起重機故障模式及影響分析★

霍貴龍， 王 震， 胡敦忠

（1.太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030000；2.華能山東石島灣核電有限公司， 山東 威海 264200）

引言

起重機是乏燃料貯存系統中的乏燃料貯罐運輸設備，其功能是按指令要求將起重機上屏蔽罩內的乏燃料貯罐，運送到指定的位置。

故障模式及影響分析（FMEA）起源于美國，最早被應用于格魯門飛機主操作系統的研制中，后來逐漸拓展應用到艦船等其他類軍用裝備。國內在20 世紀80 年代逐步接受FMEA 分析的觀念和方法，并于1985 年制定了我國的第一部FMEA 分析標準《系統可靠性分析技術失效模式與效應分析（FMEA）》。

FMEA 分析在我國主要應用于航空航天及軍工領域，目前逐漸向其他民用工業領域推廣。

1 起重機結構組成與功能分析

1.1 結構組成

起重機三維模型圖如圖1 所示。起重機主要設備部件包括：橋架、大車運行機構、貯罐起升機構、貯罐吊具、井蓋起升機構、井蓋吊具、底板對開機構、屏蔽條裝置、小車運行機構、屏蔽罩、小車架、附屬裝置等及所屬電氣控制系統。具體介紹如下：

圖1 起重機三維模型圖

1）起重機橋架由兩根主梁和端梁組成，主梁與端梁通過高強度螺栓連接。在大車運行機構中設置安全限位裝置、緩沖器、防偏斜裝置以及抱軌裝置等安全措施。小車運行機構僅限于操作時調整和控制起重機上屏蔽罩中心的位置，采用兩組滾輪裝置，使小車可沿著順橋架方向敷設的軌道移動，一側軌道上的兩組滾輪運行裝置各帶一組水平導向輪和防傾覆抱軌裝置。

2）屏蔽罩主要設備部件包括屏蔽罩成套設備（屏蔽罩筒體與頂蓋、對開式活動底板、風機、蝶閥、吊罐起升機構、貯罐吊具等、井蓋起升機構以及屏蔽條裝置等）。

3）起重機上所裝設備的主要電氣及控制設備包括電動機、電控箱、接線箱、電源箱、控制柜、編碼器、驅動裝置、攝像裝置、現場按鈕控制盒、電纜、限位開關和傳感器等。

1.2 功能分析

起重機的主要功能如下：抓取井蓋；井蓋Z 向移動；井蓋、貯罐、屏蔽條X 向移動；井蓋、貯罐、屏蔽條Y 向移動；釋放井蓋；抓取貯罐；貯罐Z 向移動；釋放貯罐；屏蔽條Z 向移動；底板Y 向移動；排出余熱；輻射防護；承載。

2 起重機故障模式分析

2.1 FMEA 分析說明

針對起重機系統進行FMEA 分析[1]時，為保證報告的一致性，在具體分析中做如下約定：

1）在分析設備/部件的故障影響時，根據FMEA方法分為局部影響、高一層次影響和最終影響三個等級。其中在此定義，局部影響指故障模式對設備/部件自身功能的影響；高一層次影響指故障模式對起重機運行產生的影響；最終影響指故障模式可能對反應堆停堆及操作間放射性危害的影響；影響描述中同時闡述造成這種影響的條件。

2）在進行FMEA 分析時，根據關注的問題，將最終后果分為兩大類，即“反應堆停堆”和“放射性后果”。對于“反應堆停堆”主要是指設備/部件發生故障后需要立刻維修并可能無法在短時間（24 h）內完成維修，從而導致反應堆需要停堆等待的情況；“放射性后果”指設備/部件故障后可能會造成乏燃料操作間的放射性釋放，從而導致后續維修過程中對人員放射性劑量的影響。

3）根據設計，起重機系統中存在大量的支架、軌道等設施，由于在設計和制造中考慮了足夠的余量及保守性，且由于這類非能動部件失效的概率極低，因此在FMEA 分析中重點關注系統中的能動部件，同時針對部分重要的非能動部件進行分析。

2.2 FMEA 分析方法

嚴重度（S）——后果嚴重性評估：嚴重度是與所給的失效模式的最嚴重后果相符的一個值。嚴重度是在單獨FMEA 的范圍內的相對排序。嚴重度具體分級從無影響到無警告的嚴重危害為嚴重度數賦值1～10。

頻度（O）——失效模式出現可能性大小評估：在設計壽命內，由于該原因/機理而產生的失效模式出現的可能性。頻度發生率可能性的排序值比絕對值更有意義。應使用一致的頻度排序體系以確保連貫性。頻度值是在FMEA 范圍內的相對排序，不能反映發生的實際可能性。頻度從失效發生的可能性極低到很高為頻度數賦值1～10。

探測度（D）——失效控制方法有效性的評估：探測度是對在現有設計控制探測欄中列出的最好的探測控制的對應等級。現有設計控制探測度的建議方法是假設失效已經發生，然后評價現有設計控制探測失效模式的能力。探測度是在單獨的FMEA范圍內相對的排序。探測度從探測性幾乎肯定到絕對不肯定賦值1～10。

關鍵故障模式風險順序數（RPN）[2]等于以上三項數值的乘積，即RPN=SOD。

將RPN 劃分為3 個等級：紅線——RPN＞125（相當于5×5×5），風險嚴重；黃線——RPN＞64（相當于4×4×4），風險較大；綠線——RPN＞27（相當于3×3×3），風險較小；綠線以下——RPN≤27，風險極小。

2.3 起重機故障模式分析

表1 列出一部分較為關鍵的故障分析結果。

表1 起重機FMEA 分析表

起重機RPN 排序匯總見下頁表2。

表2 起重機RPN 排序匯總表

可以看出，所有故障模式中：風險極小故障模式138 個，占比91.4%；風險較小故障模式13 個，占比8.6%；無風險較大以上的故障模式。

3 修復手段及預防措施

FMEA 分析過程中發現，針對比較重要的部件，設計過程、生產、使用過程中均采取了有效的控制措施保證零部件的可靠性，這些措施在其他類似產品研制、生產使用中被證明是有效的，歸納如下：

1）主要鋼結構采用經過驗證的焊接工藝，并在焊接完成后開展無損檢測，檢查焊接質量保證焊接可靠性。

2）對于密封圈、緩沖器等橡膠件，根據使用強度，定期更換維護，保證相應功能完好。

3）針對運動部件，定期采取潤滑、使用前保養等措施，延緩部件的磨損，提高部件可靠性。

4）在電氣設計方面，控制回路及動力回路設計采用冗余方式。電氣系統中的冗余控制，令高風險機構可以直接切換或屏蔽故障，檢測元器件在緊急情況也可進行遠程屏蔽處理，保證設備基本運行狀態。

5）對于電氣設備元器件，定期檢查，注意報警提示設備，更換老化部件，保證性能完好。

6）對電氣故障報警機制及處理措施進行了改進和完善。在起重機控制界面中完成故障分析及報警軟件設計，在故障報警的同時給出分析和解決故障的幫助信息及鏈接處理手冊，大大縮短處理故障所需要的時間及人員，將風險降至最低。

4 結語

本文通過采用FMEA 分析方法針對起重機進行故障模式及影響分析，搞清楚了該起重機的故障模式、影響程度及后果，并給出了修復手段及預防措施。本文的研究工作對于起重機日常維護及安全運行有著重要的借鑒價值。