張峰，何英勇，任憲常，楊錦春，鄭之壽

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

在核電廠放射性固體廢物處理過程中，設備的可靠性至關重要。特別是核心關鍵設備出現(xiàn)故障，將有可能導致輻射劑量超標，直接影響整個系統(tǒng)的安全運行。將可靠性理論引入核電設備的設計中，對提高產(chǎn)品的可靠性和核電廠的安全性具有重要意義［1-2］。

自動開封蓋裝置是核電廠固體廢物處理系統(tǒng)(solid waste treatment system)的核心設備，用于對貯存中、低放射性廢物的400 L 金屬桶進行開蓋和封蓋，是復雜的機電一體化設備，設備整體可靠性不能簡單地歸結為提高零部件的可靠性和制造工藝水平，而應從提高系統(tǒng)可靠性的角度進行全面的考慮［3-4］。

故障模式及影響分析(failure modes and effects analysis，F(xiàn)MEA)是進行系統(tǒng)故障分析最有效的一種可靠性分析方法［5］。利用FMEA 方法對自動開封蓋裝置系統(tǒng)的故障模式進行分析，可以在產(chǎn)品的設計階段就找出可能發(fā)生的故障及其原因。通過把每一個潛在故障模式按其嚴酷程度分類，找出產(chǎn)品功能設計的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，從避免嚴重故障發(fā)生和提高系統(tǒng)可靠性的角度，提出設計預防和改進措施，以提高其安全性和可靠性，也為整個放射性固體廢物處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供技術保障。

1 FMEA 分析方法

FMEA 分析方法是很多可靠性分析方法的基礎［5-6］。在工程實踐中，已形成一套科學而完整的標準和規(guī)范［7-8］。

1.1 FMEA 分析方法的用途

1)找出產(chǎn)品的所有可能的故障模式及其影響，進行定性分析，進而采取相應措施。

2)為確定嚴酷度為Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單和單點故障模式清單提供定性依據(jù)。

3)作為維修性、安全性、測試性、保障性設計與分析的輸入。

4)為確定可靠性試驗、壽命試驗的產(chǎn)品項目清單提供依據(jù)。

1.2 FMEA 分析方法的主要步驟(圖1)

1)分析對象定義是FMEA 分析的前提，通過對功能和結構進行分析，繪制系統(tǒng)框圖，約定分析層次，明確分析對象。

圖1 FMEA 分析方法的主要步驟

2)建立可靠性模型，包括可靠性框圖及其相應的數(shù)學模型，評價系統(tǒng)可靠度。

3)故障模式分析，定義故障判據(jù)，找出系統(tǒng)所有可能的失效模式。

4)故障原因分析，找出失效原因。

5)故障影響及嚴酷度分析，對失效的影響和嚴重程度進行分級及評價，找出它們之間相對的重要性和順序。

6)設計改進和措施分析，找出預防措施，防止嚴重故障發(fā)生。

7)FMEA 報告，對分析過程的記錄和說明。

2 自動開封蓋裝置功能分析

400 L 金屬桶采用10 個M12 螺釘實現(xiàn)法蘭連接(圖2)。當金屬桶被輥道傳輸線運到自動開封蓋裝置下方，并進行定位、抱緊后，自動開封蓋裝置將根據(jù)遠程控制命令自動完成開蓋或封蓋流程。

圖2 400 L 金屬桶法蘭連接圖

開蓋時，開封蓋裝置先找準輥道傳輸線上金屬桶的位置。然后，開封蓋裝置的力矩扳手與金屬桶上螺釘對中，并對螺釘進行拆卸。螺釘拆卸完成后，將桶蓋和螺釘一起提升，使金屬桶與桶蓋分離。去蓋的金屬桶運往后續(xù)工位。

從金屬桶上取下的桶蓋，暫存在開封蓋裝置的桶蓋存放架上，以便連續(xù)對多個金屬桶進行開蓋和封蓋。存放架上可存放8 個桶蓋。

封蓋時，開封蓋裝置先找準存放架上桶蓋的位置，并將桶蓋抓取到桶的正上方，然后開封蓋裝置調整桶蓋角度，使桶蓋上的螺釘與桶上的螺紋孔對中，完成后將桶蓋裝配到桶上，并按設定扭矩擰緊螺釘，最后開封蓋裝置與金屬桶脫離接觸，完成封蓋操作。

