闞 琛 郭明超 盧超然

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

溶解器是后處理廠料液制備的關鍵工藝設備之一。為了避免核燃料后處理過程中可能出現的設備損壞、財產損失或環(huán)境損害事故，必須保證溶解器能可靠安全地運行。本研究對溶解器進行故障模式及其影響分析（FMEA），開展故障樹分析（FTA），自上而下逐層歸納分析溶解器可能發(fā)生的故障模式對可靠性、安全性的影響，并提出設計改進建議，確保溶解器在料液制備系統中能安全運行。

1 溶解器故障模式及其影響分析

1.1 可靠性設計要求

遵循簡化設計的原則，在滿足技術要求的前提下，盡量減少零部件、元器件的規(guī)格、品種和數量，提高產品的固有可靠度，降低維修工作量和成本［1］。對于可引起Ⅰ、Ⅱ類故障的產品要遵循余度設計原則。溶解器的設計應盡量在原有成熟產品的基礎上進行開發(fā)，不同時采用過多的新技術，盡量不使用不成熟的新技術。在容易出現差錯的連接、裝配等部位，采用防差錯結構形式，即裝配錯誤、正反裝不進等。

1.2 故障判斷

在系統運行或待機狀態(tài)下，凡是滿足不了溶解器設計指標及要求的故障，都應定為溶解器系統故障。具體故障情況如下。

1.2.1 零件級產品故障判據。受力件因不滿足強度、剛度要求而使結構發(fā)生破壞，長期工作使結構發(fā)生損傷。耗損件因長期使用而使性能衰退。連接件因材料、工藝影響而引起的松動等連接失效。由于特定的外界環(huán)境而引起的零件損傷，如面齒輪因長期處于溶解液的環(huán)境中引起的腐蝕，扁平槽因盛放的溶解液而引起的腐蝕變形等［2］。

1.2.2 組部件級產品故障判據。扁平槽組件因沒有滿足強度、剛度的要求而使結構發(fā)生破壞。傳動系統因磨損或腐蝕引起傳動精度下降，不能保證良好的同步性。反饋系統因機械故障不能及時反饋信號，使驅動無法正常進行或停止。

1.3 溶解器故障模式分析

綜合考慮溶解器在實際工作的使用載荷、溫度、濕度、振動及其他環(huán)境參數，由此確定溶解器的載荷/環(huán)境應力及其作用的時間，從環(huán)境和載荷兩方面出發(fā)，進行故障模式分析。在此基礎上確定溶解器故障模式庫，即腐蝕（扁平槽密閉空間內的硝酸及反應氣體腐蝕零件）、變形（在外力作用下零部件的幾何形狀變化超出設計允許范圍）、磨損（零部件表層組織受損）、斷裂（軸、螺栓等關鍵承力鍵應力超出強度極限、焊縫斷裂）、剪斷（鍵、螺栓等受剪件）、穿孔（由磨損導致盛料件穿孔）、卡滯（傳動部分的軸承運動不暢）、松動（連接件導致組件間聯結松動）、膠合（高溫重載等導致接觸件發(fā)生膠合）、運行不暢（減速箱、齒輪傳動等）、不工作（空氣提升裝置、吹掃裝置等）、傳動誤差過大（減速器傳動比不合適、大轉輪轉角）、不能正常檢修（各組間件連接件膠合，不便拆卸）、反應不徹底（大轉輪位置精度低，分料裝置不能徹底分料）。

通過FMEA分析，可采取以下措施來提高溶解器的可靠性。①考慮溶解器順利反應任務的余度設計，進行系統備份。②考慮到溶解器長期使用，應重視軸承等零件的功能衰退，對減速器、定位裝置等進行良好的潤滑，對輥子機構中的軸承定期檢查更換。③考慮承力件的剛度和強度，如支撐架要承受很大的應力（其承受減速器設備及大轉輪反應液等的重量），應改進支撐架的材料性能，提高其工作的穩(wěn)定性及可靠性。④對大轉輪進一步開展動力學仿真和可靠性分析，以增加其工作精度。⑤考慮電機對溶解器工作過程的控制作用及其一旦發(fā)生故障的危害性，建議綜合考慮經濟性和性能要求，選用工作穩(wěn)定、故障率低的電機。⑥改進大轉輪的性能，提高工作的穩(wěn)定性和可靠性，建議對大轉輪的可靠性進行驗證性試驗，減少輪齒失效的概率。⑦對傳動關鍵件（如蝸輪、蝸桿、齒輪軸等）校驗其受力，降低出現膠合故障的概率。⑧綜合考慮安全性和經濟性，合理選用連接螺栓的型號，并定期檢查其工作狀態(tài)，減少其對維修工作的不利影響。

FMEA是產品可靠性設計分析的基礎，是一個由下而上、不斷回饋、持續(xù)改進的迭代分析過程。在產品壽命期的不同階段，要選用不同的FMEA方法，并收集產品的相關信息，建立完善的數據庫和故障模式庫。FMEA得出的關鍵零部件及關鍵故障模式對后續(xù)的FTA分析提供參考。在選擇頂事件時，要注意考慮FMEA結論中的關鍵件對頂事件的影響，要注意與FTA和機構動力學分析模擬、載荷強度分析和環(huán)境影響分析等分析模擬方法的結合，同時將試驗結果及時反映在FMEA分析表中。

