故障樹分析法用于核電設備可靠性維修

王炳舜

（國核示范電站有限責任公司 山東威海）

一、緒論

核電站的維修不同于常規(guī)電站或其他工業(yè)部門的維修，因為它的規(guī)模巨大、設備復雜，而停運帶來的損失也很大，并且在核安全以及保護公眾健康方面甚為重要。為此，核電站對維修工作提出很高的要求。可靠性維修 （Reliability Centered Maintenance，簡稱RCM）是一種針對關鍵設備設置維修活動的系統(tǒng)化方法。RCM通過分析關鍵設備的各種故障模式，找出最主要的故障原因。以經濟有效的維修方式確保設備的可靠運行，因此在RCM中，故障模式的分析尤為重要。

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱 FTA）是一種圖形演繹方法，是設備可靠性分析過程中比較常見的一種故障分析方法。以液力偶合器為研究對象，在了解和掌握了液力偶合器工作原理和故障模式的基礎上，建立液力偶合器工作不正常的故障樹。通過故障樹，不僅可以科學、全面地分析液力偶合器工作不正常的原因，還可以根據(jù)故障樹確定的邏輯關系，計算“頂事件”的發(fā)生概率，由此采取防止設備發(fā)生故障的措施，為可靠性維修提供依據(jù)。

二、故障樹的建立

以“液力偶合器工作不正常”的頂事件（代號T），作為分析目標。在日常維護過程中，液力偶合器工作不正常的表現(xiàn)形式，主要為振動劇烈（代號M11）、頻繁補油（代號M12）、工作油過熱（代號M13）、潤滑油壓力低（代號M14）以及偶合器輸出轉速不穩(wěn)定（代號M15）等5種形式。在不斷分析回答“怎么會引起這一事件”的問題中，尋找這一事件的產生原因，一直追溯到造成上一級事件的基本原因不能再進一步追溯為止，這些基本原因就構成了故障樹的基本事件。故障樹中的基本事件不是最終故障原因，而僅僅是最小故障點。

圖1 故障樹

首先將頂端事件用矩形所示，符號表示，底端事件用圓形符號表示。然后再確定各層事件的邏輯關系，主要由“與”和“或”兩種組成，并將各層事件用邏輯符號連接起來，并用行列法或布爾代數(shù)方法進行故障樹化簡，就繪制出圖1所示的故障樹。

三、故障樹分析

1.基本事件結構重要度分析

（1）利用布爾代數(shù)法計算故障樹的最小割集。割集，也叫截集或截止集，它是導致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合。引起頂上事件發(fā)生的基本事件的最低限度的集合叫最小割集。如果求出了最小割集，就可以馬上知道發(fā)生故障的所有可能途徑。從這個意義上講,最小割集越多,說明系統(tǒng)的危險性就越大。

任何一個故障樹都可以用布爾函數(shù)來描述。一般從故障樹的頂事件開始，“與”門用邏輯加代替，“或”門用邏輯乘代替，用下一層事件代替上一層事件,直至頂事件被所有基本事件代替為止。運用布爾代數(shù)運算率化簡布爾函數(shù),最終得到其最簡析，取標準式中每個最小項所構成的集合,便是最小割集。

根據(jù)故障樹結構圖，建立故障樹相關事件的布爾函數(shù)：

運用布爾代數(shù)法計算出“液力偶合器工作不正常”的故障樹的最小割集有32個。這說明造成“液力偶合器工作不正常”的可能途徑也就有32種。根據(jù)可靠性理論知識，最小割集越多，設備可靠性也就越低。

（2）基本事件結構重要度。結構重要度分析是一種定性分析方法，在不考慮基本事件發(fā)生概率的情況下，僅從故障樹結構上分析各基本事件的發(fā)生對頂上事件發(fā)生的影響程度。

采用最小割集近似判斷法，計算各基本事件的結構重要度大小，方法操作簡便，在工程實踐中應用最為廣泛。設某一事件有k個最小割集，最小割集Er中含有mr個基本事件，則基本事件Xi的結構重要度近似計算見式（1）。

根據(jù)計算公式（1）計算造成“液力偶合器工作不正常”的各基本事件的結構重要度。

對基本事件結構重要度進行排序。顯然，基本事件X30，X31的結構重要度最大，基本事件X11，X12、X14，X15，X23，X24的結構重要度最小，其余基本事件的結構重要度介于兩者之間。也就是說，基本事件X30，X31對頂事件“液力偶合器工作不正常”發(fā)生的影響程度也就最大。為提高液力偶合器運行可靠性，在不考慮基本事件發(fā)生概率的情況下，首先應該考慮提高基本事件X30，X31的可靠性，降低其故障發(fā)生率。

