FMEA在核电行业的应用评述

刘华（南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

陈柯，黄奇（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

FMEA在核电行业的应用评述

刘华（南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

陈柯，黄奇（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

核安全的严格要求使得可靠性分析方法FMEA开始在核电行业应用及推广。FMEA是一项自下向上的故障分析方法。通过介绍核电项目实施FMEA的具体步骤和应用价值，重点对核电行业的FMEA应用进行评述，分析了FMEA不足，并作为后续工作的改进反向。

故障模式与失效分析；可靠性分析方法；核电

核能已成为人类使用的重要能源之一，核电是电力工业的重要组成部分。发展核能对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求，保障能源供应与安全，保护环境，实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合经济实力、工业技术水平，都具有重要意义。

近年来国家积极发展核电产业。核电质量要求万无一失，其核心是产品安全。核电行业无论是设备的生产制造、核电厂的安全运行等，都有非常高的质量安全控制要求。核电整个产业链的质量、安全责任重于泰山。保证核电安全，不仅要有先进的技术也需要有科学有效的质量管理方法。FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）方法正是安全可靠性管理方法在核电行业中的有效应用。

1 研究和应用现状

FMEA即故障模式及影响分析[1]，是工程应用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在产品设计和加工过程中分析各种潜在的故障对其可靠性的影响，用以提高产品可靠性的一门分析技术，它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻辑思维分析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究问题及故障的原因，以及对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品质量和可靠性。

FMEA技术是从工程实践中总结出来的科学，是一项十分有效且易于掌握的分析技术。它广泛应用于可靠性工程、安全性工程、维修性工程等领域[2]。

1.1 FMEA相关法规及导则

随着FMEA技术的推广和发展，各个国家、各个行业纷纷推出了FMEA要求和方法，并形成标准、规范或手册。

美国军标1974年颁布与舰船领域相关的FMEA标准MIL-STD-1629，在1980年颁布FMEA标准MIL-STD-1629A，该标准较详尽，经过若干次修改升级，美国与我国至今仍在使用。1988年美国颁布应用于汽车生产和组装过程的SAE-J-1739、1998年颁布应用于电子元器件设计与装配过程的EIA/JEP1311标准、2001年欧洲空间标准化组织颁布ECSS-Q-30-02A，该标准包含了设计FMEA和过程FMEA[3]。

到20世纪80年代初期，我国陆续颁发了一系列的国家标准、军用标准、行业标准和指令性文件。例如，在1985年6月，由国家标准局颁发了国家标准GJB7826-87《系统可靠性分析技术失效模式和效应分析》，该标准可以应用于电子、机械、软件等产品中；1989年12月，原航空工业部发布了航空标准HB6359-89《失效模式、影响及危害性分析程序》，该标准适用于航空产品的设计、生产和使用阶段。在1992年颁发了GJB1391《故障模式影响及危害性分析程序》。同时FMEA是GJB450《装备研制与生产的通用大纲》、QJ1408《航天器与导弹武器系统可靠性大纲》等规定的主要工作项目。相关联的规则还包括GB/T 9225-1999核电厂安全系统可靠性分析的一般原则等。

1.2 相关的研究与应用

中核建中核燃料元件有限公司的谢凌云等，针对核元件产品及制造过程的特殊性，在FMEA分析之前，首先确定了燃料棒制造过程中的故障严酷度评分，结合生产实际制定了故障发生概率和被检测难度评分，使FMEA分析具有可操作性。通过对燃料棒的制造过程进行FMEA分析，提前发现制造中的薄弱环节，有针对性地采取质量控制手段，确保产品制造质量，获得更高的经济效益和产品堆内运行的安全性。苏州热工研究院有限公司的刘志凌等，针对核安全设备设计以及制造过程，采用FMEA方法，有助于推进核安全设备的设计与制造国产化质量管理水平的提高[4]。北京广利核系统工程有限公司的莫昌瑜等，在FMEA基础上，利用改进的失效模式、影响及诊断分析对核电厂数字化保护系统进行安全分析工作。失效模式、影响及诊断分析既能给出定性的故障分析结论，又能结合诊断特性提供定量失效分析结果。针对较复杂系统的FMEA有效性下降的问题，提出系统级边界FMEA方法，有助于改善对系统边界敏感的可靠性分析[5]。李静霞、于劲松针对目前核电站安全级DCS缺陷危害性分级方法缺失的现状，利用FMEA技术对核电站安全级DCS进行分析，从功能可靠性的角度识别出所有可能的失效模式，确定引发失效的故障原因及影响程度等信息[6]。可以看出，利用FMEA方法分析核电硬件设备，目前已经开展了较多工作。利用FMEA方法分析核电数字化仪控系统，工程师们开始了一些初步尝试。分析过程中的重点和难点在于如何开展软件FMEA。

