今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 核能已成為人類使用的重要能源之一，核電是電力工業的重要組成部分。發展核能對于滿足經濟和社會發展不斷增長的能源需求，保障能源供應與安全，保護環境，實現電力工業結構優化和可持續發展，提升我國綜合經濟實力、工業技術水平，都具有重要意義。
近年來國家積極發展核電產業。核電質量要求萬無一失，其核心是產品安全。核電行業無論是設備的生產制造、核電廠的安全運行等，都有非常高的質量安全控制要求。核電整個產業鏈的質量、安全責任重于泰山。保證核電安全，不僅要有先進的技術也需要有科學有效的質量管理方法。FMEA（Failure Mode andEffects Analysis）方法正是安全可靠性管理方法在核電行業中的有效應用。
1 研究和應用現狀
FMEA即故障模式及影響分析[1]，是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在產品設計和加工過程中分析各種潛在的故障對其可靠性的影響，用以提高產品可靠性的一門分析技術，它以產品的元件、零件或系統為分析對象，通過人員的邏輯思維分析，預測結構元件或零件生產裝配中可能發生的問題及潛在的故障，研究問題及故障的原因，以及對產品質量影響的嚴重程度，提出可能采取的預防改進措施，以提高產品質量和可靠性。
FMEA技術是從工程實踐中總結出來的科學，是一項十分有效且易于掌握的分析技術。它廣泛應用于可靠性工程、安全性工程、維修性工程等領域[2]。
1.1 FMEA相關法規及導則
隨著FMEA技術的推廣和發展，各個國家、各個行業紛紛推出了FMEA要求和方法，并形成標準、規范或手冊。
美國軍標1974年頒布與艦船領域相關的FMEA標準MIL-STD-1629，在1980年頒布FMEA標準MIL-STD-1629A，該標準較詳盡，經過若干次修改升級，美國與我國至今仍在使用。1988年美國頒布應用于汽車生產和組裝過程的SAE-J-1739、1998年頒布應用于電子元器件設計與裝配過程的EIA/JEP1311標準、2001年歐洲空間標準化組織頒布ECSS-Q-30-02A，該標準包含了設計FMEA和過程FMEA[3]。
到20世紀80年代初期，我國陸續頒發了一系列的國家標準、軍用標準、行業標準和指令性文件。例如，在1985年6月，由國家標準局頒發了國家標準GJB7826-87《系統可靠性分析技術失效模式和效應分析》，該標準可以應用于電子、機械、軟件等產品中；1989年12月，原航空工業部發布了航空標準HB6359-89《失效模式、影響及危害性分析程序》，該標準適用于航空產品的設計、生產和使用階段。在1992年頒發了GJB1391《故障模式影響及危害性分析程序》。同時FMEA是GJB450《裝備研制與生產的通用大綱》、QJ1408《航天器與導彈武器系統可靠性大綱》等規定的主要工作項目。相關聯的規則還包括GB/T 9225-1999核電廠安全系統可靠性分析的一般原則等。
1.2 相關的研究與應用
中核建中核燃料元件有限公司的謝凌云等，針對核元件產品及制造過程的特殊性，在FMEA分析之前，首先確定了燃料棒制造過程中的故障嚴酷度評分，結合生產實際制定了故障發生概率和被檢測難度評分，使FMEA分析具有可操作性。通過對燃料棒的制造過程進行FMEA分析，提前發現制造中的薄弱環節，有針對性地采取質量控制手段，確保產品制造質量，獲得更高的經濟效益和產品堆內運行的安全性。蘇州熱工研究院有限公司的劉志凌等，針對核安全設備設計以及制造過程，采用FMEA方法，有助于推進核安全設備的設計與制造國產化質量管理水平的提高[4]。北京廣利核系統工程有限公司的莫昌瑜等，在FMEA基礎上，利用改進的失效模式、影響及診斷分析對核電廠數字化保護系統進行安全分析工作。失效模式、影響及診斷分析既能給出定性的故障分析結論，又能結合診斷特性提供定量失效分析結果。針對較復雜系統的FMEA有效性下降的問題，提出系統級邊界FMEA方法，有助于改善對系統邊界敏感的可靠性分析[5]。李靜霞、于勁松針對目前核電站安全級DCS缺陷危害性分級方法缺失的現狀，利用FMEA技術對核電站安全級DCS進行分析，從功能可靠性的角度識別出所有可能的失效模式，確定引發失效的故障原因及影響程度等信息[6]。可以看出，利用FMEA方法分析核電硬件設備，目前已經開展了較多工作。利用FMEA方法分析核電數字化儀控系統，工程師們開始了一些初步嘗試。分析過程中的重點和難點在于如何開展軟件FMEA。
