第三章系統(tǒng)安全分析-可靠性分析、PHA、FMEA

第四節(jié)

系統(tǒng)可靠性分析朱傳杰E-mail：anq021@126.com國礦業(yè)大學安全工程學院一、基本概念1.可靠性、可靠度：R(t)可靠性是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的能力；可靠度是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在預(yù)期的使用周期（規(guī)定的時間）內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的概率；2.維修度：M(τ)是指系統(tǒng)發(fā)生故障后在維修容許時間內(nèi)完成維修的概率3.有效度:A(t,τ)是指對于可修復(fù)系統(tǒng)在規(guī)定的使用條件和時間內(nèi)能夠保持正常使用狀態(tài)的概率。提高可靠度的途徑：提高系統(tǒng)的可靠度；提高系統(tǒng)的維修度一、基本概念二、可靠度、維修度、有效度的常用度量指標1.平均無故障時間（MTTF）

是指系統(tǒng)由開始工作到發(fā)生故障前連續(xù)正常工作的平均時間……度量不可修復(fù)系統(tǒng)的可靠度；2.平均故障間隔時間（MTBF）

是指可修復(fù)系統(tǒng)發(fā)生了故障后經(jīng)修理后仍能正常工作，其在兩次相鄰故障間的平均工作時間；3.平均故障修復(fù)時間（MTTR）

是指可修復(fù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障到恢復(fù)正常工作平均所需的時間。t1t2t3t4tn二、可靠度、維修度、有效度的常用度量指標取平均值,平均故障間隔時間τ1τ2τ3τ4τ5取平均值,平均故障修復(fù)時間三、可靠度函數(shù)與故障率在一定的使用條件下，可靠度是時間的函數(shù)；設(shè)可靠度為R(t)，不可靠度為F(t)，則：R(t)+F(t)=1故障概率密度函數(shù)：f(t)=dF(t)/dt故障率元件壽命周期的故障率，與該元件所處的壽命階段密切相關(guān)。該曲線表明：在元件或系統(tǒng)的壽命周期初期，因系統(tǒng)需磨合，因此故障率較高；而中期階段則故障率較為穩(wěn)定。壽命周期的后期，則因系統(tǒng)部分元件的磨損使故障率也明顯提高；早期失效期隨機失效期損耗失效期調(diào)整期退役期三、可靠度函數(shù)與故障率浴盆曲線初期故障隨機故障磨損故障四、系統(tǒng)可靠度計算

1.串聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中任何一個子系統(tǒng)發(fā)生故障，都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障的系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠度一方面取決于各子系統(tǒng)本身的可靠度，同時還取決于各子系統(tǒng)間的作用關(guān)系。提高串聯(lián)系統(tǒng)可靠度的途徑

1）提高各子系統(tǒng)的可靠度；

2）減少串聯(lián)級數(shù)；

3）縮短任務(wù)時間。2.并聯(lián)系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)的可靠性，通常需要使系統(tǒng)的部分子系統(tǒng)乃至全部子系統(tǒng)有一定數(shù)量貯備，利用貯備提高系統(tǒng)可靠性最常用的辦法就是采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。1)熱貯備系統(tǒng)（冗余系統(tǒng)）是指貯備的單元也參與工作，即參與工作的數(shù)量大于實際所必須的數(shù)量，這種系統(tǒng)又稱冗余系統(tǒng)四、系統(tǒng)可靠度計算10冗余技術(shù)一般是采用降額等其他方法不能滿意地解決系統(tǒng)安全問題，或當改進產(chǎn)品所需的費用比采用冗余單元更多時采用的方法。采用冗余設(shè)計是以增加費用為代價來提高系統(tǒng)的安全性和可靠性的。四、系統(tǒng)可靠度計算設(shè)系統(tǒng)各個單元的可靠性是相互獨立的，各單元的不可靠度分別為F1、F2、F3、……、Fn，根據(jù)概率乘法定理可得系統(tǒng)(1)不可靠度:

123nBA(2)系統(tǒng)可靠度：熱貯備系統(tǒng)四、系統(tǒng)可靠度計算2）冷貯備系統(tǒng)是指貯備的單元不參加工作，并且假定在貯備中不會出現(xiàn)失效，貯備時間的長短不影響以后使用的壽命。123N+1BA四、系統(tǒng)可靠度計算13

若所有部件的故障率均相等且為λ,則系統(tǒng)的可靠度為:系統(tǒng)的平均壽命:冷儲備系統(tǒng)的平均壽命是各單元平均壽命的總和四、系統(tǒng)可靠度計算3.復(fù)雜系統(tǒng)有一汽車的制動系統(tǒng)可靠性聯(lián)接關(guān)系如圖；組成系統(tǒng)各單元的可靠度分別為R(A1)=0.995；R(A2)=0.975；R(A3)=0.972；R(B1)=0.990；R(B2)=0.980；R(C1)=R(C2)=R(D1)=R(D2)=0.980；求系統(tǒng)的可靠度。D2C2D1C1A1B1A3A2B2A:液壓系統(tǒng)D:液壓系統(tǒng)C:液壓系統(tǒng)B:手閘系統(tǒng)手控桿機械聯(lián)動裝置腳踏裝置主控缸液壓管路左前輪左后輪右前輪右后輪汽車制動系統(tǒng)可靠性聯(lián)結(jié)框圖四、系統(tǒng)可靠度計算五、人的工作可靠度預(yù)測