2 FMEA的基本思想

FMEA是一项自下向上的故障分析技术，例如针对某个工业系统开展FMEA分析。目标系统由各种各样的零部件和元器件组成，每个零部件和元器件都有一个或多个故障模式，FMEA认为，构成系统的所有零部件和元器件都不发生故障则整个工业系统是可靠的，保证零部件和元器件所含有的故障模式都不发生就能保证零部件和元器件不发生故障，从而保证系统的可靠性。对这些故障模式实施有重点、有针对性地控制，使它们的故障发生概率在可接受的范围内，提高系统的可靠性。

3 FMEA方法的应用价值

在诸多工业领域，FMEA方法均获得了一定程度的普及，为保证产品的安全性发挥了重要作用。该技术经过长时间、多行业的发展与完善，已获得了广泛的应用和认可，成为在系统的研制中必须完成的一项安全性分析工作。FMEA方法术己在工程实践中形成了一套科学而完整的可靠性、安全性分析方法。

FMEA方法的主要用途和应用价值包括以下几个方面：建立可以实现故障可能性最小化的系统或过程需求；建立系统设计和测试方法，确保相应的故障得以消除；评价需求以确保这些需求并不会造成潜在的故障；识别促成故障的某些设计特征，并最大程度地减小甚至消除相应的影响；跟踪和管理系统或过程之中的潜在风险；确保可能出现的任何故障不会严重影响系统或过程从而造成严重的后果及损失。

4 核电项目实施FMEA的具体步骤及FMEA方法的应用价值

（1）组建FMEA小组。实施设计FMEA 时有必要组建一个团队，团队由具有多学科和多职能背景的个人组成。实际上，核电FMEA团队由如下人员组成：核电系统设计总工程师、可靠性工程师、保护系统工程师、过程控制工程师、软件工程师、硬件工程师等。另外，团队还涉及到其他各项目部门的工作人员，他们在必要时积极参与支持工作，包括：质量工程师、验证与确认工程师、测试工程师等。

（2）列举失效模式。列出分析对象可能发生的失效模式，即没有达到设计的意图和要求功能所呈现的方式。潜在失效模式是通过分析预测有可能发生的，但并非必然发生的失效形式。

（3）确定风险优先数的值。核电FMFA 分析中，每种故障模式的“破坏力”是通过风险优先数指标来评估的，风险优先数值大小，可以确定各个故障模式的重要度顺序。

风险优先数（Risk Priority Number，简称RPN ）=发生度（Occurrence，简称O）评分×严重度（Severity，简称S）评分×难检度（Detection，简称D）；

RPN评分值的范围：0≤RPN≤1000。

在计算RPN值之前，首先需要制定严重度S、发生度O、难检度D的标准，通过制定FMEA严重度分级表、故障发生度分级表以及故障难检度分级，反应核电产品的特性。然后项目组评定每个失效的SOD值，最后确定每个失效模式的RPN值。

（4）开展FMEA后的改进措施和分析结论。根据失效模式影响分析的结果，找出核电系统中的缺陷和薄弱环节，并制定和实施各种改进与控制措施，以提高产品的可靠性。

5 FMEA方法存在的问题

FMEA标准中所规定的故障模式影响分析是一种以经验为主的定性归纳法。系统复杂时，很难明确确定每一故障模式的故障影响；FMEA标准要求对系统中每个元器件的每种故障模式都进行分析，当系统中元器件过多，分析人员的工作枯燥繁琐，难免造成遗漏和错误，且工作量大；FMEA标准要求，随系统设计深入细化，FMEA要反复进行，这样完全依赖手工，则要耗费更多的时间和精力。

FMEA是一种单因素分析方法，即假定某一种失效模式的产生的因素只有一个，不能用来分析共因失效。在工业对象系统的模块层及以上分层中，某一种失效模式的产生很可能由一种以上的因素以某种关系共同作用所致。所以FMEA对此，无能为力。

FMEA作为安全分析方法，存在的问题如下：

（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电FMEA分析的基础，硬件系统标准单元的失效模式一般比较明确，失效原因也便于提取，但软件系统的失效模式和失效原因却不是非常明确，难以准确提取。例如在定量评估失效模式的发生概率时，主要是通过可用的行业失效率数据库、相似产品或者元部件的失效数据、元部件寿命试验的数据和现场失效数据等来估计。国内FMEA的失效相关数据库不够充分，并且这些数据大多数是基于统计学得来的。在评估失效率时，基于统计学建立的预计模型其参数值是根据整个工业部门的平均水平制定的，即考虑的是平均失效率，而没有将具体的供货商、具体的器件，以及具体的项目考虑进去。这些模型的参数值还具有严重的滞后性。

