基于FMEA分析的楚磷矿充填系统可靠性评价

基于FMEA分析的楚磷矿充填系统可靠性评价

田晓明

湖北楚磷矿业股份有限公司湖北保康441614

摘要：与管道输送充填系统的广泛应用相比，目前楚磷尾矿充填系统的安全评价还相对滞后。本文通过对充填系统的研究分析，发现主要存在4组基本的不确定性问题，并通过FMEA分析方法对楚磷矿充填系统可靠性进行评价。

关键词：充填系统；不确定性；可靠性；评价

充填系统可靠性研究思路是把系统视为一个串联或并联系统，应用可靠性的理论方法和各种概率条件的假设，进行可靠度的计算分析。分析与计算的目的，主要是计算单元或系统的可靠性指标，分析某段管道或设备的故障模式及其原因，研究单元或系统故障率的变化规律及对充填系统的影响，提出改善和提高充填系统可靠性的具体而有效的措施，保证系统在要求的可靠度指标下工作。

充填系统评价的目的主要在于寻找一种适用性强，准确度高的评价尺度和评价方法，为系统设计和运行参数的安全判定提供科学依据，并指出系统改进的方向和目标，为制定充填系统的安全对策提供依据。

1楚磷低成本全尾矿分类充填系统不确定性

除由于矿山企业生产条件的特殊性外，现有的采用确定性评价的方法不合理也是主要原因。充填系统的特点和运行方式研究可以发现，充填系统运行中存在大量的不确定性事件，这些基本事件的不确定性会对安全评价结果产生本质影响。研究结果表明，在充填系统的评价中主要存在4组基本的不确定性问题：（1）原料及供给的不确定性；（2）制备和输送的不确定性；（3）充填效果的不确定性；（4）充填系统失效模式的不确定性。充填系统如下图1所示。

图1充填系统层次结构示意图

2充填系统可靠性分析方法

充填系统每个层次的要素大都具有随机不确定性，系统的故障类型以偶然故障和渐变故障居多，影响系统安全性的因素也大多具有不确定性。同时由于充填系统运行状况相当复杂，难以精确量化，如果在系统安全评定中采用确定性的方法，评定结果过于片面，因此应通过采用多种方法进行分析。本研究用故障模式和影响分析（FailureModeandEffectsAnalysis，简记为FMEA）对充填系统进行综合可靠性分析，以找出系统的薄弱环节，实现改进设计和运行参数、提高可靠性、降低维护费用的目的。

3楚磷矿充填系统FMEA可靠性评价

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的一种归纳分析方法。其分析结果可为设计综合评定、维修、安全等工作提供信息。

FMEA最根本的特点是自下而上，从元器件、零部件逐层、全面分析各层次产品的故障模式及其对上一层次和最终产品层次的故障影响，即系统性、层次性地分析故障的逻辑关系。特别是由于系统性特征而引起的故障模式及其故障影响的逻辑关系，在FMEA中也得以分析与描述。

3.1FMEA失效评价与决策的方法

FMEA中的失效风险评价与决策采用常规分析和模糊分析相结合的方式进行。常规分析方法简单，不需要高深的数学理论，适用性广，实用价值高。但是该分析方法对同时产生的多个故障的分析较困难，故通过引入模糊分析相结合的方法，对常规方法在理论上进行提升，即综合考虑了所有故障的相互影响，又给出了失效风险较大的系统，为充填系统改进设计提供更加科学的决策依据。

3.2基于风险优先法充填系统风险评估

1）风险优先法原理与计算步骤

常规的分析方法有很多种，目前运用较为广泛的为风险优先数法与评点法。本系统采用较适合充填系统风险评估的风险优先法。

风险优先法又称风险系数法或风险概率数法，它是采用风险优先数（RPN）对潜在的失效模式进行风险评估，以确定影响程度。其方法是采用风险优先数（RPN）的数据，进行风险评估。风险因子由下列组成：

Sf：发生度—失效发生的机会；

Sd：难检度—失效不被工作人员觉察出来的机会或检测的难易程度；

S：严重度—失效产生的后果。

以上因子按程度大小，以1至10进行衡量打分，各因子的程度等级（发生几率）与分数对照如表1至表3所示。

风险优先数（RPN）由发生度、难检度、严重度三者相乘而得（如式1所示）：

（式1）

2）楚磷矿充填系统FMEA分析

（1）FMEA分析表的初步建立

根据充填系统的层次结构体系，结合楚磷矿充填系统方案设计，按照FMEA的建立流程，逐步分析可得到充填系统失效模式及影响分析表。在充填系统的失效原因中，虽然也有设计不满足规范、材料性能不合格、施工质量不高及操作管理不当等原因，但这些因素受人为影响干涉比较大，故在表中没有列出。

