充填管道系统失效模式与影响分析_FMEA_及失效影响模糊.pdf

第1 9卷 第6期2 0 0 9年6月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol.19No.6Jun.2 0 0 9充填管道系统失效模式与影响分析(F MEA)及失效影响模糊评估3郑晶晶1 张钦礼1 教授 王新民1 教授 王贤来1,2 高级工程师(1中南大学资源与安全工程学院,长沙4100832金川集团有限公司,金昌737100)学科分类与代码:620.5020 中图分类号:X913.4 文献标识码:A资助项目:国家科技支撑计划课题(2006BAB02A03);2008年度中南大学米塔尔创新资助项目(08M X16)。【摘 要】根据金川矿区充填管道系统的运行情况,结合充填实践经验,建立了充填管道系统的失效模式与影响分析法(FMEA)分析表,得出系统存在10种失效模式。针对FMEA分析表中失效影响存在较大模糊性而难以有效估计的特点,引入模糊评估方法来进行分析。通过该矿区充填管道系统各失效模式产生失效影响的模糊评估,得到不同失效模式对系统可靠性影响的排序结果。结果表明:该方法的评估结果与实际情况比较吻合;可以使分析定量化,有助于工程人员充分利用系统模糊信息;该方法也能用于其他系统失效模式影响的模糊评估。【关键词】充填管道系统;可靠性;失效模式;失效影响;模糊评估FMEA Analysis of Backfilling Pipeline System andFuzzy Evaluation of Failure EffectsZHENG Jing2jing1ZHANG Qin2li1,Prof.WANG Xin2m in1,Prof.WANG Xian2la i1,2,Sen ior Engineer(1 School of Resources&Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China2 Jinchuan NonferrousMetal Corporation,Jinchang 737100,China)Abstract:According to the operation of backfilling pipeline system in Jinchuan diggings and combiningwith backfilling practical experience,a FMEA(failure modes and effect analysis)analysis table of back2filling pipeline system is established and 10 kinds of system failure modes are educed.Because failureeffects in the FMEA analysis table are ambiguous and difficult to effectively estimate,Fuzzy evaluationmethod is proposed.Through the fuzzy evaluation of failure modeseffectsof backfilling pipeline system inJinchuan diggings,the compositor results caused by the influence of different failuremodeson system relia2bility are obtained.The results show that the assessed value of the method coincideswith the actual situa2tions.The method can make a quantitative analysis and help engineers take full advantage of fuzzy infor2mation of system.In addition,this method can also be used for the fuzzy evaluation of failure modeseffects in other system.Key words:backfilling pipeline system;reliability;failure modes;failure effects;fuzzy evaluation0 引 言随着浅部矿产资源日益开采消耗,我国不少矿山已进入深井开采行列1。深井开采固有的高应力、高地温、高岩石自爆风险,使充填采矿法成为首选的采矿方法。采用充填采矿法充填时,地表充填3 文章编号:1003-3033(2009)06-0166-06;收稿日期:2009-02-02;修稿日期:2009-05-31料浆通过管道输送系统,利用自流或加压输送方式输送到采空区2-3。