3 自動開封蓋裝置結構(圖3)與原理分析(圖4)

自動開封蓋裝置依靠平移機構、提升機構和旋轉機構帶動擰緊機頭進行水平、垂直和旋轉運動。

圖3 自動開封蓋裝置結構圖

圖4 自動開封蓋裝置原理圖

旋轉機構下方連接擰緊機頭，由抓取桶蓋的抓具、擰螺釘?shù)?0 個力矩扳手和定位裝置組成。

旋轉機構上方是兩個浮動機構，可現(xiàn)實x、y 兩個方向的浮動和鎖定。

定位裝置以桶蓋法蘭外圓周為基準，在夾緊桶蓋的過程中，借助浮動機構實現(xiàn)擰緊機頭與金屬桶中心的自動對中。擰緊機頭在旋轉機構的驅動下，通過傳感器尋找到螺釘，實現(xiàn)力矩扳手與螺釘中心的對中。

4 自動開封蓋裝置故障分析

4.1 分析對象定義

自動開封蓋裝置的電氣、氣動、控制與操作系統(tǒng)采用成熟模塊，在控制室可進行檢修，而機械系統(tǒng)采用大量非標件，易出故障，所在區(qū)域有受到輻射的風險，維修困難。因此，機械系統(tǒng)的可靠性是研究的重點。如圖5所示。

根據(jù)FMEA 方法，以自動開封蓋裝置機械系統(tǒng)為分析的初始約定層次。自動開封蓋裝置包括平移運動、上下運動、x 方向浮動、y 方向浮動、旋轉運動和存放桶蓋幾個機械功能模塊。按照開蓋或封蓋流程，自動完成所有動作。

圖5 自動開封蓋裝置機械系統(tǒng)框圖

4.2 可靠性模型

設備的可靠性分為任務可靠性和基本可靠性。前者表征設備完成任務的可靠度，后者表征設備壽命期內(nèi)的可靠度。根據(jù)自動開封蓋裝置的功能要求，保障設備的任務可靠性是TES 系統(tǒng)安全運行的關鍵。

為了描述系統(tǒng)組成單元之間的故障邏輯關系，根據(jù)自動開封蓋裝置系統(tǒng)框圖(圖5)和產(chǎn)品原理建立任務可靠性框圖(圖6)。

圖6 自動開封蓋裝置任務可靠性框圖

根據(jù)系統(tǒng)可靠性框圖(圖6)，建立任務可靠性模型，以表示系統(tǒng)組成單元之間的可靠性函數(shù)關系。由于系統(tǒng)的所有組成單元中任何單元的故障都會導致整個系統(tǒng)的故障，為串連模型［7］，其數(shù)學模型為:

式中:Rs(t)——系統(tǒng)的可靠度;

Ri(t)——單元的可靠度;

n——組成系統(tǒng)的單元數(shù)。

從式(1)中可見，自動開封蓋裝置系統(tǒng)的可靠度是各單元可靠度的乘積。

4.3 故障模式及影響分析

故障判據(jù):根據(jù)產(chǎn)品功能要求，定義故障判據(jù)為:如果任何一個功能模塊未按指令要求動作，或未達到要求位置視為運動功能失效故障。

故障影響分級(表1):按約定層次劃分，將自動開封蓋裝置故障模式分為局部影響、高一層次影響和最終影響。

表1 故障影響分級表

嚴酷度(表2):根據(jù)產(chǎn)品故障模式所產(chǎn)生的最終影響的嚴重程度劃分自動開封蓋裝置的嚴酷度。

表2 嚴酷度類別劃分表

FMEA 分析:根據(jù)自動開封蓋裝置的系統(tǒng)框圖以及功能要求和故障判據(jù)，找出所有可能的故障模式和原因，并按其嚴酷程度對故障模式進行分類。自動開封蓋裝置FMEA 分析如表3 所示。

表3 FMEA 分析表

5 設計缺陷與薄弱環(huán)節(jié)

通過FEMA 分析，發(fā)現(xiàn)自動開封蓋裝置發(fā)生故障造成的最嚴重影響為Ⅱ類嚴酷度，這將導致TES 系統(tǒng)無法運行或設備嚴重損壞，引起輻射劑量超標。

引起嚴重故障發(fā)生的原因主要有兩個方面:

