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安全系统工程 课堂笔记
• 作业三：FMEA（故障类型和影响分析）
FMEA 概述
• 全称：故障类型和影响分析（Failure Mode and Effects Analysis ）
• 是一种定性分析方法
• 用于识别子系统中的各种故障及其原因，以及这些故障对子系统和整个系统的
影响
• 主要应用于固定设备设施（资产、固定资产） ，如汽车等
定义
FMEA 是一种定性的系统安全分析方法，通过分析系统中各组成部分可能出现
的故障类型、故障原因及其对子系统乃至整个系统的影响，为故障排除和预防
提供依据。
FMECA 概述
• 全称： 故障类型、 影响和致命度分析 （Failure Mode, Effects and Criticality Analysis）
• 在 FMEA 基础上增加致命度（知名度）分析
• 致命度分析是对故障类型进行进一步量化分析，确定其导致致命影响的概率和
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等级
• 结合了定性的 FMEA 与定量的致命度分析，形成更全面的分析
注意
FMEA 是定性方法，FMECA 是在 FMEA 基础上加入定量分析（致命度分析） 。
两者是递进关系，不要混淆。
故障的定义
定义
故障是指元件、子系统或系统在规定时间内、规定条件下，不能达到设计规定
的功能，或不能完成规定任务或功能的能力。
• 故障与可靠度是相反的概念
• 可靠度：产品、元件或子系统在规定时间内、规定条件下能够完成规定功能的
能力
• 故障也可称为不可靠度
注意
故障与可靠度互为反面。可靠度是 ” 能完成规定功能的能力 ”，故障是” 不能达
到设计规定功能”，两者是同一问题的两个侧面。
故障模式
• 故障模式是指故障所呈现的状态
• 故障模式识别不准确，会导致原因分析偏差、措施缺乏针对性
例
一个阀门的故障可表现为四种类型：内漏、外漏、打不开、关不紧。
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故障模式的五个主要方面
1. 运行过程中的故障：在正常运行过程中出现的问题
2. 提前动作：设备在未收到指令时突然自行启动（如机器人危险动作）
3. 规定时间内未能启动或停止
4. 运行能力降低：设备正常运行能力随使用时间增加而下降
5. 超量或受阻：设备输入或输出量超过预期范围
注意
“提前动作” 是容易被忽视的故障模式——设备在不应动作时突然动作，可能造
成严重危险，属于故障的一种。
常见设备的故障模式
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• 容器：泄漏、不利于降温、加热时断热、冷却过度等
• 热交换器（换热器）：堵塞、流速过大、泄漏、变动、震动等
• 水泵、涡轮机、发电机：各类运行故障
• 配管网：泄漏、堵塞等
• 阀门、流量调节装置、电力设备、计量装置：内漏、外漏、打不开、关不紧等
• 支撑结构：变动、松动、缺损
• 齿轮、滚动轴承：断裂、滚珠破碎、内部腐蚀产生裂纹
例
现代大型换热器的内部换热管、换热板、芯片等部件，可通过内窥镜等无损检
测技术进行检查，无需拆解即可达到检测目的。
故障检测方法
• 故障识别手段
• 操作人员和维修人员的经验
• 仪器仪表检测
• 分析故障的原因、影响、严重程度
• 进行故障严重度分级
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例
特种承压设备检查可查阅广东省特种设备检测研究院相关资料； 高级检验师 （高
检师）含金量高但要求很高；质量监督检验站负责相关检验工作。
故障类型及影响分析的应用历史
• 1957 年起应用于飞机发动机设计
• 随后在核电站、动力机械、仪表等领域广泛应用
• 主要用于系统安全设计
FMEA 分析流程
1. 明确系统并确定分析层次：梳理子系统和组成部分
2. 确定故障模式：根据各层次和对象确定可能的故障模式
3. 理解功能框图：明确子系统及其功能、各功能组件之间的连接方式（串联、并
联、桥式连接等）
4. 分析模式及其影响：深入分析故障模式对系统的影响
5. 确定故障严重程度
6. 制定预防措施
注意
可靠性框图中的连接方式（并联、串联、桥式连接等）在可靠性讨论中并非重
点，但理解功能框图至关重要——它有助于明确子系统功能及组件间的连接关
系。