因此,充填管道系统的可靠性直接关系到采用充填采矿法矿山的生产安全。为了确保充填管道系统的稳定,有必要分析充填管道系统的失效原因,找出系统容易失效的环节,以便有针对性地采取防护措施,提高管道输送系统的可靠性。失效模式与影响分析(FMEA,FailureModes andEffectAnalysis)作为可靠性工程领域的基本工具,是一种用来确定潜在失效模式及其效果的分析方法。FMEA是通过系统地分析零部件、元器件、设备或子系统等所有可能的故障模式、故障原因及后果,发现设计中的薄弱环节,并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类,其分析结果可为设计综合评定、维修、安全等工作提供信息4。目前FMEA分析法已经在医药、食品、汽车、船舶等行业得到了广泛应用5-6。由于充填管道系统的复杂性,在生产过程中难免存在各种潜在的风险,系统中的某些部件发生故障将会影响系统的正常运作,使用FMEA方法分析充填管道系统,能够找出系统失效的模式及影响,减小风险,消除系统设计缺陷。然而,由于该方法的分析过程中,存在很多复杂的、不确定的影响因素,难以定量地描述系统不同失效模式之间的主次关系。为此,可以通过模糊数学方法来处理不确定的信息,定量分析失效模式对系统影响的程度7-8。笔者针对金川矿区充填管道系统的特点,进行了应用该法进行分析,得出了系统主要的失效模式及其影响。同时,还利用模糊数学理论对各失效模式的失效影响进行了综合评估,得出了充填管道系统最易失效的部位,为充填管道系统的维护提供指导和参考。1 失效模式与影响分析(FMEA)FMEA是一种预防性的可靠性分析技术。它是使用结构化的系统程序方法,及早发现产品潜在的失效模式,探讨其失效原因及失效发生后对上一层分系统、次系统和系统所造成的影响,并采取适当的预防措施和改进方案。该方法实际上是FMA(失效模式分析)和FEA(失效影响分析)的组合。在设计和运行系统时,通常有3道控制缺陷的防线:避免或消除失效起因、预先确定或检测失效、减少失效的影响和后果。FMEA正是从第一道防线就将缺陷消除在摇篮之中的有效工具。它对各种可能的风险进行评价、分析,以便在现有技术的基础上消除风险或将风险减小到可接受的水平,提高系统过程的可靠性,降低后期进行弥补改善的成本9。FMEA分析的流程如下图所示。FM EA分析流程图2FMEA失效影响的模糊评估分析针对特定系统制定的FMEA分析表中,虽然有各失效模式影响分析,但由于系统致命度的估算存在较大的模糊性,很难给出有效而准确的点估计值。为了得到失效模式的排序和主次关系,笔者引入模761第6期 郑晶晶等:充填管道系统失效模式与影响分析(FMEA)及失效影响模糊评估糊数学理论加以处理,所需的模糊判决步骤和评估原理10-11如下:1)建立因素集和因素水平集根据失效影响的主要表现,建立失效模糊评估分析的因素集为U=u1,u2,ui。令各因素水平集为ui=高,较高,中,较低,低,它可根据因素对设计的影响程度划分。由于因素的模糊性,可认为各因素都是ui在水平论域上的模糊集,则第l失效模式下,第i因素第j水平在水平论域上的模糊集为Uli=uli1,uli2,ulij,其中ulij0,1是第i因素第j水平的隶属度,uli称为因素水平集。2)建立备择集和评估集备择集是由各种可能的评估结果构成的集合。将失效模式的致命度水平加以归类得到备择集:V=v1,v2,vk。在模糊综合评估分析中,它代表在模糊论域上的不同截集水平。设第i因素第j水平的评估集为?Rlij,在第k截集水平下的元素是rlijk,那么第i因素第j水平评估矩阵为?Rlij=rlij1,rlij2,rlijk。那么第i因素的水平评估矩阵为?Rli=rli11rli12rli1krli21rli22rli2krlij1rlij2rlijk(1)式中,rliik 第i因素第j水平对应被选择集中第k截集水平的隶属度。3)建立因素水平权重集和因素权重集设wlij为因素加权项,那么第i因素的因素水平权重集为?wli=wli1,wli2,wlij,其中wlij为第i因素第j水平的权重值。因素权重集为?wl=wl1,wl2,wlj,其中,wlj为第i因素的权重值。