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1、安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程第五章第五章 故障类型、影响及危险度分析故障类型、影响及危险度分析西安建筑科技大学安全研究所西安建筑科技大学安全研究所安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程内容提要内容提要概述概述FMECA的定义、目的和作用的定义、目的和作用FMECA的方法的方法FMECA的步骤的步骤故障类型和影响分析危险度分析应用案例应用案例2安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程概述概述元部件的故障对系统可造成重大影响元部件的故障对系统可造成重大影响灾难性的影响挑战者升空爆炸发动机液体燃料管垫圈不密封致命性的影响起落架上位锁打不开以往设计师依靠经验判断元
2、部件故障对系统的影响以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响依赖于人的知识和工作经验系统的、全面的和标准化的方法系统的、全面的和标准化的方法FMECA设计阶段发现对系统造成重大影响的元部件故障设计更改、可靠性补偿是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础3安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程基本概念及格式基本概念及格式故障：故障：指系统或元素在指系统或元素在运行过程运行过程中，因为中，因为性能低下性能低下而不能实现而不能实现预定的功能预定的功能的现象。的现象。故障类型故障类型指系统中相同的组成部分和元素所发生故指系统中相同的组成
3、部分和元素所发生故障的不同形式。障的不同形式。 故障类型是故障的表现形式，如起落架撑杆故障类型是故障的表现形式，如起落架撑杆断裂、收放不到位等。断裂、收放不到位等。一般可从五个方面来考虑：一般可从五个方面来考虑：运行过程中的故障；过运行过程中的故障；过早地启动；规定的时间内不能起动；规定的时间内早地启动；规定的时间内不能起动；规定的时间内不能停车；运行能力降级、超量或受阻不能停车；运行能力降级、超量或受阻。危险度：危险度：危险度分析是对系统中组成部分和元素的危险度分析是对系统中组成部分和元素的不同故障类型不同故障类型危险程度危险程度（危险度）的分析。（危险度）的分析。4安全系统工程安全系统工程
4、安全系统工程安全系统工程典型故障类型典型故障类型GJB1391故障类型、影响及危险度分析序号序号故障故障类型型序序故障故障类型型序号序号故障故障类型型1 1结构破构破损1212超出允超出允许下限下限2323滞后运行滞后运行2 2机械性卡住机械性卡住1313间断运行断运行2424输入量入量过大大3 3振振动1414运行不运行不稳定定2525输入量入量过小小4 4不能保持在制定位置上不能保持在制定位置上1515意外运行意外运行2626输出量出量过大大5 5不能开启不能开启1616错误指示指示2727输出量出量过小小6 6不能关不能关闭1717流流动不不畅2828无无输入入7 7误开开1818假运行
5、假运行2929无无输出出8 8误关关1919不能开机不能开机3030电短路短路9 9内部漏泄内部漏泄2020不能关机不能关机3131电开路开路1010外部漏泄外部漏泄2121不能切不能切换3232漏漏电1111超出允超出允许上限上限2222提前运行提前运行3333其他其他5安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程机械产品典型故障类型机械产品典型故障类型 故障类型可分为以下七大类：故障类型可分为以下七大类：损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。 退化型：如老化、腐蚀、磨损等。松脱性：松动、脱焊等失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等。 堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等。 功能型
6、：如性能不稳定、性能下降、功能不正常。其他：润滑不良等。6安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程基本概念及格式基本概念及格式故障原因故障原因（Failure Cause）是指导致系统、元件等形成故障）是指导致系统、元件等形成故障类型的过程与机理，造成系统、元件发生故障的原因。类型的过程与机理，造成系统、元件发生故障的原因。常见的故障原因有：常见的故障原因有：p设计上的缺陷：由于设计采取的原则、技术路线等不当，带设计上的缺陷：由于设计采取的原则、技术路线等不当，带来先天性的缺陷，或由于图纸不完善或由错误来先天性的缺陷，或由于图纸不完善或由错误p制造上的缺陷：加工方法不当或组装方面的失误
7、制造上的缺陷：加工方法不当或组装方面的失误p质量管理方面的缺陷：检查不够或失误以及工程管理不当等质量管理方面的缺陷：检查不够或失误以及工程管理不当等p使用上的缺陷：误操作或未按设计规定条件操作使用上的缺陷：误操作或未按设计规定条件操作p维修方面的缺陷：维修操作失误或检修程序不当等维修方面的缺陷：维修操作失误或检修程序不当等故障结果故障结果（Failure Effect）：元件、组件的故障类型对元件、）：元件、组件的故障类型对元件、组件本身及系统操作、功能或状态产生的后果。组件本身及系统操作、功能或状态产生的后果。7安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程基本概念及格式基本概念及格式故障
