تحليل مدهاي خرابي و اثرات آن (Failure Mode & Effect Analysis)

1. به نام خدا تحليل مدهاي خرابي و اثرات آن(Failure Mode & Effect Analysis) ارایه: دکتر عليرضا فريدونيان دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی مهر 1391

2. مقدمه • ارزيابي كمي ريسك و احتمال وقوع رخدادهاي نامطلوب و شدت عواقب آن براي رقابت شركتهاي برق ضروري شده است. انگيزه هاي اصلي ارزيابيهاي كمي قابليت اطمينان:اخذ بهترين تصميم ها در چگونگي بهبود عملكرد سيستم، چگونگي مديريت مصالحه ها بين ملاحظات فني، اقتصادي و ايمني.

3. بخش اولروشهاي ارزيابي قابليت اطمينان در سیستم ها

4. روشهاي ارزيابي قابليت اطمينان مدلسازي شبكه اي (Network Modeling) مدلسازي ماركوف (Markov Modeling) شبيه سازي مونت كارلو (Monte Carlo Simulation) قابليت اطمينان سيستم برحسب تركيب منطقي احتمال وقوع رخدادهاي تصادفي در سيستم ارزيابي مي شود، و اين مبنا در همه روشهاي مختلف ارزيابي قابليت اطمينان مشترك است. 2 1 3 عملكرد صحيح ازكار افتاده

5. مدلسازي شبكه (Network Modeling)

6. از ديدگاه قابليت اطمينان براي عملكرد صحيح يك سيستم سري بايد همه عضوهاي آن در حال كار باشد و بنابراين از كار افتادن هر عضو موجب از كارافتادگي سيستم مي شود. سيستمهاي سري ضعيف ترين نوع ساختاري سيستمها از نقطه نظر قابليت اطمينان محسوب مي شوند. سيستمهاي سري 1 2 Q= احتمال ازكارافتادگي سيستم R= احتمال عملكرد سيستم (قابليت اطمينان) بعلت كوچك بودن Q

7. سيستمهايموازي • از ديدگاه قابليت اطمينان، يك شبكه موازي با عملكرد حداقل يك عضو سالم عملكرد انتظاري خود را خواهد داشت. 1 2

8. - سيستم متوالي با n عضو: سيستمهايي باn عضو 1 2 n - سيستم موازي با n عضو: 1 2 n

9. مثال: سيستم سري- موازي • حل: • مفروضات مساله: Q1 = 0.01 Q2 = 0.02 Q3 = 0.03 2 1 3

10. Solution (cont’d) • احتمال رخداد خرابي در سيستم: • قابليت اطمينان سيستم برابر است: which is also equal to RSYS = 1 – QSYS • As shown in this example, the system probability of failure and reliability are dominated by the series component 1 • i.e. a series system is as good as its weakest link

11. ارزيابي قابليت اطمينان در سيستم هاي پيچيده • از آنجا كه ساختار عموم سيستمها به سادگي سيستمهاي سري يا موازي نيست، براي مدلسازي و ارزيابي قابليت اطمينان آنها شيوه هاي ديگري نياز است: • تحليل كات ست(Cut Set Analysis) • تحليل تاي ست (Tie Set Analysis) • درخت خطا (Fault Tree) • اين روشها همگي در زيرمجموعه روش مدلسازي شبكه قرار مي گيرد.

12. كات ست (Cut Set) كات ست (Cut Set): مجموعه اي از اجزاء سيستم كه خرابي همه آنها موجب خرابي سيستم مي شود: {F, AB, CD, AED, BEC, …} مينيمالكات ست (Cut Set): زيرمجموعه اي از كات ست ها كه حتي در صورت عملكرد يكي از آنها نمي توان با قطعيت خرابي سيستم را نتيجه گرفت: {F, AB, CD, AED, BEC} • بر اساس مدهاي خرابي سيستم عمل مي كند. A C E F تعريف 1 B D تعريف 2

13. مجموعه انقطاع (Cut Set) • در سيستم هاي پيچيده بايد با الگوريتمي MCS را بدست آورد.