就液力偶合器維護實踐而言，首先在設備設計階段，就將油冷卻器排氣管設計成3個，這樣可以使基本事件X30的故障率降低為只設計一個排氣管時X30故障率的1/3。對于基本事件X31而言，主要通過日常巡檢（每周兩次）和定期更換濾芯（每個運行周期更換一次）等手段，大大提高了基本事件X31的運行可靠性。其他基本事件也都依據(jù)其結構重要度順序設置合理的預防性措施，從而大大提高了設備運行的經濟性、有效性以及安全性。在現(xiàn)場實踐中，尤其是在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的情況下，基本事件的結構重要度分析就顯得非常重要。

（3）頂事件發(fā)生概率分析。頂事件“液力偶合器工作不正常”發(fā)生概率分析屬于定量分析范疇。故障樹各基本事件的發(fā)生概率如附件一所示。可以依據(jù)各基本事件發(fā)生的概率，以及故障樹的結構，用下列公式計算頂事件發(fā)生的概率。

用“與門”連接的頂事件的發(fā)生概率為式（2）：

用“或門”連接的頂事件的發(fā)生概率為式（3）：

式中 qi——第i個基本事件的發(fā)生概率（i=1，2……n）。

根據(jù)以上公式計算頂事件發(fā)生概率為P（T）=3.3×10-2。

已知：液力耦合器目標故障間隔期MTBF≥8000 h，平均修復時間MTTR=24 h。所以，液力偶合器目標故障率為式（4）：

由于P（T）≥P0（T），說明液力偶合器在現(xiàn)有基本事件的故障率模式下是極不可靠的，必須采取防范措施，使“液力偶合器工作不正常”的故障率降至安全目標以下。要降低頂事件的發(fā)生概率，就必須通過降低基本事件的發(fā)生概率來實現(xiàn)。由于頂上事件發(fā)生概率與所有基本事件發(fā)生概率是多重線性函數(shù)關系，改變其中某一個基本事件的發(fā)生概率對頂事件發(fā)生概率的影響程度不盡相同。為此，采用故障樹分析中的一個定量分析參數(shù)——基本事件的概率重要度。

所謂基本事件的概率重要度，表示第i個基本事件發(fā)生概率的變化引起頂事件發(fā)生概率變化的程度。基本事件的概率重要度越大，其對頂事件發(fā)生概率的影響程度越大。頂事件概率函數(shù)對第i個基本事件發(fā)生概率求一次偏導，即可得到該基本事件的概率重要度系數(shù)。計算公式見式（5）。式中P（T）表示頂事件發(fā)生的概率，qi表示第i個基本事件的發(fā)生概率。

通過公式（5）計算出所有基本事件的概率重要度系數(shù)如表1所示。從計算結果看，基本事件X1的概率重要度系數(shù)最大，其次是基本事件X2，X16，X17，X19，X21。

表1 基本事件的概率重要度系數(shù)

由于各基本事件發(fā)生概率不同，一般情況下，改變概率大的基本事件比改變概率小的基本事件容易。在故障樹定量分析中，基本事件的關鍵重要度是表示第i個基本事件發(fā)生概率的變化率引起頂事件概率的變化率的參數(shù)，因此，它比概率重要度更合理更具有實際意義。計算公式見式（6）。

通過公式（6）計算出所有基本事件的關鍵重要度見表1。從計算結果看，基本事件X1，X19的關鍵重要度最大，其次是基本事件X2，X16，X17，X21。為此，要降低頂事件發(fā)生概率，需首先從降低基本事件X1，X19，X2，X16，X17，X21的故障率入手。

四、依據(jù)故障樹分析確定可靠性維修優(yōu)化方案

通過故障樹分析發(fā)現(xiàn)，構成故障樹的基本事件大體由機械（電器）設備故障或損壞、人的差錯、環(huán)境不良3部分組成。通過以上分析，對頂事件發(fā)生概率有決定性影響的是基本事件X1，X2，X16，X17，X19，X21，降低了這幾個基本事件的發(fā)生概率，將能迅速有效地減低頂事件“偶合器工作不正常”的發(fā)生概率。

1.提高備件可靠度控制基本事件原發(fā)故障

一臺完整的液力偶合器由若干零部件構成，零部件的可靠度將直接影響到液力偶合器的可靠度。液力偶合器在檢修初期發(fā)生的大部分故障主要是由于備件失效原因造成的。為此在設備檢修過程中，采取加強備件入庫出庫質量檢查，在備件使用前進行備件可用性驗證的措施，對于提高備件可靠度，降低液力偶合器原發(fā)故障率將十分有效。

對基本事件X16、X21而言，在密封端面O形圈、過濾器濾芯入庫時，首先要嚴格檢查備件表面是否光滑、有無毛刺，備件參數(shù)是否合格，存儲條件是否合理；在使用前需檢查備件是否損傷，是否在備件有效期內，使用備件是否具有的互換性、匹配性。通過一系列行之有效的備件可用性檢查手段，將會大大提高基本事件X16、X21的可靠度。