4)一级模糊综合评估通过模糊变换可得因素综合评估矩阵?Bli和一级模糊综合评估矩阵?Rl如下:?Bli=?wli?Rli=?wli1,?wli2,?wlij rli11rli12rli1krli21rli22rli2krlij1rlij2rlijk=bli1,bli2,blij(2)?Rl=?Bl1?Bl2?Bli=bli11bli12bli1kbli21bli22bli2kblij1blij2blijk(3)5)二级模糊综合评估通过模糊变换可得二级模糊综合评估集:?Bl=?wl?Rl=wl1,wl2,wlj bli11bli12bli1kbli21bli22bli2kblij1blij2blijk=bl1,bl2,blk(4)6)失效模式综合评估将每一要分析的失效模式进行二级模糊综合评估,可以得到一系列二级模糊综合评估集,将这些二级模糊综合评估集组合成新的涵盖整个系统的失效模式综合评估集,用矩阵?B表示:?B=?B1?B2?Bl=b11b12b1kb21b22b2kbl1bl2blk(5)7)加权平均排序将失效模式综合评估矩阵进行归一化处理,得到归一化失效模式综合评估矩阵如下:?Bu=?B1u?B2u?Blu=b11ub12ub1kub21ub22ub2kubl1ubl2ublku(6)式中,blku=blk/kk=1blk。取备择集中的备择值为失效模式间的权重系数,构成失效模式权重集为V=v1,v2,vkT,由此定义失效模式排序矩阵为F=?BuV=f1,f1,fl。失效模式排序矩阵中的因素fl,为各失效模式对应的排序值,按其大小排序或划分失效水平的等级,就可得到所有失效模式对系统影响程度的定量评估分析。3 应用实例分析金川公司是采、选、冶配套的大型有色、化工联合企业,拥有世界著名的超大型多金属共生硫化铜镍矿床(金川镍矿)。充填采矿法是金川矿区的主体采矿法12,矿区井下充填管线布置复杂,充填管道系统的可靠性直接关系到矿山的生产安全。下面以金川矿区充填管道系统为例来进行分析。3.1 充填管道系统的FMEA金川矿区充填管道输送系统由竖直管道、水平861中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第19卷2009年管道、事故阀、“三通”阀、消能装置、通讯设施及管道固定物组成,结合矿区多年充填实践经验和相关参考资料,得到其失效模式及影响分析如表1所示。按照失效模式对充填系统影响的最坏潜在后果,将致命度分为4个等级:级为灾难性危害,级为严重性危害,级为一般性危害,级为轻微危害。表1 深井充填管道系统失效模式及影响分析序号部件失效模式失效机理失效后果致命度1竖直管道漏浆管道磨损输送中断,管道报废,影响生产计划2竖直管道堵塞下游堵塞,掉入大块骨料输送中断,影响生产计划3水平管道堵塞骨料沉降输送中断,竖直管堵塞,影响生产计划4水平管道爆裂井巷破坏,料浆输送压力大输送中断,管道报废,影响生产计划5水平管道漏浆磨损严重输送中断,管道报废,影响生产计划6事故阀打不开生锈,胶结物凝固无法及时排出浆体,管道堵塞,充填中断7“三通”阀无法开关阀门锈蚀,管道堵塞无法转换输送管道,跑浆,影响充填质量8消能装置不起作用料浆磨损管道输送动压增大,增加管道损坏的可能性9通讯设施线路不通线路中断,话机故障无法进行上下信息的沟通,打乱充填计划10管道固定物脱落管道震动过大,固定端不牢管道变形,水力参数改变,接头跑开漏浆3.2 金川矿区管道输送系统失效影响的模糊评估3.2.1 建立因素集和因素水平集影响失效模式致命度的各因素等级对该因素的隶属度是根据金川矿区充填经验及对管道输送系统各部分的性能与失效状况进行分析得到的。如充填管道输送系统(见表1)第一种失效模式影响(竖直管道漏浆)的模糊评估因素水平集如表2所示。表2 竖直管道漏浆影响模糊评估因素水平集因素u因素水平集元素水平值各截集水平下的隶属度(ulij)发生频率(u1)较少发生10.10.30.80.9有时发生30.50.20.40.8经常发生60.21.00.60.2频繁发生100.80.50.60.4失效严重度(u2)轻微失效10.60.10.20.3一般失效30.50.90.30.1严重实效60.20.40.70.5致命失效100.80.20.90.7可测程度(u3)可被检测10.70.70.20.9多数被检测30.10.60.30.3较少被检测60.20.80.70.2不能被检测100.70.10.50.53.2.2 建立备择集和评估集建立备择集,并赋予相应的被择值(见表3)。由特定失效模式影响的模糊评估因素水平集可以得到相应失效模式的各因素水平评估集?Rli,由表2可以得到第一种失效模式影响(竖直管道漏浆)的水平评估集分别为?Rl1=0.10.30.80.90.50.20.40.80.21.00.60.20.80.50.60.4?Rl2=0.60.10.20.30.50.90.30.10.20.40.70.50.80.20.90.7?Rl3=0.70.70.20.90.10.60.30.30.20.80.70.20.70.10.50.5961第6期 郑晶晶等:充填管道系统失效模式与影响分析(FMEA)及失效影响模糊评估表3 备择集备择集元素备择值截集水平轻度的0.1临界性的0.3致命性的0.7灾难性的1.03.2.3 建立因素水平权重集和因素权重集由于各因素水平都具有模糊性,根据经验及专家评分,可得到相应失效模式的各因素水平的权重集wlj和因素权重集?wl。