一、产品概述
灭火系统是舰艇装备的一个非常重要和关键的系统。一旦发生火灾，灭火系统必须能够立即运行。因此，对灭火系统的可靠性和可用性提出了很高的要求。为了满足这些要求，该系统由几个离心泵组成，一方面确保系统保持一定的压力，另一方面在使用系统时能够提供所需的海水流量。
考虑到该系统对于潜艇装备的关键性，采用故障树六步法对灭火系统的离心泵进行故障分析，识别薄弱环节并采取相应措施，提高系统可用性，降低维护成本。可能许多人对于故障树的用途、用处还是很模糊，仍存在很多疑问。到底故障树能做什么？故障树有什么作用等等。本案例以离心泵为例，通过故障树六步法详细介绍故障树分析的过程。分析过程中，结合了离心泵的故障机理分析进行。
图1 离心泵
二、故障树分析六步法
以下采用故障树分析六步法进行该离心泵的故障树分析，找出薄弱环节，确定各故障的应对措施。通过该案例，详细介绍故障树六步法的流程以及如何基于六步法进行故障树分析。
第一步：问题定义
故障分析的第一步是问题定义，即故障定义。在本案例中，故障被定义为“离心泵工作不正常”。这意味着有几种情况被视为离心泵故障：（1）泵不产生任何流量（无流量）；（2）泵产生的流量不足（低流量）；（3）或泵出现异常行为（例如振动、过热等）。
虽然这个定义不是很精确，但它基本包含了所有可能的故障。在本案例中，操作员/分析人员对故障行为的洞察力（即操作员/分析人员对于深层次的故障原因分析、故障归类等）有限，因此选择通用的故障定义可确保不错漏任何重要的故障模式。问题定义的另一方面是系统边界的定义。如图1所示，所考虑的离心泵是由电动机驱动，但电动机在所考虑的系统之外，即确定的系统边界位于泵和电机之间的轴上。
第二步：故障树分析
故障分析程序的下一步是执行故障树分析，以识别可能导致泵发生故障的所有故障模式。利用PosVim的故障树模块，构建该离心泵的故障树模型如下图所示。该故障树模型包括三个分支，分别与三种故障条件有关：无流量、低流量和异常行为。对于每个分支，均识别出几个最底层的基本故障事件，并以彩色圆圈标记。不同的颜色的基本事件表示不同类型的原因（黄色的为承载能力；蓝色是负载，不可避免；红色为人为错误；绿色是负载，可避免）导致的。
图2 故障树分析
第三步：确定故障模式优先级
由于故障树模型包含的故障模式的数量相当多，一般不会对所有的故障模式均采取严格的控制措施。因此必须选择、确定哪些是最关键的故障模式。选择可以基于（维护）成本或采取措施造成的风险进行，即通过故障频率（与可用性相关）以及对安全和环境的影响来判断。由于该离心泵的研制单位无法收回单个系统的维护成本，因此该离心泵的研制单位重点关注的是故障频率问题。为此，收集了与该类型泵相关的计算机辅助维修管理系统或其它数据收集系统中的所有记录数据，这些记录数据包括了舰队的相应的故障、维修数据。通过这些数据可以分析确定该离心泵的最常见的故障。
由于该离心泵的故障记录详细程度有限，很难直接使用这些数据进行分析确定故障模式的优先级。虽然通过这些记录数据可以获得泵故障的信息，但在大多数情况下，这些记录的数据缺少导致故障的故障模式信息、缺少直接可以统计得到故障频率等数据的深层次信息。因此，利用操作员和维护人员的经验来确定故障模式的优先级。最终结合故障记录数据统计（使用Posweibull分析工具）和专家经验的结果确定以下最优先的故障模式（注：这里假设一些故障树的基本事件的发生概率数据无法全部获取的情况下），当具有足够的故障事件定量数据时，可以结合故障树分析结果的最小割集、基本事件重要度（结构重要度、概率重要度、关键重要度等）判断：
（1）密封渗漏
（2）叶轮无流量
（3）轴承损伤（振动）
（4）轴断裂
第四步：确定故障机理
故障分析的下一步是评估导致各种故障模式的故障机理。一般采用根本原因分析方法进行。通过根本原因分析，可以为确定问题的可能解决方案提供有价值信息。在本案例中，从两个不同的层面识别、分析故障机理。
对于故障树分析中的每个基本故障（即故障模式），先从下面四种类型的故障原因选择各故障模式的故障原因：
（1）系统或部件的承载能力不足（故障树中标记黄色的故障）：这通常是由于使用不符合规范的部件造成的。示例：使用普通钢而非不锈钢制造的叶轮，导致腐蚀问题。