1)平移、提升和旋轉運動功能失效，導致自動開封蓋裝置的擰緊機頭無法移動，不能與金屬桶保持一定安全距離，妨礙金屬桶的運輸。

2)旋轉機構上的抓具不動作，導致在開蓋過程中，無法抓取桶蓋或抓取桶蓋不牢，致使桶蓋有滑落風險，影響TES 系統(tǒng)運行安全;或在封蓋過程中，無法松開桶蓋，致使擰緊機頭無法脫離金屬桶，影響金屬桶的運輸。

因此，要避免嚴酷度為Ⅱ類的故障模式發(fā)生，保證TES 系統(tǒng)安全運行，要求自動開封蓋裝置無論出現(xiàn)什么故障，都不能影響TES 系統(tǒng)正常運行，將裝有放射性廢物的金屬桶運輸?shù)桨踩恢?，即要制定相應措施，保證自動開封蓋裝置的任何部件不影響金屬桶在輥道傳輸線上的運輸。

6 設計預防與改進措施

從兩個方面考慮提高自動開封蓋裝置的可靠性:

1)提高自動開封蓋裝置抗故障的能力和任務可靠性，保證系統(tǒng)能成功完成任務。

2)避免嚴重故障發(fā)生，保障廢物桶封裝過程的安全性，以及TES 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

措施一:提高任務可靠性。

從式(1)中可見，自動開封蓋裝置的可靠性模型為串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠度是各單元可靠度的乘積，單元越多，系統(tǒng)可靠度越小。從可靠性設計方面考慮，要提高串連系統(tǒng)的可靠度，可采取如下措施:

1)盡可能減少自動開封蓋裝置系統(tǒng)單元數(shù)目，即進行簡化設計;

2)盡可能提高自動開封蓋裝置各組成單元的可靠性，采用成熟產(chǎn)品，降低其故障率;

3)對影響安全和執(zhí)行關鍵任務的單元采用降額設計，特別是各種結構件和電器元件，應降低其額定負荷，以保證有足夠的安全余量，降低工作失效概率。

措施二:避免嚴重故障發(fā)生。

冗余設計是提升產(chǎn)品容錯能力的一種重要手段。通過冗余設計，增加非工作貯備單元，即使工作單元出現(xiàn)故障，也可通過切換接到另一個單元繼續(xù)工作，直到所有單元都失效時系統(tǒng)才會失效。采用冗余設計后，任務可靠性模型為旁聯(lián)模型［7］。

假設切換裝置可靠度為常數(shù)RD，對于壽命服從指數(shù)分布的兩個單元任務故障率分別為λ1，λ2;系統(tǒng)的可靠度為:

系統(tǒng)的平均嚴重故障間隔時間為:

從式(2)和式(3)中可見，非工作貯備的優(yōu)點是能大大提高系統(tǒng)的可靠度，但由于增加了切換裝置，系統(tǒng)的復雜度也加大了，其基本可靠性將會降低。因此，冗余設計僅針對嚴重故障模式是比較合理的選擇。

通過FMEA 分析，發(fā)現(xiàn)導致自動開封蓋裝置出現(xiàn)嚴重故障的關鍵因素是平移、提升和旋轉機構。根據(jù)故障影響大小，判斷出電機失效是最為重要的故障模式，因此在平移、提升和旋轉機構上設置備用電機將是避免嚴重故障發(fā)生的一種有效手段。

7 結語

自動開封蓋裝置是核電廠一種復雜的機電一體化設備，它的可靠性對TES 系統(tǒng)運行安全至關重要。因此對自動開封蓋裝置進行系統(tǒng)的故障分析是一項非常重要的工作。

通過對自動開封蓋裝置功能、結構與原理進行分析，利用FMEA 方法，找出了自動開封蓋裝置系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了設計預防和改進措施，可以有效提高其系統(tǒng)可靠性，為自動開封蓋裝置成功完成任務，以及TES 系統(tǒng)安全運行提供了技術保障，有一定現(xiàn)實意義。

另外，將可靠性分析方法引入到核電設備設計中，對設備進行系統(tǒng)分析，找出所有可能的故障模式，確定其影響和嚴酷度，不僅可以提高設備的可靠性，評價系統(tǒng)可靠度，還有利于設備的后續(xù)維護和改進設計，對今后進行類似的設計研究也有很大的啟發(fā)。

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