留的態度對其正確性存疑，因為分析執行部門因應其特殊需求而執行，或工作規劃，或保險公司提供要求，其它部門因未獲上級指示，無法派人支援，(或因門戶之見，或因無足夠的人力工時)，這種設備分析對工廠的幫忙不是全面性的，但這是經常看到的現象。所以設備分析希望由最高主管下達執行的決心，各部門指派適任人員參與，使得設備分析結果成為大家未來工作規劃上共通的界面依據。六、設備分析的維持隨著時間變化，工廠的製程系統會因科技進步或產品變更或其它因素而作變更，設備分析應隨之予以更新，以作為其應用面變更之依據。即令系統未作主要的改變，設備分析結果也應配