通过专家意见,得到第一种失效模式影响的各因素水平权重集及因素权重集分别为w11=0.60.30.10.0w12=0.00.10.20.7w13=0.80.150.050.0w1=0.150.60.253.2.4 一级模糊综合评估由式(2)和式(3)可得因素综合评估矩阵?Bli和一级模糊综合评估矩阵?Rl为?B11=w11?R11=0.2300.3400.6600.800?B12=w12?R12=0.6500.3100.8000.600?B13=w13?R13=0.5850.6900.2400.775?R1=?B11?B12?B13=0.2300.3400.6600.8000.6500.3100.8000.6000.5850.6900.2400.7753.2.5 二级模糊综合评估二级模糊综合评估可反映各因素不同水平对失效模式的最终影响。按照式(4)可得到充填管道系统第一种失效模式的二级模糊综合评估矩阵为?B1=w1?R1=0.570 70.409 50.639 00.673 7同理,按照上述步骤,在不同失效模式对应的因素水平集和权重集的赋值根据实践经验和专家意见确定的前提下,分别对金川矿区充填管道系统另外9种失效模式(见表1)进行二级模糊综合评估,得到每种失效模式下的二级模糊综合评估矩阵分别为?B2=0.607 50.360 50.728 00.642 5?B3=0.553 50.439 80.654 20.663 4?B4=0.546 20.429 80.656 90.683 4?B5=0.563 20.453 20.689 60.673 1?B6=0.672 50.438 00.629 40.668 0?B7=0.542 70.501 50.736 00.623 5?B8=0.702 00.469 50.686 40.653 6?B9=0.623 50.463 20.592 30.516 3?B10=0.569 50.398 50.638 40.656 93.2.6 失效模式影响综合评估对充填管道输送系统10种失效模式进行二级模糊综合评估后,按式(5)和式(6)可以得到归一化的失效模式综合评估矩阵?Bu为?Bu=0.248 90.178 60.278 70.293 80.259 80.154 20.311 30.274 70.239 50.190 30.283 10.287 10.235 80.185 60.283 60.295 00.236 70.190 50.289 90.282 90.279 30.181 90.261 40.277 40.225 80.208 60.306 20.259 40.279 50.186 90.273 30.260 20.284 00.211 00.269 80.235 20.251 60.176 10.282 10.290 23.2.7 加权平均排序由表3中的备择值得到构成的失效模式权重集为V=0.10.30.71.0T。因此,金川矿区充填管道系统失效模式影响的排序矩阵为F=0.567 40.564 90.566 30.572 80.566 60.542 90.561 90.535 50.515 80.565 7F中的各元素即为充填管道系统相应失效模式对应的排序值。按照值的大小排序得到充填管道系统失效模式的排序结果如下:(4)(1)(5)(3)(10)(2)(7)(6)(8)(9)。从排序结果可以看出,竖直管道与水平管道的磨损、堵塞与爆裂是充填管道系统的主要失效模式。这与实际情况(表1的FEMA分析中各种失效模式的致命度等级)比较吻合。4 结 论1)结合金川矿区充填实践经验,建立了充填管道系统的FMEA分析表,得出系统存在10种失效模式,并指出了各种失效模式的致命度。2)针对FMEA分析表中失效模式的影响因存在较大的模糊性而难以给出有效而准确估计值的特点,引入模糊数学理论评估了金川矿区充填管道输送系统的失效影响,得出了系统失效影响的排序结果,结果表明,竖直管道与水平管道磨损、堵塞与爆裂是充填管道系统的主要失效模式。3)通过用模糊评估法对金川矿区充填管道系统失效模式影响进行分析,发现所得结果与实际情071中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第19卷2009年况比较吻合,说明该方法能得到定量的失效分析结果,有助于工程人员充分利用模糊信息进行判断,确定失效模式的主次关系,找出系统最易失效的环节,采取相应防护措施,提高生产系统的可靠性。同时,这种方法也能用于其他系统失效模式影响的模糊评估。参 考 文 献1 王新民,肖卫国,张钦礼.深井矿山充填理论与技术M.长沙:中南大学出版社,2005.42 刘同有.充填采矿技术与应用M.北京:冶金工业出版社,20013 杨承祥,罗周全,唐礼忠.基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究 J.岩石力学与工程学报,2007,26(4):819-8204 陈晓乐,金保升,钟文琪.复杂热力系统安全性和可靠性的失效模式影响分析J.