基于FMEA和FTA的溶解器可靠性分析

阚 琛 郭明超 卢超然

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

溶解器是后处理厂料液制备的关键工艺设备之一。为了避免核燃料后处理过程中可能出现的设备损坏、财产损失或环境损害事故，必须保证溶解器能可靠安全地运行。本研究对溶解器进行故障模式及其影响分析（FMEA），开展故障树分析（FTA），自上而下逐层归纳分析溶解器可能发生的故障模式对可靠性、安全性的影响，并提出设计改进建议，确保溶解器在料液制备系统中能安全运行。

1 溶解器故障模式及其影响分析

1.1 可靠性设计要求

遵循简化设计的原则，在满足技术要求的前提下，尽量减少零部件、元器件的规格、品种和数量，提高产品的固有可靠度，降低维修工作量和成本［1］。对于可引起Ⅰ、Ⅱ类故障的产品要遵循余度设计原则。溶解器的设计应尽量在原有成熟产品的基础上进行开发，不同时采用过多的新技术，尽量不使用不成熟的新技术。在容易出现差错的连接、装配等部位，采用防差错结构形式，即装配错误、正反装不进等。

1.2 故障判断

在系统运行或待机状态下，凡是满足不了溶解器设计指标及要求的故障，都应定为溶解器系统故障。具体故障情况如下。

1.2.1 零件级产品故障判据。受力件因不满足强度、刚度要求而使结构发生破坏，长期工作使结构发生损伤。耗损件因长期使用而使性能衰退。连接件因材料、工艺影响而引起的松动等连接失效。由于特定的外界环境而引起的零件损伤，如面齿轮因长期处于溶解液的环境中引起的腐蚀，扁平槽因盛放的溶解液而引起的腐蚀变形等［2］。

1.2.2 组部件级产品故障判据。扁平槽组件因没有满足强度、刚度的要求而使结构发生破坏。传动系统因磨损或腐蚀引起传动精度下降，不能保证良好的同步性。反馈系统因机械故障不能及时反馈信号，使驱动无法正常进行或停止。

1.3 溶解器故障模式分析

综合考虑溶解器在实际工作的使用载荷、温度、湿度、振动及其他环境参数，由此确定溶解器的载荷/环境应力及其作用的时间，从环境和载荷两方面出发，进行故障模式分析。在此基础上确定溶解器故障模式库，即腐蚀（扁平槽密闭空间内的硝酸及反应气体腐蚀零件）、变形（在外力作用下零部件的几何形状变化超出设计允许范围）、磨损（零部件表层组织受损）、断裂（轴、螺栓等关键承力键应力超出强度极限、焊缝断裂）、剪断（键、螺栓等受剪件）、穿孔（由磨损导致盛料件穿孔）、卡滞（传动部分的轴承运动不畅）、松动（连接件导致组件间联结松动）、胶合（高温重载等导致接触件发生胶合）、运行不畅（减速箱、齿轮传动等）、不工作（空气提升装置、吹扫装置等）、传动误差过大（减速器传动比不合适、大转轮转角）、不能正常检修（各组间件连接件胶合，不便拆卸）、反应不彻底（大转轮位置精度低，分料装置不能彻底分料）。

通过FMEA分析，可采取以下措施来提高溶解器的可靠性。①考虑溶解器顺利反应任务的余度设计，进行系统备份。②考虑到溶解器长期使用，应重视轴承等零件的功能衰退，对减速器、定位装置等进行良好的润滑，对辊子机构中的轴承定期检查更换。③考虑承力件的刚度和强度，如支撑架要承受很大的应力（其承受减速器设备及大转轮反应液等的重量），应改进支撑架的材料性能，提高其工作的稳定性及可靠性。④对大转轮进一步开展动力学仿真和可靠性分析，以增加其工作精度。⑤考虑电机对溶解器工作过程的控制作用及其一旦发生故障的危害性，建议综合考虑经济性和性能要求，选用工作稳定、故障率低的电机。⑥改进大转轮的性能，提高工作的稳定性和可靠性，建议对大转轮的可靠性进行验证性试验，减少轮齿失效的概率。⑦对传动关键件（如蜗轮、蜗杆、齿轮轴等）校验其受力，降低出现胶合故障的概率。⑧综合考虑安全性和经济性，合理选用连接螺栓的型号，并定期检查其工作状态，减少其对维修工作的不利影响。

FMEA是产品可靠性设计分析的基础，是一个由下而上、不断回馈、持续改进的迭代分析过程。在产品寿命期的不同阶段，要选用不同的FMEA方法，并收集产品的相关信息，建立完善的数据库和故障模式库。FMEA得出的关键零部件及关键故障模式对后续的FTA分析提供参考。在选择顶事件时，要注意考虑FMEA结论中的关键件对顶事件的影响，要注意与FTA和机构动力学分析模拟、载荷强度分析和环境影响分析等分析模拟方法的结合，同时将试验结果及时反映在FMEA分析表中。