通过系统的主要部件失效模式及影响分析，可找出充填系统所有的可能失效模式、原因、失效时局部、对上一层次和最终影响。

（2）FMEA的失效风险评价

建立FMEA进行失效风险评价的目的，是为了对不同环节失效所造成的危害进行综合判断与分级，找出整个系统中最薄弱环节，以便相关人员有针对性地采取防护措施。根据充填系统的特点，采用风险优先法来进行风险评估。从表5可以看出，管道输送系统是最容易出现失效的环节。

表1发生度的程度等级与分数对照

表2难检度的程度等级与分数对照

表3严重度的程度等级与分数对照

发生度（Sf），难检度（Sd），严重度（S）的值，按照表1、表2、表3所发生等级的大小，给予1至10的分数。改善顺序以风险优先数（RPN）的大小排列，若RPN相同，则按照Sf，Sd，S的分数高者为优先。通过对充填系统各个子系统的风险评估过程，而风险评估结果则汇总于表5。从表5可以看出，管道输送系统是最容易出现失效的环节。

表5充填系统的风险评价表

3.3设计充填系统方案可靠性分析

基于FMEA分析方法辨识出楚磷矿最容易出现失效的环节是管道输送系统。本节将对设计充填系统管道输送可靠性进行评价。

充填料浆由固体颗粒与水构成，是一种典型的两相流。其在管道中的运动形式主要由水的紊流特性决定，同时也受到颗粒间的相互干涉与扰动影响。

紊流的主要特性是脉动现象，固体颗粒受脉动影响可能向上运动，在管道中呈现三种运动形式，分别是不连续跳跃状态、间歇性悬浮状态和完全悬浮状态。不连续跳跃是水流速度很小时固体颗粒不动，当水流速度达到某一临界值时，固体颗粒沿管道底部作滑动并不连续跳跃运动的一种形式；间歇式悬浮状是当流速进一步增大时，固体颗粒处于间歇式悬浮状态，即在管底与水流中作不规则运动；完全悬浮态是介质流速达到某一高速后固体颗粒不再沉入管底的现象。

决定固体颗粒处于何种状态，主要取决于固体颗粒的大小与介质的流速。理论上说，介质流速越高，产生垂直脉动速度也越大，从而悬浮的力量也就越大；另外，在相同速度下，固体颗粒物质直径越大，越难以悬浮；相反，颗粒越细，则越容易悬浮。

实际料浆输送过程中，颗粒的运动状态不可能相同，固体颗粒相互干扰，相互碰撞，导致颗粒呈不规则上下运动状态，管道内同时出现固体颗粒的多种运动形态。实践证明，颗粒群的运动状态与颗粒浓度大小、粒径及速度有关。因此在管道压力作用下，管道中的颗粒分布主要呈4种流动状态，即均匀悬浮流动、非均匀悬浮流动、有滑动场非均匀流动和管底有沉淀层的流动。

事实上，膏体充填时浆体呈现结构流特性，水几乎不通过砂浆集团内部颗粒之间而流动。这个砂浆集团类似于极易变形的塑性体，固体颗粒主要靠砂浆集团前后形成的流体压力差推动向前运动。因此，在膏体泵送充填条件下，只要选择的充填工业泵压力足以克服浆体阻力损失，就不易发生堵管现象，从而保证充填系统正常。

白竹矿区充填系统方案考虑了如下防堵管工艺、技术和设施，可以保证所推荐的充填系统方案稳定、可靠：

（1）计算白竹矿区重选尾矿、磨细尾砂混合充填料浆泵送最大阻力损失约为10MPa（包括克服浆体重力损失、沿程阻力损失、局部阻力损失和泵的启动压力），而建议选择的充填工业泵泵压不低于15MPa以上，是最大阻力损失的1.5倍以上，可靠性较高，可实现充填料浆似膏体稳定泵送充填。

（2）为防止输送过程中充填工业泵突发状况，建议配置1台同等压力的混凝土拖泵，在充填泵发生故障时，及时切换至拖泵，将料浆推出。由于选择的泵压富余系数较大，可以保证切换过程中不会因充填短暂中段而引起堵管事故的发生。

（3）设置高位水池，保证管道清洗及事故处理时能够提供足够流量和压力的井下涌水。

4结束语

对充填系统的可靠性进行评价，不仅对现有充填系统的失效判断和充填管理具有重要的指标意义，而且根据主要失效模式及后果分析，失效概率计算，能起到科学客观地指导充填系统设计和故障预防，减少事故发生频率和事故损失、优化充填系统的设计和运行，为矿山安全高效采矿创造条件。