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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(yè)的重要組成部分。發(fā)展核能對(duì)于滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不斷增長的能源需求，保障能源供應(yīng)與安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，提升我國綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力、工業(yè)技術(shù)水平，都具有重要意義。
近年來國家積極發(fā)展核電產(chǎn)業(yè)。核電質(zhì)量要求萬無一失，其核心是產(chǎn)品安全。核電行業(yè)無論是設(shè)備的生產(chǎn)制造、核電廠的安全運(yùn)行等，都有非常高的質(zhì)量安全控制要求。核電整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量、安全責(zé)任重于泰山。保證核電安全，不僅要有先進(jìn)的技術(shù)也需要有科學(xué)有效的質(zhì)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(yè)中的有效應(yīng)用。
1 研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
FMEA即故障模式及影響分析[1]，是工程應(yīng)用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過程中分析各種潛在的故障對(duì)其可靠性的影響，用以提高產(chǎn)品可靠性的一門分析技術(shù)，它以產(chǎn)品的元件、零件或系統(tǒng)為分析對(duì)象，通過人員的邏輯思維分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)元件或零件生產(chǎn)裝配中可能發(fā)生的問題及潛在的故障，研究問題及故障的原因，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響的嚴(yán)重程度，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。
FMEA技術(shù)是從工程實(shí)踐中總結(jié)出來的科學(xué)，是一項(xiàng)十分有效且易于掌握的分析技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于可靠性工程、安全性工程、維修性工程等領(lǐng)域[2]。
1.1 FMEA相關(guān)法規(guī)及導(dǎo)則
隨著FMEA技術(shù)的推廣和發(fā)展，各個(gè)國家、各個(gè)行業(yè)紛紛推出了FMEA要求和方法，并形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或手冊(cè)。
美國軍標(biāo)1974年頒布與艦船領(lǐng)域相關(guān)的FMEA標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1629，在1980年頒布FMEA標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1629A，該標(biāo)準(zhǔn)較詳盡，經(jīng)過若干次修改升級(jí)，美國與我國至今仍在使用。1988年美國頒布應(yīng)用于汽車生產(chǎn)和組裝過程的SAE-J-1739、1998年頒布應(yīng)用于電子元器件設(shè)計(jì)與裝配過程的EIA/JEP1311標(biāo)準(zhǔn)、2001年歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布ECSS-Q-30-02A，該標(biāo)準(zhǔn)包含了設(shè)計(jì)FMEA和過程FMEA[3]。
到20世紀(jì)80年代初期，我國陸續(xù)頒發(fā)了一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指令性文件。例如，在1985年6月，由國家標(biāo)準(zhǔn)局頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)GJB7826-87《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和效應(yīng)分析》，該標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于電子、機(jī)械、軟件等產(chǎn)品中；1989年12月，原航空工業(yè)部發(fā)布了航空標(biāo)準(zhǔn)HB6359-89《失效模式、影響及危害性分析程序》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用階段。在1992年頒發(fā)了GJB1391《故障模式影響及危害性分析程序》。同時(shí)FMEA是GJB450《裝備研制與生產(chǎn)的通用大綱》、QJ1408《航天器與導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性大綱》等規(guī)定的主要工作項(xiàng)目。相關(guān)聯(lián)的規(guī)則還包括GB/T 9225-1999核電廠安全系統(tǒng)可靠性分析的一般原則等。
1.2 相關(guān)的研究與應(yīng)用