能源研究与利用,2008(2):8-115 贺海挺,吴剑国,张爱晖.跨流域调水工程的失效模式及影响分析J.水利水电技术,2004,35(8):100-1046 姚杰,钟再敏,孙泽昌.FMEA在燃料电池客车中的应用J.机电一体化,2007(3):71-737 张文艳,姚安林,李又绿等.埋地燃气管道风险程度的多层次模糊评价方法J.中国安全科学学报,2006,16(8):32-358 曾亮.多层次模糊评估法在民航不安全事件风险评估中的应用J.中国安全科学学报,2008,18(1):131-1379 门峰.模糊集理论与灰色关联理论的FMEA方法J.工业工程,2008,11(4):110-11210 崔文彬,吴桂涛,孙培廷等.基于FMEA和模糊综合评判的船舶安全评估J.哈尔滨工程大学学报,2007,28(3):263-26711 冯巨恩,吴超.深井充填管道失效概率准则的模糊综合评判 J.中南大学学报(自然科学版),2005,36(6):1 079-1 08312 刘同有,周成浦.金川镍矿充填采矿技术的发展J.中国矿业,1999,8(4):1-4171第6期 郑晶晶等:充填管道系统失效模式与影响分析(FMEA)及失效影响模糊评估尹贻林 教授,天津理工大学管理学院院长,博士,国家级教学团队 带 头 人。1957年5月 生。19821987年在天津大学工作,现兼任该校博士生导师。1996年调入天津理工大学,2000年至今任管理学院院长。近年来主持国家级科研项目3项,省部级科技项目8项,科研经费达200余万元,其中已完成7项,鉴定结论均为国内领先水平;在政府投资项目管理模式改革研究和工程造价管理研究领域居国内领先水平。曾获得国家级教学成果二等奖2次;天津市科技进步二等奖1次,三等奖4次。讲授课程曾获国家级精品课称号,获第三届高等学校国家级教学名师称号。钱建平 硕士,北京市农林科学院国家农业信息化工程技术研究中心助理研究员,主要研究方向为农产品安全生产管理与溯源技术、农产品精准配送技术。1979年11月生于浙江湖州,近3年作为技术骨干先后参加国家和省部级重点项目8项,在研国家“863”课题和国家科技支撑计划重点项目各1项。其间,申请发明专利2项,获得软件著作权登记6项,在国内外核心期刊上发表论文15篇。游鹏飞西南交通大学交通运输学院博士研究生,国家注册安全工程师,国家注册安全评价师。江苏 泰 州 人,1980年3月 生。2004年毕业于沈阳航空工业学院安全 工 程 专 业,获 学 士 学 位,20042007年在中国飞行试验研究院工作,任助理工程师,主管安全教育培训、技改项目“三同时”、OSHMS18000/ISO14000体系、安全评价等相关工作。2007年9月攻读西南交通大学交通运输学院安全技术及工程专业硕士学位,2008年获得交通运输安全工程专业硕博连读资格,主要从事隧道施工安全、交通运输安全及安全评价等方面的研究。主研隧道、地铁、铁路运输等多个省部级科技攻关项目,作为负责人完成涉及航空、兵器、交通、水电、化工、冶金等多项国家大中型建设项目的安全评价工作。在国内外重要会议及学术期刊上发表论文9篇,其中EI检索期刊3篇,核心期刊2篇。李传贵 国家安全生产监督管理总局研究中心副主任,教授级高工,国务院政府特殊津贴专家,中国职 业 安 全 健 康 协 会 理 事,硕士生导师,国家首批注册安全工程师。1963年10月生,曾先后参 加 安 全 生 产 领 域“八五”、“九五”及“十五”国家科技攻关和科技部技术基础与社会公益项目的论证、研究、组织工作。目前重点开展安全规划、生产安全事故应急救援体系规划、应急指挥系统平台、应急法规标准与应急管理、化工园区区域安全规划方法及企业发展战略与规划等项目研究。曾获省部级科技进步二等奖3项,三等奖2项及专利1项。参与编著城市安全地理信息系统设计与开发 、我国大中城市安全生产(灾害)状况及应对策略 、面向二十一世纪的安全科学技术 和中小企业安全生产教育读本 等多部著作,发表论文30余篇。高 云 西安建筑科技大学材料科学与工程学院团委书记,河南省开 封 市 人,1981年2月 生。2005年毕业于西安建筑科技大学材料科学与工程学院安全工程专业,获工学学士学位。同年留校担任学生思想政治辅导员,并被保送攻读2007年安全技术及工程专业硕士学位,研究方向为结构安全性、高层建筑火灾对策研究,主要从事高层建筑火灾模型、高层建筑火灾救火模型的研究及安全生产评估。已发表数篇与研究方向相关的论文,同时参与多项安全评估工作。郑晶晶硕士研究生,湖南邵阳人,1985年5月生。2007年6月毕业于中南大学安全工程专业,后保送继续攻读该校安全技术及工程专业硕士学位,主要研究方向为安全工程技术及充填采矿。硕士期间跟随导师参与“金川矿区破损充填钻孔重复修复使用综合技术研究”、“贵州开磷矿业总公司黄磷渣胶结充填技术研究”及“焦家矿区尾砂固结材料不同配比试验及工艺改造方案研究”等多项课题。已在国家级核心期刊上发表数篇论文。业余爱好主要有篮球、吉它等。