2 FMEA的基本思想
FMEA是一項自下向上的故障分析技術，例如針對某個工業系統開展FMEA分析。目標系統由各種各樣的零部件和元器件組成，每個零部件和元器件都有一個或多個故障模式，FMEA認為，構成系統的所有零部件和元器件都不發生故障則整個工業系統是可靠的，保證零部件和元器件所含有的故障模式都不發生就能保證零部件和元器件不發生故障，從而保證系統的可靠性。對這些故障模式實施有重點、有針對性地控制，使它們的故障發生概率在可接受的范圍內，提高系統的可靠性。
3 FMEA方法的應用價值
在諸多工業領域，FMEA方法均獲得了一定程度的普及，為保證產品的安全性發揮了重要作用。該技術經過長時間、多行業的發展與完善，已獲得了廣泛的應用和認可，成為在系統的研制中必須完成的一項安全性分析工作。FMEA方法術己在工程實踐中形成了一套科學而完整的可靠性、安全性分析方法。
FMEA方法的主要用途和應用價值包括以下幾個方面：建立可以實現故障可能性最小化的系統或過程需求；建立系統設計和測試方法，確保相應的故障得以消除；評價需求以確保這些需求并不會造成潛在的故障；識別促成故障的某些設計特征，并最大程度地減小甚至消除相應的影響；跟蹤和管理系統或過程之中的潛在風險；確保可能出現的任何故障不會嚴重影響系統或過程從而造成嚴重的后果及損失。
4 核電項目實施FMEA的具體步驟及FMEA方法的應用價值
（1）組建FMEA小組。實施設計FMEA 時有必要組建一個團隊，團隊由具有多學科和多職能背景的個人組成。實際上，核電FMEA團隊由如下人員組成：核電系統設計總工程師、可靠性工程師、保護系統工程師、過程控制工程師、軟件工程師、硬件工程師等。另外，團隊還涉及到其他各項目部門的工作人員，他們在必要時積極參與支持工作，包括：質量工程師、驗證與確認工程師、測試工程師等。
（2）列舉失效模式。列出分析對象可能發生的失效模式，即沒有達到設計的意圖和要求功能所呈現的方式。潛在失效模式是通過分析預測有可能發生的，但并非必然發生的失效形式。
（3）確定風險優先數的值。核電FMFA 分析中，每種故障模式的“破壞力”是通過風險優先數指標來評估的，風險優先數值大小，可以確定各個故障模式的重要度順序。風險優先數（Risk Priority Number，簡稱RPN ）=發生度（Occurrence，簡稱O）評分×嚴重度（Severity，簡稱S）評分×難檢度（Detection，簡稱D）；RPN評分值的范圍：0≤RPN≤1000。
在計算RPN值之前，首先需要制定嚴重度S、發生度O、難檢度D的標準，通過制定FMEA嚴重度分級表、故障發生度分級表以及故障難檢度分級，反應核電產品的特性。然后項目組評定每個失效的SOD值，最后確定每個失效模式的RPN值。
（4）開展FMEA后的改進措施和分析結論。根據失效模式影響分析的結果，找出核電系統中的缺陷和薄弱環節，并制定和實施各種改進與控制措施，以提高產品的可靠性。
5 FMEA方法存在的問題
FMEA標準中所規定的故障模式影響分析是一種以經驗為主的定性歸納法。系統復雜時，很難明確確定每一故障模式的故障影響；FMEA標準要求對系統中每個元器件的每種故障模式都進行分析，當系統中元器件過多，分析人員的工作枯燥繁瑣，難免造成遺漏和錯誤，且工作量大；FMEA標準要求，隨系統設計深入細化，FMEA要反復進行，這樣完全依賴手工，則要耗費更多的時間和精力。
FMEA是一種單因素分析方法，即假定某一種失效模式的產生的因素只有一個，不能用來分析共因失效。在工業對象系統的模塊層及以上分層中，某一種失效模式的產生很可能由一種以上的因素以某種關系共同作用所致。所以FMEA對此，無能為力。
FMEA作為安全分析方法，存在的問題如下：