10090807060504030201960101965197019751980198519901995事故中人因的主要原因的情況分布圖10090807060504030201960101965197019751980198519901995人因的主要原因(%)16五、人的工作可靠度預(yù)測1.人在工作中的差錯很多，歸納起來不外乎以下五類：未履行職能；錯誤地履行職能；執(zhí)行未賦予的分外職能；按錯誤程序執(zhí)行職能；執(zhí)行職能時間不對。2.人的差錯概率人的工作可靠度與人的工作差錯概率是互逆的，所以人的工作可靠度可用人的工作差錯概率來計算：五、人的工作可靠度預(yù)測e——實際發(fā)生的差錯數(shù)E——可能發(fā)生的差錯數(shù)18五、人的工作可靠度預(yù)測e、E獲得途徑：收集緊急狀態(tài)時的全部運轉(zhuǎn)記錄；收集全部正常業(yè)務(wù)、保養(yǎng)、校正、定期檢驗、啟動停止時人的差錯記錄,引起差錯的具體條件；收集模擬的正常業(yè)務(wù)、非正常業(yè)務(wù)方面的人的差錯的潛在來源；專家的經(jīng)驗判斷。193.計算人的工作可靠度的差錯概率法—概率樹圖程序：明確系統(tǒng)故障的判定標準；進行作業(yè)分析，評價基本動作間的相互關(guān)系；估計人的差錯概率；求系統(tǒng)故障率，評價人的差錯對系統(tǒng)故障的影響；重復(fù)以上步驟改進人機系統(tǒng)的特征值，直到達到可允許的范圍。五、人的工作可靠度預(yù)測20AaB/Ab/AB/ab/aSFFF人的可靠性分析事件樹（HRA-ET）SSFF第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）預(yù)先危險性分析是指在一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)（包括設(shè)計、施工、生產(chǎn)）運轉(zhuǎn)活動之前，對系統(tǒng)存在的危險類別、出現(xiàn)條件及可能造成的結(jié)果，進行宏觀概略分析的一種方法。預(yù)先危險性分析的重點應(yīng)放在系統(tǒng)的主要危險源上，并提出控制這些危險源的措施。預(yù)先危險性分析的結(jié)果，可作為對新系統(tǒng)綜合評價的依據(jù)，還可作為系統(tǒng)安全要求、操作規(guī)程和設(shè)計說明書的主要內(nèi)容，同時預(yù)先危險性分析為以后要進行的其他危險分析打下基礎(chǔ)。1.預(yù)先危險性分析的內(nèi)容（1）識別危險的設(shè)備、零部件，并分析其發(fā)生的可能性條件；（2）分析系統(tǒng)中各子系統(tǒng)、各元件的交接面及其相互關(guān)系與影響；（3）分析原材料、產(chǎn)品、特別是有害物質(zhì)的性能及貯運；（4）分析工藝過程及其工藝參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)；（5）人、機關(guān)系（操作、維修等）；（6）環(huán)境條件；（7）用于保證安全的設(shè)備、防護裝置等。第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）2.預(yù)先危險性分析的步驟（1）調(diào)查、了解和收集過去的經(jīng)驗和同類生產(chǎn)中發(fā)生的事故情況。（2）確定危險源，并分類制成表格。危險源的確定可通過經(jīng)驗判斷、技術(shù)判斷或安全檢查表等方法進行。（3）識別危險轉(zhuǎn)化技術(shù)條件。研究危險因素轉(zhuǎn)化為事故狀態(tài)的觸發(fā)條件。（4）進行危險分級。目的是確定危險程度，提出應(yīng)重點控制的危險源。（5）制定危險預(yù)防措施。第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）預(yù)先危險分析程序熟悉系統(tǒng)調(diào)查收集資料系統(tǒng)功能分解分析辨識危險源確定危險等級制定措施措施落施分析觸發(fā)事件第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）危險等級參考等級等級說明1安全的不會造成人員傷亡或系統(tǒng)破壞。2臨界的處于事故的邊緣狀態(tài)，暫時還不至于造成人員傷亡、系統(tǒng)破壞或降低系統(tǒng)性能，但應(yīng)予以排除或采取控制措施。3危險的會造成人員傷亡或系統(tǒng)破壞，要立即采取防范對策措施。4災(zāi)難性的造成人員重大傷亡及系統(tǒng)嚴重破壞的災(zāi)難性事故，必須予以果斷排除并進行重點防范。第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）3.危險性控制危險性識別和等級劃分后，就可采取相應(yīng)的預(yù)防措施，避免它發(fā)展成為事故。采取預(yù)防措施的原則：先采取直接措施，即從危險源（起因）著手。其次是間接措施，如隔離、個人防護等。事故一旦發(fā)生，應(yīng)馬上采取措施，抑制事態(tài)發(fā)展，減輕危害的嚴重性。防止人的失誤。第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）4.危險性預(yù)先分析的特點：1）分析工作在活動之前，避免由于考慮不周造成的損失。2）對系統(tǒng)開發(fā)、初步設(shè)計、制造、安裝、檢修等做的分析步驟，可以提供注意事項及指導(dǎo)方針。3）分析結(jié)果可為制定標準、規(guī)范和技術(shù)文獻提供必要的資料。4）根據(jù)分析結(jié)果可以編制安全檢查表以保證實施安全、并可作為安全教育的材料。第五節(jié)、預(yù)先危險性分析（PHA）第六節(jié)故障類型影響分析（FMEA）FMEA重要的系統(tǒng)安全分析方法。是通過識別產(chǎn)品、設(shè)備或生產(chǎn)過程中潛在的故障模式，分析故障模式對系統(tǒng)的影響，并將故障模式按其影響的嚴重程度進行分級。基本思路是采取系統(tǒng)分割的概念，根據(jù)實際需要、分析的水平，首先把系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)或進一步分割成元件。然后逐個分析元件可能的故障和故障呈現(xiàn)的狀態(tài)（即故障類型），進一步分析故障類型對子系統(tǒng)的影響，最后采取措施解決。一、基本原理與FMEA有關(guān)的基本概念故障：元件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)在規(guī)定期限內(nèi)和運行條件下未按設(shè)計要求完成規(guī)定的功能或功能下降。故障類型：是故障的表現(xiàn)形態(tài)，表述為故障出現(xiàn)的形式或?qū)Σ僮鞯挠绊?。故障原因：?dǎo)致系統(tǒng)、產(chǎn)品故障的原因既有內(nèi)在因素也有外在因素；故障嚴重度：考慮故障所能導(dǎo)致的最嚴重的潛在后果，并以傷害程度、財產(chǎn)損失或系統(tǒng)永久破壞加以度量。嚴重度分級：按故障可能導(dǎo)致的最嚴重的潛在后果，分為四級。是衡量對系統(tǒng)任務(wù)、人員安全造成影響的尺度。一、基本原理嚴重度等級影響程度可能造成的危害或損失Ⅳ致命性的可能造成死亡或系統(tǒng)損失Ⅲ嚴重的可能造成嚴重傷害、嚴重職業(yè)病或主要系統(tǒng)損壞Ⅱ臨界的可能造成輕傷、職業(yè)病或次要系統(tǒng)損壞Ⅰ可忽略的不會造成傷害和職業(yè)病，系統(tǒng)也不會受損FMEA嚴重度分級表一、基本原理系統(tǒng)或元件發(fā)生故障的機理十分復(fù)雜，故障類型是由不同故障機理顯現(xiàn)出來的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。一個系統(tǒng)或一個元件往往有多種故障類型。對產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型、產(chǎn)生原因及其影響及時了解和掌握，才能正確地采取相應(yīng)措施。掌握產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型需要積累大量的實際工作經(jīng)驗，特別是通過FMEA來積累經(jīng)驗。二、故障類型影響分析程序1.掌握和了解對象系統(tǒng)：