8、等级故障等级：是衡量故障对系统任务、人员和财务安是衡量故障对系统任务、人员和财务安全造成影响的全造成影响的尺度尺度。故障等级评定从以下几个方面考虑：故障等级评定从以下几个方面考虑：故障影响大小故障影响大小对系统造成影响的范围对系统造成影响的范围故障发生的频率故障发生的频率防止故障的难易防止故障的难易是否需要重新设计是否需要重新设计8安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程FMECA的概念的概念FMECA的定义的定义故障类型和影响、危险度分析故障类型和影响、危险度分析(Failure Mode ,Effects and Criticality analysis , 简记为FMECA)是分
9、析系统中每一产品所有可能产生的故障类型及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障类型的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。FMECA是一种自下而上的归纳分析方法；FMEA和CA。FMECA的目的的目的从产品设计（功能设计、硬件设计、软件设计）、生产（生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用）和使用发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。9安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程FMECA作用作用 保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障类型及其影响，保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障类型及其影响，进而采取相应的措施。进而
10、采取相应的措施。为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。性依据。为可靠性（为可靠性（R）、维修性（）、维修性（M）、安全性（）、安全性（S）、测试性）、测试性（T）和保障性（）和保障性（S）工作提供一种定性依据。）工作提供一种定性依据。为制定试验大纲提供定性信息。为制定试验大纲提供定性信息。为确定更换有寿件、元器件清单提供使用可靠性设计的定性为确定更换有寿件、元器件清单提供使用可靠性设计的定性信息。信息。为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。息。可及早发
11、现设计、工艺中的各种缺陷。可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。 10安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程FMECAFMECA的步骤的步骤11安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程FMEA概括图概括图 FMEA过程过程评估设计评估设计辨识潜在的故障辨识潜在的故障类型类型评估已识别每个评估已识别每个故障类型的影响故障类型的影响建立文件建立文件 输入信息输入信息设计知识设计知识关于故障的关于故障的知识知识故障类型故障类型故障率故障率 输出信息输出信息故障类型故障类型结果结果可靠性预测可靠性预测危险与风险危险与风险危险度清单危险度清单12安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统
12、工程明确系统的情况和目的明确系统的情况和目的确定分析的层次确定分析的层次建立故障类型清单建立故障类型清单绘制功能框图和可靠性框图绘制功能框图和可靠性框图分析故障类型和影响分析故障类型和影响评定故障等级评定故障等级研究故障检测方法研究故障检测方法提出预防措施提出预防措施填写填写FMEA表表FMEA分析步骤分析步骤13安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法1）直接判断法。这种方法是根据故障类型对系统功能、人员及财产损失影响的严重程度来划分的。其划分原则如表。级别级别 危害程度危害程度危害后果危害后果一
13、级一级 可忽略可忽略 不会造成人员伤害和系统损坏不会造成人员伤害和系统损坏二级二级临界的临界的 可能会造成人员伤害和系统损坏，但可排除可能会造成人员伤害和系统损坏，但可排除和控制和控制 三级三级危险的危险的 会造成人员伤害和系统损坏，需立即采取控会造成人员伤害和系统损坏，需立即采取控制措施制措施四级四级破坏性的破坏性的的的 会造成人员伤害和系统严重损坏，必须设法会造成人员伤害和系统严重损坏，必须设法消除消除14安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法2)风险矩阵法是综合考虑故障发生的可能性和发生后引
14、起后果严重度两个方面的因素来确定故障的等级。这种划分标准称风险率。其方法是将故障概率和严重度都分为四个等级，划分原则如下：A.严重度：是指故障类型对系统功能的影响程度，分级如下表严重度等级严重度等级 内容内容 严重度等级严重度等级 内容内容 低的低的 对系统任务无影响对系统任务无影响对对子子系系统统造造成成的的影影响响可可忽忽略不计略不计通过调整故障易于消除通过调整故障易于消除 关键的关键的 系统的功能有所下降系统的功能有所下降子系统功能严重下降子系统功能严重下降出现的故障不能立即通过出现的故障不能立即通过检修予以修复检修予以修复 主要的主要的 对对系系统统的的任任务务虽虽有有影影响响但但可忽