14. مجموعه تاي ست (Tie Set) A C • مكمل روش كات ست است. • بر اساس مدهاي درستي سيستم عمل مي كند. • تشكيل همه مسيرهاي اتصال غيرتكراري و متوالي عناصري كه عملكرد صحيح آنها موجب عملكرد سيستم مي شود. E F B D T1 A C F T2 B D F Rsys = P(T1U T2U T3U T4) T3 A E D F T4 B E C F

15. درخت خطا (Fault Tree) • روشي تصويري براي نمايش دلائل خرابي و ريشه هاي رخداد هر خرابي در يك تجهيز يا سيستم. • ابزاري است جهت ارزيابي هاي كيفي رفتار تجهيز يا سيستم از نقطه نظر قابليت اطمينان، كه با استفاده از اطلاعات مربوط به قابليت اطمينان اجزاء و روند منطقي رخداد خرابي، از پائين ترين سطح به بالا، نهايتا به ارزيابي كمي قابليت اطمينان سيستم منجر خواهد شد. • اين شيوه نوع خاصي از خرابي را به عنوان حادثه نهايي (Top event) در نظر مي گيرد. تركيب و توالي ساير رخدادها كه منجر به وقوع حادثه نهايي مي شود ساختار درخت معايب را بوجود مي آورد.

16. حادثه نهايي سيستم حفاظتي خطا را حذف نكند گيت منطقي مثال: تشكيل درخت خطا براي يك سيستم حفاظتي- سيستم حفاظتي شامل: بركر، رله، CT، باتري و سيم كشي-كنترلي.- حادثه نهايي فرضي: سيستم حفاظتي نتواند خطا را حذف كند. حوادث مبنا خرابي بركر خرابي CT خرابي رله خرابي باتري خرابي سيمكشي

17. مدلسازي به روش ماركوف • روشي براي مدلسازي رفتار اتفاقي سيستم. MTTF: مدت زمان ميانگين تا وقوع خرابي در سيستم. نرخ خطا (λ): آهنگازكارافتادگي MTTF= λ عملكرد صحيح ازكار افتاده µ تعريف 1 تعريف 2 تعداد ازكارافتادگي سيستم در يك محدوده زماني λ= محدوده زماني كه سيستم در حال كار بوده ثابت مي شود 1 λ

18. مدلسازي به روش ماركوف • روشي براي مدلسازي رفتار اتفاقي سيستم. MTTR: مدت زمان ميانگين تعمير سيستم نرخ تعمير (µ): آهنگ تعمير = rMTTR= • مقدار µ بسيار بزرگتر از λ است زيرا سيستم بايد در وضعيت نرمال عملكرد خود باشد. λ عملكرد صحيح ازكار افتاده µ تعريف 3 تعريف 4 تعداد تعميرات موفق در يك محدوده زماني T µ= محدوده زماني كه سيستم در حال تعمير بودهدر يك محدوده زماني T ثابت مي شود 1 µ

19. تحليل مدهاي خرابي و اثرات آن(FMEA)

20. تعريف ها تعريف 1 مدهاي خرابي (Failure Mode) جزء يا تركيبي از اجزاء شبكه، يا بطور كلي راههايي كه موجب خرابي و عدم عملكرد سيستم مي شود. تعريف 2 تحليل مدهاي خرابي و اثرات آن (FMEA) تكنيكي براي درك رفتار اجزاء سيستم از نقطه نظر قابليت اطينان، كه بر بررسي اثر خرابي اجزاء بر اجزاء ديگر و كل سيستم استوار است.

21. هدف از مطالعات FMEA: اعمال عملياتي براي شناسايي و كاهش خرابي هاي شبكه با درنظرگرفتن بالاترين اولويت براي آنها.

22. مراحل اصلي FMEA • تعريف سيستم (شبكه). شامل محدوده سيستم، توابع داخلي آن و سطوح مشترك با عوامل اثرگذار خارجي، عملكرد مطلوب سيستم و تعريف خرابي در آن. • شناسايي مدهاي خرابي بالقوه در سيستم. شاملتعيين همه مسيرهايي كه منجر به رخداد خرابي در هريك از توابع عملكرد سيستم مي شود. • تعيين اثرات و عواقب ناشي از رخداد هر يك از مدهاي خرابي. تعيينعواقبي كه پس از وقوع هر مد خرابي به سيستم تحميل مي شود. • رتبه بندي اثرات منفي. شامل تعيين حساس و بحراني ترين اجزاء سيستم كه از مدهاي خرابي اثر مي گيرند و موجب مخدوش شدن عملكرد كل سيستم مي شوند. • تعيين تمام ريشه هاي بالقوه مدهاي خرابي. • تعيين روشهاي رديابي و شناسايي ريشه هاي بالقوه در وقوع مدهاي خرابي. • رسيدن به روشهاي پيشنهادي ممكن جهت حذف ريشه هاي خرابي يا كاهش حساسيت سيستم به آنها.