中核建中核燃料元件有限公司的謝凌云等，針對(duì)核元件產(chǎn)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(yán)酷度評(píng)分，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際制定了故障發(fā)生概率和被檢測難度評(píng)分，使FMEA分析具有可操作性。通過對(duì)燃料棒的制造過程進(jìn)行FMEA分析，提前發(fā)現(xiàn)制造中的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地采取質(zhì)量控制手段，確保產(chǎn)品制造質(zhì)量，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品堆內(nèi)運(yùn)行的安全性。蘇州熱工研究院有限公司的劉志凌等，針對(duì)核安全設(shè)備設(shè)計(jì)以及制造過程，采用FMEA方法，有助于推進(jìn)核安全設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造國產(chǎn)化質(zhì)量管理水平的提高[4]。北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司的莫昌瑜等，在FMEA基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的失效模式、影響及診斷分析對(duì)核電廠數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)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(jié)論，又能結(jié)合診斷特性提供定量失效分析結(jié)果。針對(duì)較復(fù)雜系統(tǒng)的FMEA有效性下降的問題，提出系統(tǒng)級(jí)邊界FMEA方法，有助于改善對(duì)系統(tǒng)邊界敏感的可靠性分析[5]。李靜霞、于勁松針對(duì)目前核電站安全級(jí)DCS缺陷危害性分級(jí)方法缺失的現(xiàn)狀，利用FMEA技術(shù)對(duì)核電站安全級(jí)DCS進(jìn)行分析，從功能可靠性的角度識(shí)別出所有可能的失效模式，確定引發(fā)失效的故障原因及影響程度等信息[6]?？梢钥闯?，利用FMEA方法分析核電硬件設(shè)備，目前已經(jīng)開展了較多工作。利用FMEA方法分析核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)，工程師們開始了一些初步嘗試。分析過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何開展軟件FMEA。
2 FMEA的基本思想
FMEA是一項(xiàng)自下向上的故障分析技術(shù)，例如針對(duì)某個(gè)工業(yè)系統(tǒng)開展FMEA分析。目標(biāo)系統(tǒng)由各種各樣的零部件和元器件組成，每個(gè)零部件和元器件都有一個(gè)或多個(gè)故障模式，F(xiàn)MEA認(rèn)為，構(gòu)成系統(tǒng)的所有零部件和元器件都不發(fā)生故障則整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)是可靠的，保證零部件和元器件所含有的故障模式都不發(fā)生就能保證零部件和元器件不發(fā)生故障，從而保證系統(tǒng)的可靠性。對(duì)這些故障模式實(shí)施有重點(diǎn)、有針對(duì)性地控制，使它們的故障發(fā)生概率在可接受的范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)的可靠性。
3 FMEA方法的應(yīng)用價(jià)值
在諸多工業(yè)領(lǐng)域，F(xiàn)MEA方法均獲得了一定程度的普及，為保證產(chǎn)品的安全性發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)經(jīng)過長時(shí)間、多行業(yè)的發(fā)展與完善，已獲得了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，成為在系統(tǒng)的研制中必須完成的一項(xiàng)安全性分析工作。FMEA方法術(shù)己在工程實(shí)踐中形成了一套科學(xué)而完整的可靠性、安全性分析方法。
FMEA方法的主要用途和應(yīng)用價(jià)值包括以下幾個(gè)方面：建立可以實(shí)現(xiàn)故障可能性最小化的系統(tǒng)或過程需求；建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試方法，確保相應(yīng)的故障得以消除；評(píng)價(jià)需求以確保這些需求并不會(huì)造成潛在的故障；識(shí)別促成故障的某些設(shè)計(jì)特征，并最大程度地減小甚至消除相應(yīng)的影響；跟蹤和管理系統(tǒng)或過程之中的潛在風(fēng)險(xiǎn)；確保可能出現(xiàn)的任何故障不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)或過程從而造成嚴(yán)重的后果及損失。
4 核電項(xiàng)目實(shí)施FMEA的具體步驟及FMEA方法的應(yīng)用價(jià)值
（1）組建FMEA小組。實(shí)施設(shè)計(jì)FMEA 時(shí)有必要組建一個(gè)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)由具有多學(xué)科和多職能背景的個(gè)人組成。實(shí)際上，核電FMEA團(tuán)隊(duì)由如下人員組成：核電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總工程師、可靠性工程師、保護(hù)系統(tǒng)工程師、過程控制工程師、軟件工程師、硬件工程師等。另外，團(tuán)隊(duì)還涉及到其他各項(xiàng)目部門的工作人員，他們?cè)诒匾獣r(shí)積極參與支持工作，包括：質(zhì)量工程師、驗(yàn)證與確認(rèn)工程師、測試工程師等。