随着科技的发展和时间的推移，工业产品应用环境日益复杂和严酷，原有的失效统计数据已经满足不了产品应对各种恶劣环境的要求。通过原有的这些数据来评估各失效模式的发生频度，评估困难，容易造成错误或者不够准确的问题。

（2）对FMEA的目标系统，如何划分层次，并确定不同模块间的逻辑关系。每个层次具有明确的失效模式和逻辑关系，低层次的失效会产生局部的、高一层次直至系统的影响。对核电软件FMEA，目标系统层次划分和模块间逻辑关系的确定没有很明确清晰的方法，往往依赖于软件分析人员的经验，分析过程精确性低、客观性差，且没有效率。

（3）核电数字化仪控系统中，软件模块之间的失效影响，如何准确判断。硬件系统的结构相对清晰。但是软件的失效影响很隐蔽，通常不能直接观察到。目前没有准确判断软件模块失效影响的公认有效、可操作性好的方法。

（4）随着系统的规模越来越大，如何使用FMEA分析软件，提高故障分析过程的自动化程度和效率。针对核电硬件设备的FMEA自动化工具国内外已经开发了许多，例如国际上，三个主流FMEA商业软件：ReliaSoft的XFMEA标准版软件、ASENT分析工具包、Relex Studio可靠性工程平台。成熟的商业软件是否能无缝对接核电设计的FMEA，并不是一个简单的过程，是核电FMEA实践环节必须重视的问题。同时对系统级和详细级软件FMEA的大量工作仍需手工完成，分析效率低下。

（5）随着核科学与核电工程技术的发展，核电站仪控系统日趋复杂化、数字化。随着控制功能的强大、系统输入输出点数与控制过程、控制对象数量的增加，对仪控系统的硬件设备、软件可靠性要求越来越高。在实际使用中，由于系统设计、设备工艺、软件使用等因素引起仪控系统设备的故障不断发生。因而在设计、运行、维护、退役等各个环节，对仪控系统进行有效地故障分析是十分必要的。核电行业应用FMEA开展安全性与可靠性评估，特别是针对数字化仪控系统，开始得较晚。

6 结语

FMEA是一种在很多行业已经普遍使用的可靠性分析方法，它是工程管理、提高质量的必然环节。核电行业的特殊性与苛刻的安全要求，使得FMEA在核电行业中的应用和实施成为必然。通过FMEA在核电行业的应用评述，分析了目前FMEA方法存在的一系列问题，为后续不断改进提供了明确的方向。

[1] 周海翔. 田湾核电厂数字化反应堆保护系统故障模式与后果分析[J]. 原子能科学技术, 2007, 41(6): 702 - 706. (DOI: 10. 3969/j. issn. 1000 - 6931. 2007. 06. 015.)

[2] 戚丹鸿. 潜在失效模式和后果分析 (PFMEA) 的应用——以制造核电反应堆关键部件为例[J]. 上海质量, 2010, (9): 64 - 67.

[3] 史廷水. 电子系统的FMEA研究与实现[D]. 电子科技大学, 2012.

[4] 李莉. FMEA在核电设备产品设计中的应用研究[J]. 中国科技纵横, 2013, (1): 189 - 189.

[5] 薛妙轶. 系统级边界FMEA的分析方法[J]. 质量与可靠性, 2015, (1): 12 - 14.

[6] 李静霞, 于劲松. 核电站安全级DCS缺陷危害性分级的研究与应用[J]. 自动化博览, 2015, (3): 64 - 67.

Review of application for FMEA in nuclear Power Industry

Because of the strict requirements of nuclear safety, the reliability analysis method of the FMEA is gradually applied and extended in the nuclear power industry. The FMEA is a failure analysis method from bottom to top. With the introduction of the FMEA specific steps and application value of nuclear power project, the paper presents some comments about applications of the FMEA in nuclear power, analyzes its disadvantages, and points out its development direction.

FMEA; Reliability analysis methods; Nuclear power

中核集团核设备运行状态监测技术重点学科实验室项目资助；湖南省教育厅科学研究课题14C0972）

刘华（1979-），男，湖南衡阳人，硕士，现任南华大学教师，主要从事控制理论、核电站安全方面的研究。

B

1003-0492(2015)09-0088-03

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