15、略可忽略导致子系统的功能下降导致子系统的功能下降出现的故障能够立即修复出现的故障能够立即修复 灾难的灾难的 系统功能严重下降系统功能严重下降子系统功能全部丧失子系统功能全部丧失出现的故障需经彻底修理出现的故障需经彻底修理才能消除才能消除 15安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法B.B.故故障障概概率率：一一般般按按统统计计时时间间内内的的实实际际故故障障次次数数除除以以统统计计区区间内实际工作小时数进行计算。间内实际工作小时数进行计算。级别级别故障出现可能性故障出现可能性故障概率故障概率级别级别
16、故障出现可能性故障出现可能性故障概率故障概率A非常容易发生非常容易发生10-1D不容易发生不容易发生10-4B容易发生容易发生10-2E难以发生难以发生10-5C较容易发生较容易发生10-3F极难发生极难发生10-616安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程风险率矩阵图故障概率1 2341 234严重度故障类型等级的划分方法17安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障概率和严重度等级确定后，以故障概率为纵坐标，严重度为横坐标，画出风险矩阵图。沿矩阵原点到右上角画一条对角线，以对角线为轴线，轴线两边是对称的。如果知道了某一故障类型的概率和严重度等级，将其填入矩阵图中，就可以
17、确定故障类型风险率或等级大小。处在右上角方块内的故障类型风险率最大，这是因为该故障类型发生的概率高且后果严重。依次左移，风险率逐渐降低，因为故障类型发生的概率虽然高，但造成的后果的严重度却逐渐降低；同样从右上方依次下移，风险率也逐渐降低，虽然故障类型造成的后果严重，但因为发生的概率很少，综合两方面因素风险率也就降低了。故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法故障类型等级的划分方法18安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程FMEA应用举例应用举例电机运行系统故障类型和影响分析电机运行系统故障类型和影响分析一电机运行系统如图所示，该系统是一种短时运行系统，如一电
18、机运行系统如图所示，该系统是一种短时运行系统，如果运行时间过长则可能引起电线过热或者电机过热、短路。果运行时间过长则可能引起电线过热或者电机过热、短路。对系统中主要元素进行故障类型及影响分析。对系统中主要元素进行故障类型及影响分析。电机运行系统示意图电机运行系统示意图19安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程电机运行系统故障类型和影响分析电机运行系统故障类型和影响分析元素元素故障类型故障类型可能的原因可能的原因对系统的影响对系统的影响按钮按钮卡住卡住机械故障机械故障电机不转电机不转接点断不开接点断不开机械故障机械故障人员没放开按钮人员没放开按钮电机运转时间过长电机运转时间过长短路会烧
19、毁保险丝短路会烧毁保险丝继电器继电器接点不闭合接点不闭合机械故障机械故障电机不转电机不转接点不断开接点不断开机械故障机械故障经过接点电流过大经过接点电流过大电机运转时间过长电机运转时间过长短路会烧毁保险丝短路会烧毁保险丝保险丝保险丝不熔断不熔断质量问题质量问题保险丝过粗保险丝过粗短路是不能断开短路短路是不能断开短路电机电机不转不转质量问题质量问题按钮卡住按钮卡住继电器接点不闭合继电器接点不闭合丧失系统功能丧失系统功能短路短路质量问题质量问题运转时间不长运转时间不长电路电流过大，烧毁保险电路电流过大，烧毁保险丝，使继电器接点粘连丝，使继电器接点粘连20安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统
20、工程空气压缩机储罐的故障类型和影响分析空气压缩机储罐的故障类型和影响分析空气压缩机的储罐属于压力容器，其功能是储存空气压缩机产生的压缩空气压缩机的储罐属于压力容器，其功能是储存空气压缩机产生的压缩空气。这里仅考虑储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响。空气。这里仅考虑储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响。故障类型故障类型故障的影响故障的影响故障原因故障原因故障的识别故障的识别校正措施校正措施轻微漏气轻微漏气能耗增加能耗增加接口不严接口不严漏气噪声，空压机频漏气噪声，空压机频繁打压繁打压加强维修保养加强维修保养严重漏气严重漏气压力迅速下降压力迅速下降焊接裂隙焊接裂隙压力表读数下降，
21、巡压力表读数下降，巡回检查回检查停机修理停机修理破裂破裂压力迅速下降、压力迅速下降、损伤人员设备损伤人员设备材料缺陷、材料缺陷、受冲击等受冲击等压力表读数下降，巡压力表读数下降，巡回检查回检查停机修理停机修理储气罐的故障类型和影响分析储气罐的故障类型和影响分析21安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程危险度分析危险度分析危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险度。一般采用危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险度。一般采用概率概率严严重度重度来评价故障类型的危险度。来评价故障类型的危险度。22安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程起重机的故障类型和影响、危险度分析（部分