（2）列舉失效模式。列出分析對(duì)象可能發(fā)生的失效模式，即沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的意圖和要求功能所呈現(xiàn)的方式。潛在失效模式是通過分析預(yù)測有可能發(fā)生的，但并非必然發(fā)生的失效形式。
（3）確定風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的值。核電FMFA 分析中，每種故障模式的“破壞力”是通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)指標(biāo)來評(píng)估的，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)值大小，可以確定各個(gè)故障模式的重要度順序。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，簡稱RPN ）=發(fā)生度（Occurrence，簡稱O）評(píng)分×嚴(yán)重度（Severity，簡稱S）評(píng)分×難檢度（Detection，簡稱D）；RPN評(píng)分值的范圍：0≤RPN≤1000。
在計(jì)算RPN值之前，首先需要制定嚴(yán)重度S、發(fā)生度O、難檢度D的標(biāo)準(zhǔn)，通過制定FMEA嚴(yán)重度分級(jí)表、故障發(fā)生度分級(jí)表以及故障難檢度分級(jí)，反應(yīng)核電產(chǎn)品的特性。然后項(xiàng)目組評(píng)定每個(gè)失效的SOD值，最后確定每個(gè)失效模式的RPN值。
（4）開展FMEA后的改進(jìn)措施和分析結(jié)論。根據(jù)失效模式影響分析的結(jié)果，找出核電系統(tǒng)中的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，并制定和實(shí)施各種改進(jìn)與控制措施，以提高產(chǎn)品的可靠性。
5 FMEA方法存在的問題
FMEA標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的故障模式影響分析是一種以經(jīng)驗(yàn)為主的定性歸納法。系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，很難明確確定每一故障模式的故障影響；FMEA標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)元器件的每種故障模式都進(jìn)行分析，當(dāng)系統(tǒng)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(cuò)誤，且工作量大；FMEA標(biāo)準(zhǔn)要求，隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)深入細(xì)化，F(xiàn)MEA要反復(fù)進(jìn)行，這樣完全依賴手工，則要耗費(fèi)更多的時(shí)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(chǎn)生的因素只有一個(gè)，不能用來分析共因失效。在工業(yè)對(duì)象系統(tǒng)的模塊層及以上分層中，某一種失效模式的產(chǎn)生很可能由一種以上的因素以某種關(guān)系共同作用所致。所以FMEA對(duì)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(chǔ)，硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的失效模式和失效原因卻不是非常明確，難以準(zhǔn)確提取。例如在定量評(píng)估失效模式的發(fā)生概率時(shí)，主要是通過可用的行業(yè)失效率數(shù)據(jù)庫、相似產(chǎn)品或者元部件的失效數(shù)據(jù)、元部件壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)等來估計(jì)。國內(nèi)FMEA的失效相關(guān)數(shù)據(jù)庫不夠充分，并且這些數(shù)據(jù)大多數(shù)是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)得來的。在評(píng)估失效率時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)建立的預(yù)計(jì)模型其參數(shù)值是根據(jù)整個(gè)工業(yè)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(xiàng)目考慮進(jìn)去。這些模型的參數(shù)值還具有嚴(yán)重的滯后性。
隨著科技的發(fā)展和時(shí)間的推移，工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境日益復(fù)雜和嚴(yán)酷，原有的失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足不了產(chǎn)品應(yīng)對(duì)各種惡劣環(huán)境的要求。通過原有的這些數(shù)據(jù)來評(píng)估各失效模式的發(fā)生頻度，評(píng)估困難，容易造成錯(cuò)誤或者不夠準(zhǔn)確的問題。