2.加強日常巡檢及時發(fā)現(xiàn)潛在故障

在液力偶合器日常維護過程中，日常定期巡檢是提高液力偶合器運行可靠度的重要組成部分。液力偶合器任何潛在故障都會以某種表象特征表現(xiàn)出來。如壓力、溫度緩慢變化；系統(tǒng)邊界輕微滲漏；運行聲音異常等。盡早發(fā)現(xiàn)潛在故障，將設備缺陷消除在萌芽狀態(tài)可以有效提高液力偶合器運行可靠性，節(jié)約檢修成本。在巡檢過程中，要注意檢測參數(shù)的全面性、檢測數(shù)據(jù)在時間上的連續(xù)性、并定期對一段時間內巡檢記錄數(shù)據(jù)進行定性分析。根據(jù)巡檢參數(shù)的變化情況，依據(jù)本文給出的故障樹，將會較為準確地找出液力偶合器的潛在故障。一般情況下，設備早期故障糾正措施較為簡單，即使不能馬上消除缺陷，也會為制定合理的檢修計劃提供足夠的反應時間。

對基本事件X2而言，如果液力偶合器基礎松動，其早期表象特征首先表現(xiàn)為振動1倍頻參數(shù)緩慢增大。在日常巡檢過程中，需關注液力偶合器振動參數(shù)的變化情況，如果發(fā)現(xiàn)振動1倍頻有緩慢增大趨勢，就需要檢查基礎緊固螺栓的緊固力矩是否合格。由此將會大大提高基本事件X2的可靠度。

3.合理設置預防性檢修周期及時糾正漸進性故障

在液力偶合器運行過程中，不可避免地存在零部件磨損、腐蝕、老化、疲勞等劣化過程。液力偶合器故障率與基本事件的發(fā)生概率和使用時間有關。預防性檢修是糾正液力偶合器漸進性故障，提高液力偶合器運行可靠度的重要手段。然而，預防性檢修周期設置過短，會增大檢修成本；預防性檢修周期設置過長，會引發(fā)糾正性檢修，失去預防性維修的實際意義。因此通過基本事件發(fā)生概率設置合理的預防性檢修周期將顯得十分重要。

例如，工作油泄壓閥解體檢查周期為6C，由于彈簧處于長期的壓縮狀態(tài)，不可避免會產生彈性蠕變。2010－2011兩年間，1臺液力偶合器曾多次發(fā)生工作油泄壓閥過調節(jié)，引起液力偶合器轉速波動的故障。根據(jù)公式（7）計算M29的故障率。

表2 中間事件M29故障率變化量

由于基本事件X19故障率遠遠大于基本事件X18的故障率。當基本事件X19故障率為0.005時，中間事件M29的故障率為0.005。在其他同層次中間事件故障率小于M29的故障率的情況下，中間事件M29的故障率將對頂事件故障率起到主導性的作用。

為此對基本事件X19的檢修周期進行調整，每年大修設備再鑒定時對工作油泄壓閥進行在線校準調整，從而大大降低了基本事件X19的故障率。當基本事件X19的故障率降低為10-6時，中間事件M29的故障率為10-5，如表2所示。即由基本事件X19（工作油泄壓閥過調節(jié)）引起中間事件M29工作油壓力變化的因果關系將會徹底弱化。

4.加強管理優(yōu)化技術降低人為失誤

研究發(fā)現(xiàn)，人為失誤所造成的事故約占事故總量的70%～80%。在故障樹分析中大部分基本事件也都與人為失誤有關。基本事件X1，X17也都是由人為失誤引起的。一般來說，在設備運行和檢修過程中為人失誤在所難免。人為失誤率與人的自身因素及工作環(huán)境有極大的關系，減少人為失誤，可從采取幾個措施，如：加強培訓力度，增加檢修人員對液力偶合器的熟悉程度；規(guī)范檢修規(guī)程，提高規(guī)程的可操作性及參考價值；增強規(guī)程的執(zhí)行力度，防止人為隨意性失誤；加強檢修關鍵點驗證，提高檢修質量；改善工作環(huán)境，關注人員健康。措施實施后，可以最大限度地減少人為失誤，從而提高液力偶合器運行可靠度。

五、結束語

通過對液力偶合器進行故障樹分析表明，故障樹分析法能對設備的故障模式進行全面的分析，找出設備運行可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。當X1，X2，X16，X17，X19，X21的故障率降低到0.0001，“液力偶合器工作不正常”的故障率降至1.9×10-3，低于液力偶合器目標故障率，這將有力保證液力偶合器在一個運行周期內的安全穩(wěn)定運行。因此，在RCM中用故障樹分析法來指導設備的故障分析，尋找設備故障原因是很有效的措施。