1.4 分析結果

對溶解器工作過程進行分析時，使用有限元進行靜強度和變形分析計算，評估安全余量，進行動力學或運動學仿真分析，并把分析結果反映在FMEA分析和輸出中。具有、Ⅲ類故障的零件，且故障發(fā)生頻度為C級及C級以上的零部件被定義為關鍵件。對溶解器進行FMEA分析后可知，關鍵件有扁平槽本體、輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿和齒輪軸。關鍵件的故障模式有變形過大（扁平槽槽體、輥輪、齒輪軸）、斷裂（支撐架、齒輪軸）、磨損（輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿）、膠合（齒圈、齒輪軸、蝸輪、蝸桿）、腐蝕（大轉輪、扁平槽）。

本研究梳理出的關鍵件是溶解器系統中易發(fā)生故障、故障影響較大的零部件，關鍵故障模式也是在溶解器工作過程中易發(fā)生的，其組合會影響溶解器系統的傳動過程、工作精度等，從而導致設備故障或停機。

2 溶解器故障樹分析

本研究根據故障樹分析法（FTA）的要求，參考溶解器故障模式影響分析結果，選定溶解器的2個重要事件作為頂事件，按照乏燃料溶解器產品層次由上至下的順序，依次分析頂事件發(fā)生的原因，逐級細化，最終得到零件的故障模式［3］。

2.1 溶解器故障樹的建造

對復雜系統而言，建樹時應按系統層次逐級展開（見圖1、圖2）。溶解器停止工作時，依次對減速器、分料裝置、棍子機構進行檢查，即減速器發(fā)生故障時，應從花鍵傳動、花鍵、平鍵、軸套入手，進行失效分析，并順序檢查維修。

2.2 故障樹的定性分析

圖1 溶解器停止工作故障樹

圖2 溶解器停止工作故障樹簡化圖

定性分析是為了尋找導致頂事件發(fā)生的原因事件或原因事件組合，即識別導致頂事件發(fā)生的所有故障模式，發(fā)現潛在的故障和設計的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進設計，還可用于指導故障診斷，改進使用和維修方案［4］。在故障樹的定性分析中，主要分析任務是確定所有的最小割集，常用的方法有上行法、下行法。本研究采用下行法求故障樹的最小割集（見表2）。

表2 溶解器停止工作故障樹最小割集

2.3 故障樹的定量分析

底事件或最小割集對頂事件發(fā)生的貢獻稱為該底事件或最小割集的重要度。

概率重要度的定義為第i個部件不可靠度變化引起系統不可靠度變化的程度。計算公式見式（1）。

式中：Δg i（t）為概率重要度；F i（t）為元、部件不可靠度；g［F（t）］為頂事件發(fā)生概率，F（t）=［F1（t），F2（t），F3（t），…，Fn（t）］；Fs（t）為系統不可靠度，Fs（t）=P（T）=g［F（t）］。

概率重要度是第i個部件是關鍵部件時，系統處于故障狀態(tài)的概率。溶解器意外停止工作的頂事件發(fā)生的概率為PT2=0.000 199 986。表3為故障樹T2部分最小割集的發(fā)生概率表。

表3 故障樹T2部分最小割集的發(fā)生概率

表3是按照故障樹T2的各個最小割集的發(fā)生概率降序排列的，一階最小割集X1電機停止工作、X10齒輪軸花鍵斷裂、X7定位銷斷裂、X2扁平槽幾何變形、X4平鍵斷裂、X3蝸桿斷裂、X5軸套斷裂、X6齒輪軸斷裂、X8螺栓M10×30斷裂、X9螺栓M16斷裂、X11內花鍵斷裂的發(fā)生概率相對較高，在設計、選材、制造上應該重點關注。表4為故障樹T2部分底事件的關鍵重要度水平。

表4是按照故障樹T2的各個底事件的重要度降序排列的，從表4可以看出，構成一階最小割集的各個底事件的重要度水平比其他事件要高，尤其是電機。所以，在設計時應選擇合適的電機、零部件型號，校核零部件強度，盡量降低故障發(fā)生概率。

表4 故障樹T2部分底事件的關鍵重要度水平

2.4 分析結果

本研究采用的FTA分析是在FMEA分析的基礎上進行的，故障樹中所有底事件都是經FMEA篩選后的比較重要的零部件故障模式。運用所建立的故障樹和找到的最小割集，從系統角度出發(fā)，分析設計的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進和補償措施，如表5所示。

表5 結論

3 結語

本研究采用故障樹分析與FMEA相結合的方式，對溶解器進行可靠性分析。通過FMEA對溶解器進行定性分析，確定溶解器的潛在故障模式及其危險等級。在FMEA分析的基礎上進行FTA分析，通過定量計算明確頂事件發(fā)生概率及重要度，最后從系統角度出發(fā)，分析設計的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進和補償措施，以此來提高溶解器的可靠性。