23. نمونه اي از مطالعات FMEA در ترانسفورماتور گام اول تعريف سيستم (تعيين اجزاء مختلف براي تعيين مدهاي خرابي ترانسفورماتور): ترانسفورماتور بوشينگ سيم پيچها مخزن هسته روغن و خنك كن تپ چنجر

24. تشكيل درخت خطا براي تك تك اجزاء ترانسفورماتور گام دوم

25. درخت خطا در هسته ترانسفورماتور وقوع خرابي در هسته افت بازده نقص مكانيكي De Magnetization جابجايي فولاد هسته حين شكل گيري وظيفه هسته شارش شار مغناطيسي است. مد خرابي: كاهش بازده ترانسفورماتور

26. درخت خطا در سيم پيچهاي ترانسفورماتور خرابي سيم پيچيها اتصال كوتاه نقص مكانيكي خرابي عايقها رسيدن به نقطه داغ ايجاد سولفيد مس نقص در ساخت اضافه ولتاژ گذرا جابجايي ترانس كيفيت نامناسب روغن رعد و برق اتصال كوتاه در شبكه

27. درخت خطا در مخزن خرابي مخزن نشتي آسيب تانك نقص مكانيكي نقص در مواد كم توجهي حين جابجايي مخزن افزايش فشار ناشي از توليد گاز خوردگي Inelastic Gasket رعدوبرق/PD تعميرات ناكافي پيري

28. درخت خطا در بوشيگنها وظيفه بوشينگها ايزولاسيون الكتريكي بين مخزن و سيم پيچيها و اتصال سيم پيچيها به شبكه قدرت است. مهمترين مد خرابي بوشينگها اتصال كوتاه است. خرابي بوشينگ اتصال كوتاه خطا در مواد عايقي آسيب مقره ها آلودگي نفوذ آب برخورد اشياء نظير سنگ بي دقتي حين بازرسي فقدان تعميرات Inelastic Gaskets پيري

29. درخت خطا در تپ چنجر ترانسفورماتور 2- تشكيل درخت خطا براي هر جزء. بعنوان نمونه: تشكيل درخت خطا در تپ چنجر • وظيفه تپ چنجر زير بار تنطيم ولتاژ سيم پيچهاست. • از دو قسمت تشكيل شده است: - Diverter switch - Tap Selector هر يك از اين دو جزء يك مد خرابي تپ چنجر است.

30. تشكيل درخت خطا براي اجزاي تپ چنجر خرابي تپ چنجر مد خرابي 2 مد خرابي 1 خرابي Tap Selector خرابي سوئيچ Diverter عدم توانايي در تغيير سطح ولتاژ خرابي كنتاكت اشكال مكانيكي آلودگي روغن خوردگي پيري استفاده نامناسب تعميرات نامناسب

31. بدست آمدن درخت خطا در ترانسفورماتور گام سوم ادغام درخت خطاي تك تك اجزاء و ايجاد درخت نهايي خطا در ترانسفورماتور ترانسفورماتور خرابي بوشينگ خرابي سيم پيچها خرابي مخزن خرابي هسته خرابي خنك كن خرابي تپ چنجر درخت خطا بوشينگ درخت خطا سيم پيچها درخت خطا مخزن درخت خطا هسته درخت خطا خنك كن درخت خطا تپ چنجر

32. گام هاي بعدي گام چهارم تا اينجا ارزيابيهاي كيفي مدهاي خرابي و اثرات آنها در يك سيستم (ترانسفورماتور) مطالعه شد. در ادامه اين اين مطالعات، براي انجام ارزيابيهاي كمي از نقطه نظر قابليت اطمينان لازم است نرخ خرابي تك تك المانها محاسبه شوند و نهايتا قابليت اطمينان سيستم مورد ارزيابي كمي قرار گيرد. از نتايج اين محاسبات مي توان در اخذ استراتژيهاي بهتر نگهداري و تعميرات بهره گرفت. با بدست آمدن همه مدهاي خرابي ترانسفورماتور و دلائل رخداد آنها، در اين مرحله بايد هريك از اجزاء و هريك از مدهاي خرابي آنها براساس حساسيت پذيري وقوع خرابي در ترانسفورماتور، رتبه بندي شوند. مطالعات سابقه گذشته خرابيهاي ترانسفورماتور در اين رتبه بندي سودمند خواهد بود.