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如何运用FTA进行定性/定量的失效分析?

嘉峪检测网        2024-01-19 08:54

问:如何运用FTA进行定性/定量的失效分析?
 
答:FTA是故障树分析法,是从上至下,针对不良事件原因的风险分析方法、考虑多点故障,定性/定量的一种演绎的分析方法,并通过故障逻辑关系分析,找出导致故障发生的关键路径,采取改进措施或控制方法。
 
1、什么是FTA故障树分析?
 
故障树分析是对既定的产品系统或生产系统可能出现的事故条件及可能导致的故障后果,按产品结构、工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图,表示导致故障、伤害事故的各种因素间的逻辑关系。它由输入符号或关系符号组成,用以分析系统的安全问题或系统的运行功能问题,为判明故障、伤害的发生途径及事故因素之间的关系,故障树分析法提供了一种最形象、最简洁的表达形式。
 
故障树分析的基本程序如下:
 
(1)熟悉系统:要详细了解系统状态及各种参数,绘出工艺流程图或布置图。
 
(2)调查事故:收集故障案例,进行事故统计,设想给定系统可能发生的事故。
 
(3)确定顶上事件:要分析的对象即为顶上事件。对所调查的事故进行全面分析,从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。
 
(4)确定目标值:根据经验教训和事故案例,经统计分析后,求解事故发生的概率(频率),以此作为要控制的事故目标值。
 
(5)调查原因事件:调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。
 
(6)画出故障树:从顶上事件起,逐级找出直接原因的事件,直至所要分析的深度,按其逻辑关系,画出故障树。
 
(7)分析:按故障树结构进行简化,确定各基本事件的结构重要度。
 
(8)事故发生概率:确定所有事故发生概率,标在故障树上,并进而求出顶上事件(事故)的发生概率。
 
(9)比较:比较分可维修系统和不可维修系统进行讨论,前者要进行对比,后者求出顶上事件发生概率即可。
 
(10)分析:原则上是上述10个步骤,在分析时可视具体问题灵活掌握,如果故障树规模很大,可借助计算机进行。目前我国FTA一般都考虑到第7步进行定性分析为止,也能取得较好效果。
 
本节本文中重点分析运用布尔代数计算最小割集,然后确定基本事件的结构重要度。
 
 
FTA的符号及其运算,FTA使用布尔逻辑门(如“与”、“或”)形成系统的故障树逻辑模型,来描述设备故障和人为失误,是如何组合导致顶上事件的。通过分析一个较大的工艺过程可得到故障树模型,
 
实际的模型数目取决于危险分析人员选定的顶上事件数,一个顶上事件对应着一个故障树模型。故障树分析人员对每个故障树逻辑模型求解,产生故障序列,其称为最小割集,由此可导出顶上事件。这些最小割集序列可以通过每个割集中的故障数目和类型,定性地排序。
 
一般而言,含有较少故障数目的割集比含有较多故障数目的割集更可能导致顶上事件。最小割集序列揭示了系统设计、操作缺陷;对此,分析人员应提出可能提高过程安全性的途径。使用FTA需要熟练掌握装置或系统的功能、工艺图和操作程序以及各种故障模式和其结果,训练有素和富有经验的分析人员是有效和高质量运用FTA的保证。布尔代数与主要运算法则,在故障树分析中常用逻辑运算符号(·)、(+)将各个事件连接起来,这连接式称为布尔代数表达式。
 
在求最小割集时,要用布尔代数运算法则,化简代数式。
 
 
故障树的数学表达式,为了进行故障树定性、定量分析,需要建立数学模型,写出它的数学表达式。
 
把顶上事件用布尔代数表现,并自上而下展开,就可得到布尔表达式。
 
 
未经化简的故障树,其结构函数表达式为:
 
T=A1+A2
 
=A1+B1B2B3
 
=X1X2+(X3+X4)(X3+X5)(X4+X5)
 
 =X1X2+X3X3X4+X3X4X4+X3X4X5+X4X4X5+X4X5X5+X3X3X5+X3X5X5+X3X4X5(4)
 