（2）對(duì)FMEA的目標(biāo)系統(tǒng)，如何劃分層次，并確定不同模塊間的邏輯關(guān)系。每個(gè)層次具有明確的失效模式和邏輯關(guān)系，低層次的失效會(huì)產(chǎn)生局部的、高一層次直至系統(tǒng)的影響。對(duì)核電軟件FMEA，目標(biāo)系統(tǒng)層次劃分和模塊間邏輯關(guān)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(jīng)驗(yàn)，分析過程精確性低、客觀性差，且沒有效率。
（3）核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)中，軟件模塊之間的失效影響，如何準(zhǔn)確判斷。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)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(zhǔn)確判斷軟件模塊失效影響的公認(rèn)有效、可操作性好的方法。
（4）隨著系統(tǒng)的規(guī)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(dòng)化程度和效率。針對(duì)核電硬件設(shè)備的FMEA自動(dòng)化工具國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了許多，例如國際上，三個(gè)主流FMEA商業(yè)軟件：ReliaSoft的XFMEA標(biāo)準(zhǔn)版軟件、ASENT分析工具包、Relex Studio可靠性工程平臺(tái)。成熟的商業(yè)軟件是否能無縫對(duì)接核電設(shè)計(jì)的FMEA，并不是一個(gè)簡單的過程，是核電FMEA實(shí)踐環(huán)節(jié)必須重視的問題。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)級(jí)和詳細(xì)級(jí)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(xué)與核電工程技術(shù)的發(fā)展，核電站儀控系統(tǒng)日趨復(fù)雜化、數(shù)字化。隨著控制功能的強(qiáng)大、系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)與控制過程、控制對(duì)象數(shù)量的增加，對(duì)儀控系統(tǒng)的硬件設(shè)備、軟件可靠性要求越來越高。在實(shí)際使用中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備工藝、軟件使用等因素引起儀控系統(tǒng)設(shè)備的故障不斷發(fā)生。因而在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、退役等各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)儀控系統(tǒng)進(jìn)行有效地故障分析是十分必要的。核電行業(yè)應(yīng)用FMEA開展安全性與可靠性評(píng)估，特別是針對(duì)數(shù)字化儀控系統(tǒng)，開始得較晚。
6 結(jié)語
FMEA是一種在很多行業(yè)已經(jīng)普遍使用的可靠性分析方法，它是工程管理、提高質(zhì)量的必然環(huán)節(jié)。核電行業(yè)的特殊性與苛刻的安全要求，使得FMEA在核電行業(yè)中的應(yīng)用和實(shí)施成為必然。通過FMEA在核電行業(yè)的應(yīng)用評(píng)述，分析了目前FMEA方法存在的一系列問題，為后續(xù)不斷改進(jìn)提供了明確的方向。（基金資助：中核集團(tuán)核設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助；湖南省教育廳科學(xué)研究課題14C0972）
參考文獻(xiàn)：
[1] 周海翔. 田灣核電廠數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)故障模式與后果分析[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 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(yīng)用——以制造核電反應(yīng)堆關(guān)鍵部件為例[J]. 上海質(zhì)量, 2010, (9): 64 - 67.
[3] 史廷水. 電子系統(tǒng)的FMEA研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué), 2012.
[4] 李莉. FMEA在核電設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]. 中國科技縱橫, 2013,(1): 189 - 189.
[5] 薛妙軼. 系統(tǒng)級(jí)邊界FMEA的分析方法[J]. 質(zhì)量與可靠性, 2015, (1): 12 - 14.
[6] 李靜霞, 于勁松. 核電站安全級(jí)DCS缺陷危害性分級(jí)的研究與應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化博覽, 2015, (3): 64 - 67.
作者簡介：
劉華（1979-），男，湖南衡陽人，碩士，現(xiàn)任南華大學(xué)教師，主要從事控制理論、核電站安全方面的研究。
摘自《自動(dòng)化博覽》2015年9月刊
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)