核级蝶阀的模糊故障树分析

蝶阀是指蝶板在阀体内绕固定轴旋转，从而达到切断和节流作用的阀门.核级蝶阀主要用于核电厂冷却系统和安全壳内输送空气介质的系统.核级阀门要解决的首要问题之一就是可靠性问题.关于核级阀门可靠性的研究，文献介绍了根据机械产品故障模式及特点对阀门常见故障进行分析及分类的方法，并说明开展阀门可靠性研究工作的重要性；

文献介绍了可靠性理论及在阀门设计制造、维护方面的应用方法；文献将故障树分析（FAul Tree AnAly,FTA）方法应用于截止阀的故障分析，并描述了FTA的一些优点.总体而言，目前对阀门的故障分析只限于常规的FTA方法.然而，常规FTA方法将顶事件和底事件发生的概率视为精确值，这种方法不能适应实际工程中客观存在的模糊现象.因为在实际工程中，各种故障发生的概率不仅具有随机性，而且具有模糊性.鉴于此，文献介绍了模糊FTA的基本理论，并举例说明模糊FTA处理随机性和模糊性的有效性；文献提出将模糊FTA与模糊危害度分析相结合的故障分析方法，并将其应用于数控机床的故障分析。

本文以某核级蝶阀为研究对象，在分析其功能结构的基础上，建立核级蝶阀失效的故障树.进而应用模糊FTA技术对故障树进行分析，为核级蝶阀的设计改进和合理维护提供参考依据。

 1 模糊FTA

模糊FTA是在常规FTA的基础上引进模糊数学理论进行可靠性分析的一种工具.在工程实践中，模糊FTA能弥补常规FTA的不足，使可靠性分析达到更好的效果。

1.1 FTA

FTA是可靠性分析的重要方法之一，它以系统最不希望发生的故障（顶事件）作为分析对象，用规定的逻辑符号和逻辑关系找出导致这一事件发生的所有可能原因，并由此逐步深入分析，直到找出导致顶事件发生的最底层原因为止，由此建立起一棵倒置的树状流程图即故障树。

 1.2 三角模糊数

 与常规FTA方法不同，模糊FTA采用模糊数表示故障事件发生的概率.这样既能避免获取某些事件发生概率精确值的困难，又能结合专业技术人员的实际经验和判断来弥补现实数据的缺失，从而较为准确地给出故障事件的概率，同时由于模糊数本身允许一定的误差，因此用模糊数表示故障事件的发生概率具有较大的灵活性和适应性。

 模糊数的定义：如果是实数域Ｒ上的正常模糊集，且对于任意0≤λ≤1，其截集Aλ是一个闭区间，则称A是一个模糊数。

 三角模糊数B作为模糊数的一种类型，可将其记为［（M－α），M，（M＋β）］。α≤M≤β，对于任意0≤λ≤1，它的λ截集为Bλ＝［（M－α）＋α×λ，（M＋β）－β×λ］为一个闭区间。α和β分别表示B的置信上限和置信下限，M为B的均值，当α，β等于0时，B退变为常规的精确值，如图1所示。

图1　三角模糊数B

 1.3　模糊FTA中的模糊算子

 模糊FTA方法中，故障树底事件的发生概率被视为模糊数fi，模糊门算子为fs。因此，故障树顶事件T发生的概率也为模糊数

    式中：φ为f_s的函数，该函数完全取决于故障树的结构。

    当用三角模糊数表示底事件发生概率时，即底事件发生概率f_i的λ截集为

    则模糊FTA的与门结构和或门结构的模糊算子如下：

    1）与门结构：

    2）或门结构：

 根据式（1～4）便可计算出系统顶事件发生的概率，该概率值也为模糊数.