（2）人为错误（故障树中标记橙色的故障）：通常是由于忽视规定、缺乏明确规定或培训不足造成的。示例：用高压水射流清洗泵会去除轴承上的润滑剂，导致轴承故障。
（3）由于可避免（错误）使用导致的系统负荷过大（故障树中标记绿色的故障）：系统的使用偏离了设计规范，但很容易改变以符合规范。示例：无流量运行泵时，陶瓷密封件会发热。阀门突然打开会产生非常高的冷却速率，由此产生的热冲击会导致密封件断裂。缓慢打开阀门可使密封件以中等速度冷却。
（4）不可避免的（错误）使用导致系统负荷过大（故障树中标记紫色的故障）：系统的使用偏离设计规范，但不可接受或不可能调整使用。示例：当船舶在浅水中时，泵吸入的海水通常含有导致叶轮腐蚀的沙粒。
在构建的故障树模型中，使用4种不同颜色的标记以区分不同类型的故障原因。在进行分析后，根据标识颜色的故障类别，进一步确定故障机理。
（1）密封泄漏：以下几种失效机理可导致此类失效：
A、运行期间泵内无水时，密封表面会磨损；
B、突然冷却热密封件引起的热冲击会导致断裂；
C、泵的振动（例如叶轮中的气穴、不对中或装配错误）会在密封件上产生高负荷，造成过载损坏。
（2）无流量：叶轮因为以下几种机理失效：
A、由于长期暴露在海水中造成的腐蚀；
B、泵内温度升高导致缝隙腐蚀；
C、海水流中（沙）颗粒造成的侵蚀；
D、叶轮中的气蚀导致疲劳损坏。
（3）轴承损伤：这种损坏是由以下机理造成的：
A、非工作泵振动引起的局部疲劳和磨损损坏（由同一区域内其他机器的振动引起）；
B、由于不对中（高负载）、润滑不良或轴承装配不良而导致的磨损损坏。
（4）轴断裂：这些故障是由泵和电机错位引起的。在轴不对称载荷下，当循环次数达到一定次数后将产生疲劳断裂。校准、调教工作往往由维护人员定期执行，但显然该校准程序不充分。
第五步：确定荷载及其与使用的关系
如前一步所述，分为四种不同类型的故障原因实际上是结合了故障机理评估和负载-使用关系确定的。特别是在系统过载的情况下（无论是可以避免的还是不可避免的），在大多数情况下都可以建立过载与使用的关系。例如，其中一个故障是泵过热，这是由于在输出回路中的阀门仍然关闭时操作泵引起的。泵内没有水流意味着没有冷却，泵开始加热。很明显，在这种情况下，泵的热负荷与关闭的阀门直接相关。此外，可以通过规定阀门关闭时不允许操作泵来防止此类故障。
第六步：确定最终解决方案
故障分析程序的最后一步是找到问题的解决方案，即防止将来发生类似故障的方法。由于在前面的一个步骤中已确定了所有故障模式的原因类型，因此通常很容易找到解决方案。四种原因中的每一种都有明确的解决方向：
A、承载能力不足：修改或重新设计系统以增加容量。如果是不合格零件：严格控制零件的质量。
B、人为错误：规范操作程序要求，进行适当的培训。
C、可避免（错误）使用：更改使用操作文件，使其满足规范操作要求。
D、不可避免的（错误）使用：接受故障的发生，但尽量通过使用或状态监控使其可预测。
以本案例为例，该离心泵人为失误（橙色圆圈）相对频繁，并且也发生了大量可避免的超载（绿色）。如上所述，通过改变系统的操作方式和改进人员培训，可以很容易地预防这些故障。这四种关键故障模式可通过以下方式解决：
A、密封泄漏：上一步提到的所有故障机理都是由于泵操作不当造成的。因此，可以通过对操作员进行更好的指导和培训来预防故障。特别是防止泵在没有流量的情况下运行非常重要。此外，确保以正确的方式执行装配和对齐可以防止许多故障。使用油润滑密封件也可以减少干燥运行时密封件的过度磨损。
B、叶轮流量不足：大多数叶轮故障是不可避免的，这些故障是在泵的正常使用情况下造成的。使故障预测，例如通过监测浅水工作小时数，可以减少这一问题。由于气穴的发生与泵的运行方式有关，因此可以防止气穴造成的损坏。
C、轴承损坏：可以通过定期运行泵来减少非运行（振动）泵的局部损坏，确保轴承中的其他负载均已加载。通过改进新轴承的对准和组装程序，可以防止所有其他故障。
D、轴断裂：改进装配程序和培训，以确保系统正确装配。此外，通过将泵和电机之间的固定联轴器更换为磁性联轴器，可以使系统更加坚固。后者对不对中的敏感度要低得多。