基于FMEA和FTA的溶解器可靠性分析

闞 琛 郭明超 盧超然

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

溶解器是后處理廠料液制備的關鍵工藝設備之一。為了避免核燃料后處理過程中可能出現的設備損壞、財產損失或環境損害事故，必須保證溶解器能可靠安全地運行。本研究對溶解器進行故障模式及其影響分析（FMEA），開展故障樹分析（FTA），自上而下逐層歸納分析溶解器可能發生的故障模式對可靠性、安全性的影響，并提出設計改進建議，確保溶解器在料液制備系統中能安全運行。

1 溶解器故障模式及其影響分析

1.1 可靠性設計要求

遵循簡化設計的原則，在滿足技術要求的前提下，盡量減少零部件、元器件的規格、品種和數量，提高產品的固有可靠度，降低維修工作量和成本［1］。對于可引起Ⅰ、Ⅱ類故障的產品要遵循余度設計原則。溶解器的設計應盡量在原有成熟產品的基礎上進行開發，不同時采用過多的新技術，盡量不使用不成熟的新技術。在容易出現差錯的連接、裝配等部位，采用防差錯結構形式，即裝配錯誤、正反裝不進等。

1.2 故障判斷

在系統運行或待機狀態下，凡是滿足不了溶解器設計指標及要求的故障，都應定為溶解器系統故障。具體故障情況如下。

1.2.1 零件級產品故障判據。受力件因不滿足強度、剛度要求而使結構發生破壞，長期工作使結構發生損傷。耗損件因長期使用而使性能衰退。連接件因材料、工藝影響而引起的松動等連接失效。由于特定的外界環境而引起的零件損傷，如面齒輪因長期處于溶解液的環境中引起的腐蝕，扁平槽因盛放的溶解液而引起的腐蝕變形等［2］。

1.2.2 組部件級產品故障判據。扁平槽組件因沒有滿足強度、剛度的要求而使結構發生破壞。傳動系統因磨損或腐蝕引起傳動精度下降，不能保證良好的同步性。反饋系統因機械故障不能及時反饋信號，使驅動無法正常進行或停止。

1.3 溶解器故障模式分析

綜合考慮溶解器在實際工作的使用載荷、溫度、濕度、振動及其他環境參數，由此確定溶解器的載荷/環境應力及其作用的時間，從環境和載荷兩方面出發，進行故障模式分析。在此基礎上確定溶解器故障模式庫，即腐蝕（扁平槽密閉空間內的硝酸及反應氣體腐蝕零件）、變形（在外力作用下零部件的幾何形狀變化超出設計允許范圍）、磨損（零部件表層組織受損）、斷裂（軸、螺栓等關鍵承力鍵應力超出強度極限、焊縫斷裂）、剪斷（鍵、螺栓等受剪件）、穿孔（由磨損導致盛料件穿孔）、卡滯（傳動部分的軸承運動不暢）、松動（連接件導致組件間聯結松動）、膠合（高溫重載等導致接觸件發生膠合）、運行不暢（減速箱、齒輪傳動等）、不工作（空氣提升裝置、吹掃裝置等）、傳動誤差過大（減速器傳動比不合適、大轉輪轉角）、不能正常檢修（各組間件連接件膠合，不便拆卸）、反應不徹底（大轉輪位置精度低，分料裝置不能徹底分料）。

通過FMEA分析，可采取以下措施來提高溶解器的可靠性。①考慮溶解器順利反應任務的余度設計，進行系統備份。②考慮到溶解器長期使用，應重視軸承等零件的功能衰退，對減速器、定位裝置等進行良好的潤滑，對輥子機構中的軸承定期檢查更換。③考慮承力件的剛度和強度，如支撐架要承受很大的應力（其承受減速器設備及大轉輪反應液等的重量），應改進支撐架的材料性能，提高其工作的穩定性及可靠性。④對大轉輪進一步開展動力學仿真和可靠性分析，以增加其工作精度。⑤考慮電機對溶解器工作過程的控制作用及其一旦發生故障的危害性，建議綜合考慮經濟性和性能要求，選用工作穩定、故障率低的電機。⑥改進大轉輪的性能，提高工作的穩定性和可靠性，建議對大轉輪的可靠性進行驗證性試驗，減少輪齒失效的概率。⑦對傳動關鍵件（如蝸輪、蝸桿、齒輪軸等）校驗其受力，降低出現膠合故障的概率。⑧綜合考慮安全性和經濟性，合理選用連接螺栓的型號，并定期檢查其工作狀態，減少其對維修工作的不利影響。

FMEA是產品可靠性設計分析的基礎，是一個由下而上、不斷回饋、持續改進的迭代分析過程。在產品壽命期的不同階段，要選用不同的FMEA方法，并收集產品的相關信息，建立完善的數據庫和故障模式庫。FMEA得出的關鍵零部件及關鍵故障模式對后續的FTA分析提供參考。在選擇頂事件時，要注意考慮FMEA結論中的關鍵件對頂事件的影響，要注意與FTA和機構動力學分析模擬、載荷強度分析和環境影響分析等分析模擬方法的結合，同時將試驗結果及時反映在FMEA分析表中。