1.4 分析结果

对溶解器工作过程进行分析时，使用有限元进行静强度和变形分析计算，评估安全余量，进行动力学或运动学仿真分析，并把分析结果反映在FMEA分析和输出中。具有、Ⅲ类故障的零件，且故障发生频度为C级及C级以上的零部件被定义为关键件。对溶解器进行FMEA分析后可知，关键件有扁平槽本体、辊轮、面齿轮齿圈、蜗轮、蜗杆和齿轮轴。关键件的故障模式有变形过大（扁平槽槽体、辊轮、齿轮轴）、断裂（支撑架、齿轮轴）、磨损（辊轮、面齿轮齿圈、蜗轮、蜗杆）、胶合（齿圈、齿轮轴、蜗轮、蜗杆）、腐蚀（大转轮、扁平槽）。

本研究梳理出的关键件是溶解器系统中易发生故障、故障影响较大的零部件，关键故障模式也是在溶解器工作过程中易发生的，其组合会影响溶解器系统的传动过程、工作精度等，从而导致设备故障或停机。

2 溶解器故障树分析

本研究根据故障树分析法（FTA）的要求，参考溶解器故障模式影响分析结果，选定溶解器的2个重要事件作为顶事件，按照乏燃料溶解器产品层次由上至下的顺序，依次分析顶事件发生的原因，逐级细化，最终得到零件的故障模式［3］。

2.1 溶解器故障树的建造

对复杂系统而言，建树时应按系统层次逐级展开（见图1、图2）。溶解器停止工作时，依次对减速器、分料装置、棍子机构进行检查，即减速器发生故障时，应从花键传动、花键、平键、轴套入手，进行失效分析，并顺序检查维修。

2.2 故障树的定性分析

图1 溶解器停止工作故障树

图2 溶解器停止工作故障树简化图

定性分析是为了寻找导致顶事件发生的原因事件或原因事件组合，即识别导致顶事件发生的所有故障模式，发现潜在的故障和设计的薄弱环节，以便改进设计，还可用于指导故障诊断，改进使用和维修方案［4］。在故障树的定性分析中，主要分析任务是确定所有的最小割集，常用的方法有上行法、下行法。本研究采用下行法求故障树的最小割集（见表2）。

表2 溶解器停止工作故障树最小割集

2.3 故障树的定量分析

底事件或最小割集对顶事件发生的贡献称为该底事件或最小割集的重要度。

概率重要度的定义为第i个部件不可靠度变化引起系统不可靠度变化的程度。计算公式见式（1）。

式中：Δg i（t）为概率重要度；F i（t）为元、部件不可靠度；g［F（t）］为顶事件发生概率，F（t）=［F1（t），F2（t），F3（t），…，Fn（t）］；Fs（t）为系统不可靠度，Fs（t）=P（T）=g［F（t）］。

概率重要度是第i个部件是关键部件时，系统处于故障状态的概率。溶解器意外停止工作的顶事件发生的概率为PT2=0.000 199 986。表3为故障树T2部分最小割集的发生概率表。

表3 故障树T2部分最小割集的发生概率

表3是按照故障树T2的各个最小割集的发生概率降序排列的，一阶最小割集X1电机停止工作、X10齿轮轴花键断裂、X7定位销断裂、X2扁平槽几何变形、X4平键断裂、X3蜗杆断裂、X5轴套断裂、X6齿轮轴断裂、X8螺栓M10×30断裂、X9螺栓M16断裂、X11内花键断裂的发生概率相对较高，在设计、选材、制造上应该重点关注。表4为故障树T2部分底事件的关键重要度水平。

表4是按照故障树T2的各个底事件的重要度降序排列的，从表4可以看出，构成一阶最小割集的各个底事件的重要度水平比其他事件要高，尤其是电机。所以，在设计时应选择合适的电机、零部件型号，校核零部件强度，尽量降低故障发生概率。

表4 故障树T2部分底事件的关键重要度水平

2.4 分析结果

本研究采用的FTA分析是在FMEA分析的基础上进行的，故障树中所有底事件都是经FMEA筛选后的比较重要的零部件故障模式。运用所建立的故障树和找到的最小割集，从系统角度出发，分析设计的薄弱环节，提出改进和补偿措施，如表5所示。

表5 结论

3 结语

本研究采用故障树分析与FMEA相结合的方式，对溶解器进行可靠性分析。通过FMEA对溶解器进行定性分析，确定溶解器的潜在故障模式及其危险等级。在FMEA分析的基础上进行FTA分析，通过定量计算明确顶事件发生概率及重要度，最后从系统角度出发，分析设计的薄弱环节，并提出改进和补偿措施，以此来提高溶解器的可靠性。