最小割集的概念和求法。
 
①最小割集的概念,能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合(通常把满足某些条件或具有某种共同性质的事物的全体称为集合,属于这个集合的每个事物叫元素)。称为最小割集。换言之:如果割集中任一基本事件不发生,顶上事件绝不会发生。一般割集不具备这个性质。
 
例如本故障树中{Xl,X2}是最小割集,{X3,X4,X3}是割集,但不是最小割集。
 
②最小割集的求法。
 
利用布尔代数化简法,将上式归并、化简T=X1X2+X3X3X4+X3X4X4+X3X4X5+X4X4X5+X4X5X5+X3X3X5+X3X5X5+X3X4X5=X1X2+X3X4+X3X4X5+X4X5+X3X5+X3X4X5=X1X2+X3X4+X4X5+X3X5
 
得到4个最小割集{X1,X2}、{X3,X4}、{X4,X5}、{X3,X5}。
 
最小割集的作用,最小割集表明系统的危险性,每个最小割集都是顶上事件发生的一种可能渠道。
 
最小割集的数目越多,系统越危险。
 
现分析如下:
 
①表示顶上事件发生的原因。
 
事故发生必然是某个最小割集中几个事件同时存在的结果。
 
求出故障树全部最小割集,就可掌握事故发生的各种可能,对掌握事故的规律,查明事故的原因大有帮助。
 
②—个最小割集代表一种事故模式。
 
根据最小割集,可以发现系统中最薄弱的环节,直观判断出哪种模式最危险,哪些次之,以及如何采取预防措施。
 
③可以用最小割集判断基本事件的结构重要度,计算顶上事件概率。
 
结构重要度分析:
 
结构重要度分析是分析基本事件对顶上事件的影响程度,为改进系统安全性提供信息的重要手段,故障树中各基本事件对顶上事件影响程度不同。
 
从故障树结构上分析,各基本事件的重要度(不考虑各基本事件的发生概率)或假定各基本事件发生概率相等,
 
分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度,叫结构重要度。
 
结构重要度判断方法有:
 
①改变基本事件状态值,求结构重要度系数。
 
②利用最小割集分析判断方法,
 
判断结构重要度有以下几个原则:
 
一阶(单事件)最小割集中的基本事件结构重要度大于所有高阶最小割集中基本事件的结构重要系数。如在{Xl}、{X2,X3}、{X2,X4,X5}中,I(1)最大。仅在同一最小割集中出现的所有基本事件,结构重要系数相等(在其他割集中不再出现)。
 
如在{Xl,X2}、{X3,X4,X5}、{X6,X7,X8,X9}中,I(1)=I(2);I(3)=I(4)=I(5);I(6)=I(7)=I(8)=I(9),
 
几个最小割集均不含共同元素,则低阶最小割集中基本事件重要系数大于高阶割集中基本事件重要系数。
 
阶数相同,重要系数相同。
 
如上例中{X1,X2}、{X3,X4,X5}、{X6,X7,X8,X9}中,I(1)>I(3)>I(6)。在{X1,X2,X3}、{X4,X5,X6}中,I(1)=I(4)比较两基本事件,若与之相关的割集阶数相同,则两事件结构重要系数大小由他们出现的次数决定,出现次数大的系数大。
 
相比较的两事件仅出现在基本事件个数不等的若干最小割集中。
 
若它们重复在各最小割集中出现次数相等,则在少事件最小割集中出现的基本事件结构重要系数大。
 
如在{X1,X3}、{X2,X3,X5}、{X1,X4}、{X2,X4,X5}中,X1出现两次,X2也出现两次,在最小割集中出现的次数相等,少事件的最小割集重要系数更高。
 
所以I(1)>I(2),所以,FTA是故障树分析法,是从上至下,针对不良事件原因的风险分析方法、考虑多点故障,定性/定量的一种演绎的分析方法,并通过故障逻辑关系分析,求出最小割集及顶事件发生的概率,找出导致故障发生的关键路径,采取改进措施或控制方法。
 
 

 
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来源:质量大鲜