1.4 分析結果

對溶解器工作過程進行分析時，使用有限元進行靜強度和變形分析計算，評估安全余量，進行動力學或運動學仿真分析，并把分析結果反映在FMEA分析和輸出中。具有、Ⅲ類故障的零件，且故障發生頻度為C級及C級以上的零部件被定義為關鍵件。對溶解器進行FMEA分析后可知，關鍵件有扁平槽本體、輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿和齒輪軸。關鍵件的故障模式有變形過大（扁平槽槽體、輥輪、齒輪軸）、斷裂（支撐架、齒輪軸）、磨損（輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿）、膠合（齒圈、齒輪軸、蝸輪、蝸桿）、腐蝕（大轉輪、扁平槽）。

本研究梳理出的關鍵件是溶解器系統中易發生故障、故障影響較大的零部件，關鍵故障模式也是在溶解器工作過程中易發生的，其組合會影響溶解器系統的傳動過程、工作精度等，從而導致設備故障或停機。

2 溶解器故障樹分析

本研究根據故障樹分析法（FTA）的要求，參考溶解器故障模式影響分析結果，選定溶解器的2個重要事件作為頂事件，按照乏燃料溶解器產品層次由上至下的順序，依次分析頂事件發生的原因，逐級細化，最終得到零件的故障模式［3］。

2.1 溶解器故障樹的建造

對復雜系統而言，建樹時應按系統層次逐級展開（見圖1、圖2）。溶解器停止工作時，依次對減速器、分料裝置、棍子機構進行檢查，即減速器發生故障時，應從花鍵傳動、花鍵、平鍵、軸套入手，進行失效分析，并順序檢查維修。

2.2 故障樹的定性分析

圖1 溶解器停止工作故障樹

圖2 溶解器停止工作故障樹簡化圖

定性分析是為了尋找導致頂事件發生的原因事件或原因事件組合，即識別導致頂事件發生的所有故障模式，發現潛在的故障和設計的薄弱環節，以便改進設計，還可用于指導故障診斷，改進使用和維修方案［4］。在故障樹的定性分析中，主要分析任務是確定所有的最小割集，常用的方法有上行法、下行法。本研究采用下行法求故障樹的最小割集（見表2）。

表2 溶解器停止工作故障樹最小割集

2.3 故障樹的定量分析

底事件或最小割集對頂事件發生的貢獻稱為該底事件或最小割集的重要度。

概率重要度的定義為第i個部件不可靠度變化引起系統不可靠度變化的程度。計算公式見式（1）。

式中：Δg i（t）為概率重要度；F i（t）為元、部件不可靠度；g［F（t）］為頂事件發生概率，F（t）=［F1（t），F2（t），F3（t），…，Fn（t）］；Fs（t）為系統不可靠度，Fs（t）=P（T）=g［F（t）］。

概率重要度是第i個部件是關鍵部件時，系統處于故障狀態的概率。溶解器意外停止工作的頂事件發生的概率為PT2=0.000 199 986。表3為故障樹T2部分最小割集的發生概率表。

表3 故障樹T2部分最小割集的發生概率

表3是按照故障樹T2的各個最小割集的發生概率降序排列的，一階最小割集X1電機停止工作、X10齒輪軸花鍵斷裂、X7定位銷斷裂、X2扁平槽幾何變形、X4平鍵斷裂、X3蝸桿斷裂、X5軸套斷裂、X6齒輪軸斷裂、X8螺栓M10×30斷裂、X9螺栓M16斷裂、X11內花鍵斷裂的發生概率相對較高，在設計、選材、制造上應該重點關注。表4為故障樹T2部分底事件的關鍵重要度水平。

表4是按照故障樹T2的各個底事件的重要度降序排列的，從表4可以看出，構成一階最小割集的各個底事件的重要度水平比其他事件要高，尤其是電機。所以，在設計時應選擇合適的電機、零部件型號，校核零部件強度，盡量降低故障發生概率。

表4 故障樹T2部分底事件的關鍵重要度水平

2.4 分析結果

本研究采用的FTA分析是在FMEA分析的基礎上進行的，故障樹中所有底事件都是經FMEA篩選后的比較重要的零部件故障模式。運用所建立的故障樹和找到的最小割集，從系統角度出發，分析設計的薄弱環節，提出改進和補償措施，如表5所示。

表5 結論

3 結語

本研究采用故障樹分析與FMEA相結合的方式，對溶解器進行可靠性分析。通過FMEA對溶解器進行定性分析，確定溶解器的潛在故障模式及其危險等級。在FMEA分析的基礎上進行FTA分析，通過定量計算明確頂事件發生概率及重要度，最后從系統角度出發，分析設計的薄弱環節，并提出改進和補償措施，以此來提高溶解器的可靠性。