分析之前必須掌握被分析對象的有關(guān)資料，以確定分析的詳細程度，確定對象系統(tǒng)的邊界條件；了解作為分析對象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備；確定分析系統(tǒng)的物理邊界；確定系統(tǒng)分析的邊界；收集元素的最新資料。2.對系統(tǒng)元素的故障類型進行分析找出所有的故障類型，盡可能找出每種故障類型的所有原因，然后確定系統(tǒng)元素的故障類型。若分析對象是已有元素，則可以根據(jù)以往運行經(jīng)驗或試驗情況確定元素的故障類型；若分析對象是設(shè)計中的新元素，則可以參考其它類似元素的故障類型，或者對元素進行可靠性分析來確定元素的故障類型。一個元素至少有4種可能的故障類型意外運行；運行不準時；停止不及時；運行期間故障。根據(jù)故障原因分析，最后確定元素的故障類型。元素功能、喪失功能元素故障類型把元素按組成分解外部原因內(nèi)部原因各部分故障類型元素的一部分確定元素故障類型程序框圖3.故障類型的影響故障類型的影響分析是指在系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，詳細地分析一個元素各種故障類型對系統(tǒng)的影響。分析故障類型的影響，通過研究系統(tǒng)主要的參數(shù)及其變化、故障后果的物理模型或經(jīng)驗來確定故障類型對系統(tǒng)功能的影響。36故障類型的影響可以從下面3種情況來分析：

1)元件故障類型對相鄰元素的影響。該元素可能是其他元素故障的原因；

2)元素故障類型對整個系統(tǒng)的影響。該元素可能是導(dǎo)致或事故的原因；

3)元素故障類型對子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。4.列出故障類型影響分析表根據(jù)故障類型和影響分析表，系統(tǒng)、全面和有序地進行分析。三、應(yīng)用實例：單元故障類型故障原因故障影響按鈕接點不閉合機械故障操作人員未按按鈕繼電器接點不閉合，電動機不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)功能喪失接點不斷開機械故障操作人員未放按鈕電動機運轉(zhuǎn)時間過長，短路燒毀熔絲繼電器接點不閉