 2　核级蝶阀失效的模糊FTA分析

 2.1　核级蝶阀的功能和结构

 核级蝶阀是用圆形蝶板作启闭件并随阀杆转动来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门，其结构如图2所示，主要包含电动执行机构（1）、接座（2）、轴承（3）、阀体（4）、压板（5）、阀杆（6）、蝶板（7）、密封圈（8）所组成。

图2　核级蝶阀结构

 2.2　核级蝶阀失效的故障树建立

 选择“蝶阀失效”为顶事件T，建立蝶阀故障树之前，针对实际情况，做出如下假设：

    1）蝶阀运行过程中，由操作者引起的故障不予仔细考虑。

    2）由于安装失误引起的蝶阀故障不予分析。

    3）对蝶阀电动传动部分的失效统一划分为电动传动部分发生故障、电动传动部分和蝶阀连接处发生故障，而对于电机自身故障不做详细分析。

    4）对蝶阀故障的分析中，由于蝶阀接座不直接参与蝶阀的启闭运动，也不直接接触介质，因此其发生故障的概率很小，近似认为接座发生故障的概率为零。

    5）建立故障树时，为简化过程，减少故障树的枝丫，被忽略事件没有写出。

    根据上述假设，建立蝶阀故障树如图3及图4。其中故障树中各底事件的名称和代号如表1所示，顶事件和中间事件的名称和代号如表2所示。

图3 核级蝶阀系统失效的故障树（主图）

图4 核级蝶阀系统失效的故障树（子图）

表1 底事件的名称及其代号

表2 顶事件和中间事件的名称及其代号

 2.3 核级蝶阀故障树定性分析

    用下行法求蝶阀失效故障树的最小割集，求解过程见表3.

表3　用下行法求解蝶阀失效故障树的最小割集

根据假设，M12，X1，X15发生的概率在此不予考虑.因此，由以上方法求得最小割集为｛X7｝，｛X8｝，

｛X9｝，｛X10｝，｛X11，X12｝，｛X3，X4｝，｛X13｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，

｛X19，X20｝，｛X21｝，｛X22｝，｛X2｝，｛X5，X6｝.这些最小割集构成该核级蝶阀的薄弱环节，

代表顶事件发生（蝶阀失效）的各种原因组合，即顶事件的发生，必然是某个最小割集中基本事件同时发生的结果.通过定性分析，可以确定核级蝶阀在设计和运行阶段的薄弱环节，以便改进设计、合理维护.根据可靠性理论知识，系统的最小割集越多，系统的可靠性越低，因此，应该在保证系统功能的前提下，尽量简化结构，提高构件的质量和加工精度，如对于X9（介质腐蚀蝶板）可以采取表面喷涂层或采用特殊材料的措施提高其可靠性；X15（轴承疲劳）可以采取定期检查更换和保持环境的密封性等措施来保证其可靠性。

 2.4　核级蝶阀模糊故障树定量分析

 为分析简便，仅取中间事件密封圈损坏M9为例来说明模糊FTA的定量分析原理.根据有关试验数据、历史统计资料以及工程技术人员的经验，得到其基本事件故障率的均值M和置信上下限α、β。如表4所示。

表4 密封圈损坏基本事件的模糊故障率

由式（2）和表4中数据得

 根据式（4～6）得

 fM₉为一区间数，对不同的λ取值，可得到不同f_M9的置信区间。当λ＝1时，f_M9＝0.015，即在不考虑各基本事件发生概率的模糊性相当于底事件的发生概率为一确定值时，顶事件M9发生概率为1.5％。当λ＝0时，f_M9的值为一区间，f_M9＝［0.005，0.024　9］，即在充分考虑事件的随机不确定因素和模糊不确定因素时，密封圈损坏的概率在0.5％和2.4％之间变化，也就是说，顶事件M9发生概率最小为0.5％，最大为2.4％。同理，在已知其他底事件发生的不确定性概率的基础上，运用此方法可以计算出顶事件发生的概率范围。该结果作为一种定量依据，为故障原因分析提供较大的灵活性。

 3 结论

 1）选择“阀门失效”为顶事件，建立核级蝶阀的故障树。

 2）通过故障树定性分析，得到故障树所有最小割集，这些割集是导致核级蝶阀失效的所有可能原因，也是核级蝶阀设计中的16个薄弱环节。为核级蝶阀的设计改进和合理维护提供参考依据。

 3）以密封圈损坏的模糊概率计算为例，进行模糊故障树定量分析，得到密封圈损坏的概率为［0.005，0.024　9］，为核级蝶阀的维修策略提供依据。