22、）起重机的故障类型和影响、危险度分析（部分）项目项目构成元素构成元素故障模式故障模式故障影响故障影响危险危险程度程度故障发故障发生概率生概率检查方法检查方法校正措施校正措施注意事项注意事项防止防止过卷过卷装置装置电气零件电气零件机械部分机械部分安装螺栓安装螺栓动作不可靠动作不可靠变形、生锈变形、生锈松动松动误动作误动作破损破损误、欠动作误、欠动作大大中中小小10-210-410-3通电检查通电检查观察观察观察观察立即修理立即修理警惕警惕立即修理立即修理钢丝钢丝绳绳绳绳钢丝钢丝变形、扭结变形、扭结15%切断切断切断切断切断切断中中大大10-410-1观察观察观察观察立即更换立即更换立即更换立即更
23、换注：危险程度注：危险程度 大（危险）大（危险） 中（临界）中（临界） 小（安全）小（安全） 校正措施校正措施 立即停止作业立即停止作业 看准机会修理看准机会修理 注意注意 发生概率发生概率 非常容易发生非常容易发生 110-1 容易发生容易发生 110-2 偶尔发生偶尔发生 110-3 不常发生不常发生 110-4 几乎不发生几乎不发生 110-5 很难发生很难发生 110-623安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题强调强调“谁设计、谁分析谁设计、谁分析”的原则的原则“谁设计、谁分析”的原则，也就是产品设计人员应负责完成该产品的FMECA
24、工作，可靠性专业人员应提供分析必须的技术支持。实践表明，FMECA工作是设计工作的一部分。“谁设计、谁分析”、及时改进是进行FMECA的宗旨，是确保FMECA有效性的基础，也是国内外开展FMECA工作经验的结晶。如果不由产品设计者实施FMECA，必然造成分析与设计的分离，也就背离了FMECA的初衷。24安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题重视重视FMECA的策划的策划实施FMECA前，应对所需进行的FMECA活动进行完整、全面、系统地策划，尤其是对复杂大系统，更应强调FMECA的重要性。其必要性体现在以下几方面：结合产品研制工作，运用并行工
25、程的原理，对所需的FMECA进行完整、全面、系统地策划，将有助于保证FMECA分析的目的性、有效性，以确保FMECA工作与研制工作同步协调，避免事后补做的现象。对复杂大系统，总体级的FMECA往往需要低层次的分析结果作为输入，对相关分析活动的策划将有助于确保高层次产品FMECA的实施。FMECA计划阶段事先规定的基本前提、假设、分析方法和数据，将有助于在不同产品等级和承制方之间交流和共享，确保分析结果的一致性、有效性和可比性。25安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题保证保证FMECA的实时性、规范性、有效性的实时性、规范性、有效性实时性。F
26、MECA工作应纳入研制工作计划、做到目的明确、管理务实；FMECA工作与设计工作应同步进行，将FMECA结果及时反馈给设计过程。规范性。分析工作应严格执行FMECA计划、有关标准/文件的要求。分析中应明确某些关键概念，比如：故障检测方法是系统运行或维修时发现故障的方法；严酷度是对故障模式最终影响严重程度的度量，危害度是对故障模式后果严重程度的发生可能性的综合度量，两者是不同的概念，不能混淆。有效性。对分析提出的改进、补偿措施的实现予以跟踪和分析，以验证其有效性。这种过程也是积累FMECA工程经验的过程。26安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程实施实施FMECA应注意的问题应注意的问
27、题FMECA的剪裁和评审的剪裁和评审FMECA作为常用的分析工具，可为可靠性、安全性、维修性、测试性和保障性等工作提供信息，不同的应用目的可能得到不同的分析结果。各单位可根据具体的产品特点和任务对FMECA的分析步骤、内容进行补充，剪裁，并在相应文件中予以明确。27安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题FMECA的数据的数据故障类型是FMECA的基础。能否获得故障类型的相关信息是决定FMECA工作有效性的关键。若进行定量分析时还需故障的具体数据，这些数据除通过试验获得外，一般是需要通过相似产品的历史数据进行统计分析。有计划有目的地注意收集、整
28、理有关产品的故障信息，并逐步建立和完善故障类型及频数比的相关故障信息库，这是开展有效的FMECA工作的基本保障之一。FMECA应与其他分析方法相结合应与其他分析方法相结合FMECA虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能。它不能代替其他可靠性分析工作。应注意FMECA一般是静态的、单一因素的分析方法。在动态方面还很不完善，若对系统实施全面分析还需与其他分析方法（如FTA、ETA等）相结合。28安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程故障检测方法故障检测方法故障检测方法一般包括故障检测方法一般包括目视检查目视检查、离机检测离机检测、原位测试原位测试等手等手段：段：自动传感装置传感仪器音响报警
29、装置显示报警装置故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测方法。模式，应尽可能设计事前检测方法。29安全系统工程安全系统工程安全系统工程安全系统工程补偿措施补偿措施设计补偿措施设计补偿措施产品发生故障时，能继续安全工作的冗余设备安全或保险装置(如监控及报警装置)可替换的工作方式(如备用或辅助设备)可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进(如概率设计、计算机模拟仿真分析和工艺改进等)操作人员补偿措施操作人员补偿措施特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施30