（1）如何收集故障的失效模式和失效原因。失效模式和失效原因是核電FMEA分析的基礎，硬件系統標準單元的失效模式一般比較明確，失效原因也便于提取，但軟件系統的失效模式和失效原因卻不是非常明確，難以準確提取。例如在定量評估失效模式的發生概率時，主要是通過可用的行業失效率數據庫、相似產品或者元部件的失效數據、元部件壽命試驗的數據和現場失效數據等來估計。國內FMEA的失效相關數據庫不夠充分，并且這些數據大多數是基于統計學得來的。在評估失效率時，基于統計學建立的預計模型其參數值是根據整個工業部門的平均水平制定的，即考慮的是平均失效率，而沒有將具體的供貨商、具體的器件，以及具體的項目考慮進去。這些模型的參數值還具有嚴重的滯后性。
隨著科技的發展和時間的推移，工業產品應用環境日益復雜和嚴酷，原有的失效統計數據已經滿足不了產品應對各種惡劣環境的要求。通過原有的這些數據來評估各失效模式的發生頻度，評估困難，容易造成錯誤或者不夠準確的問題。
（2）對FMEA的目標系統，如何劃分層次，并確定不同模塊間的邏輯關系。每個層次具有明確的失效模式和邏輯關系，低層次的失效會產生局部的、高一層次直至系統的影響。對核電軟件FMEA，目標系統層次劃分和模塊間邏輯關系的確定沒有很明確清晰的方法，往往依賴于軟件分析人員的經驗，分析過程精確性低、客觀性差，且沒有效率。
（3）核電數字化儀控系統中，軟件模塊之間的失效影響，如何準確判斷。硬件系統的結構相對清晰。但是軟件的失效影響很隱蔽，通常不能直接觀察到。目前沒有準確判斷軟件模塊失效影響的公認有效、可操作性好的方法。
（4）隨著系統的規模越來越大，如何使用FMEA分析軟件，提高故障分析過程的自動化程度和效率。針對核電硬件設備的FMEA自動化工具國內外已經開發了許多，例如國際上，三個主流FMEA商業軟件：ReliaSoft的XFMEA標準版軟件、ASENT分析工具包、Relex Studio可靠性工程平臺。成熟的商業軟件是否能無縫對接核電設計的FMEA，并不是一個簡單的過程，是核電FMEA實踐環節必須重視的問題。同時對系統級和詳細級軟件FMEA的大量工作仍需手工完成，分析效率低下。
（5）隨著核科學與核電工程技術的發展，核電站儀控系統日趨復雜化、數字化。隨著控制功能的強大、系統輸入輸出點數與控制過程、控制對象數量的增加，對儀控系統的硬件設備、軟件可靠性要求越來越高。在實際使用中，由于系統設計、設備工藝、軟件使用等因素引起儀控系統設備的故障不斷發生。因而在設計、運行、維護、退役等各個環節，對儀控系統進行有效地故障分析是十分必要的。核電行業應用FMEA開展安全性與可靠性評估，特別是針對數字化儀控系統，開始得較晚。
6 結語
FMEA是一種在很多行業已經普遍使用的可靠性分析方法，它是工程管理、提高質量的必然環節。核電行業的特殊性與苛刻的安全要求，使得FMEA在核電行業中的應用和實施成為必然。通過FMEA在核電行業的應用評述，分析了目前FMEA方法存在的一系列問題，為后續不斷改進提供了明確的方向。（基金資助：中核集團核設備運行狀態監測技術重點學科實驗室項目資助；湖南省教育廳科學研究課題14C0972）
參考文獻：
[1] 周海翔. 田灣核電廠數字化反應堆保護系統故障模式與后果分析[J]. 原子能科學技術, 2007, 41(6): 702 - 706. (DOI: 10. 3969/j. issn. 1000 - 6931.2007. 06. 015.)
[2] 戚丹鴻. 潛在失效模式和后果分析 (PFMEA) 的應用——以制造核電反應堆關鍵部件為例[J]. 上海質量, 2010, (9): 64 - 67.
[3] 史廷水. 電子系統的FMEA研究與實現[D]. 電子科技大學, 2012.
[4] 李莉. FMEA在核電設備產品設計中的應用研究[J]. 中國科技縱橫, 2013,(1): 189 - 189.
[5] 薛妙軼. 系統級邊界FMEA的分析方法[J]. 質量與可靠性, 2015, (1): 12 - 14.
[6] 李靜霞, 于勁松. 核電站安全級DCS缺陷危害性分級的研究與應用[J]. 自動化博覽, 2015, (3): 64 - 67.
作者簡介：
劉華（1979-），男，湖南衡陽人，碩士，現任南華大學教師，主要從事控制理論、核電站安全方面的研究。
摘自《自動化博覽》2015年9月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號