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分析层次的选择
• 设计阶段： 需进行更详细、 深入的分析， 对关键部位细化到元件， 工作量、 人员
和时间成本更高，但更准确
• 安全管理阶段：可相对粗略，不必分解到元件细节
例
空调本质上就是一个换热器，将室内热排到室外、冷气进入室内。但因其需
24∼72 小时连续运行，对能量损耗、噪音控制提出更高设计要求，体现了系统
设计中对细节的讲究。
明确和熟悉系统
• 进入相关行业后需学习该行业特定知识（如化工行业总平面布局中不同符号代
表不同设备设施）
• 设计文件通常包括： 设计任务书、 设计说明书、 图纸、 使用说明书、 标准规范等
• 通过审阅设计资料，全面理解系统功能、构成、子系统连线与功能
• 分析各元器件在系统中的重要性、可能产生的影响及后果严重程度
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例
电厂选择：电厂待遇优厚但需离开广州；广州市内单位稳定但电力系统稳定性
更好。现代电厂多采用天然气发电，环保干净，机组国产化程度高，控制运行
几乎全自动化，采用超超临界技术，转速高，实现气电热冷联供，综合效益高。
变频空调与压缩机原理
• 室外机通过压缩将气体变为液体，传输至室内机，经节流阀膨胀变为气体，吹
出后再压缩，循环往复
• 变频空调核心是压缩机转速可变：需要温度高时压缩机减少工作量、降低转速
• 变频技术依赖变频器和变频电机，成本较高
• 温度控制曾是” 卡脖子” 技术，现国产已能解决
功能框图与子系统连接
• 子系统和组件之间存在相互联系与连接方式，即功能的关联性
• 简单系统通常表现为流程，可用框图表示
• 可靠性框图将在后续可靠性章节专门讲述
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故障类型分析（FMEA 核心步骤）
• 分析可能的故障类型，即预设的故障场景
• 故障场景可来自凭空假设，也可借鉴传统经验（如易燃易爆场所）
• 动设备故障类型通常更多
• 通过监测元器件了解运行状况，如噪音来源可能与磨损或泄露有关
• 对故障进行等级划分，再按轻重缓急采取措施
故障等级划分
• 故障分级主要依据严重性划分，包括严重、致命、临界、灾难性等级
• 前两种为主要，第三种为关键，第四种为灾难性
• 关键和灾难性故障概率很低，二级概率较低，三级中等，四级高
• 故障概率数据来自统计结果和同类产品的统计分析，尽量定性判断
定义
若已知元器件在使用过程中的所有故障概率，则可计算系统的失效概率，进而
从可靠性角度计算出系统的可靠度。
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风险矩阵
• 基于两个关键因素：故障概率和严重程度
• 严重度标号 1、2、3、4，故障概率标号 1、2、3、4
• 根据对角线判断风险水平：确定严重度和发生概率后，焦点位置代表分析对象
的风险水平
• 高风险、中风险、低风险区域划分取决于判断准则的设定
降低风险的途径
• 减少风险的严重性
• 降低风险发生的可能性
• 这是 FMEA 分析的基本过程
注意
元件正常工作期间，任何单一故障类型出现的概率必须小于所有故障类型的总
概率。故障概率定级量化原则共四个等级，通常若未超过 20% 的最大概率，该
概率已相当高。
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危险可操作性研究（HAZOP）概述
• 前三种系统安全分析方法：检查表、预先危险性分析、FMEA、FMECA
• 第四种方法为危险可操作性研究（HAZOP） ，适用于流程工业
• FMEA 主要关注设备、设施和机械装置；HAZOP 关注管道、压缩、泵、储罐等
输送流体介质的设施
• 关注生产装置和工艺过程中可能出现的偏差，找出原因、分析后果、采取对策
定义
危险可操作性研究 （HAZOP） 主要关注在生产装置和工艺过程中， 工艺参数和
操作控制中可能出现的偏差，即寻找偏差、分析原因、评估后果以及确定如何
避免这些后果。
HAZOP 的应用范围与特点
• 起源于 1974 年英国帝国化学公司（ICI）的工程项目设计审查
• 在项目开始前即可用于分析危险和操作性
• 涉及阀门、储罐和监控系统等
• 工艺参数包括温度、压力、流量等，如人体体温、血压、心率、血氧浓度（需保
持 94% 或 95% 以上） 、血糖等
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