劉 磊

(昆明理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,云南昆明,650093)

·根本原因分析技術(shù)·

淺析根本原因分析技術(shù)在制漿造紙企業(yè)的應(yīng)用

劉 磊

(昆明理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,云南昆明,650093)

本文介紹了一種原理上基于Reason模型、應(yīng)用于制漿造紙企業(yè)的設(shè)備故障根本原因分析技術(shù),該技術(shù)描述了設(shè)備缺陷在潛在條件觸發(fā)、主動(dòng)失效產(chǎn)生及縱深防御失效時(shí)缺陷發(fā)展為故障的軌跡。通過收集國(guó)內(nèi)某大型造紙企業(yè)典型設(shè)備故障案例,并嘗試?yán)靡蜃臃治觥⒕垲惙治龅冉y(tǒng)計(jì)方法,以概念抽象化方式處理的設(shè)備各種失效形式,借用美國(guó)能源部的能源企業(yè)設(shè)備故障原因分類方法,為制漿造紙企業(yè)進(jìn)行設(shè)備故障分析和信息化處理提供了分類依據(jù)。在參考其他行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于制漿造紙企業(yè)設(shè)備故障根本原因分析的流程。并總結(jié)了該技術(shù)在制漿造紙企業(yè)應(yīng)用的理論貢獻(xiàn)及應(yīng)用于其他過程生產(chǎn)企業(yè)的前景。

根本原因分析；因子分析；瑞士奶酪模型；分析技術(shù)

(E-mail: kmust2016@163.com)

1979年3月28日，美國(guó)三里島核反應(yīng)堆汽輪機(jī)因壓縮空氣進(jìn)水報(bào)警跳機(jī),故障發(fā)生時(shí)因冷卻水閥門檢修后未打開,導(dǎo)致堆芯失水而熔化,使得放射性物質(zhì)外逸造成重大核泄漏事故。

1985年11月，美國(guó)薩凡納河工廠在發(fā)生泄漏事故后,反應(yīng)堆安全評(píng)估部門在綜合各種分析方法的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種方法來系統(tǒng)地評(píng)估事故,識(shí)別、記錄根本原因并分析其趨勢(shì)[1]。

1992年美國(guó)能源部在DOE 5000.3A《事故報(bào)告和操作信息處理》中規(guī)范了根本原因分析技術(shù)的操作程序。

1994年中國(guó)電力行業(yè)對(duì)生產(chǎn)事故調(diào)查分析程序進(jìn)行了規(guī)范,將事故定義為人身傷亡、設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)、電能質(zhì)量降低和經(jīng)濟(jì)損失[2]。

2001年大亞灣核電站全面學(xué)習(xí)和引進(jìn)了RCA(Root Cause Analysis)分析技術(shù)和方法[3]。

故障根本原因分析技術(shù)始于核電等電力企業(yè),實(shí)際運(yùn)用取得了良好的效果。因此,結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究,可以針對(duì)性地總結(jié)出適用的流程。筆者通過收集制漿造紙企業(yè)典型設(shè)備故障案例,并嘗試?yán)靡蜃臃治?、聚類分析等統(tǒng)計(jì)方法,以概念抽象化方式處理設(shè)備各種失效形式,借用美國(guó)能源部的能源企業(yè)設(shè)備故障原因分類方法,為制漿造紙企業(yè)進(jìn)行設(shè)備故障分析和信息化處理提供了分類依據(jù)。在參考其他行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于制漿造紙企業(yè)設(shè)備故障根本原因分析的流程。

1 概念、理論依據(jù)及應(yīng)用意義

1.1 概念

故障根本原因分析常見的定義是Paradies和Busch[1]在1988年提出來的,他們認(rèn)為根本原因是最基本的、可以被合理地識(shí)別、并可以通過管理和控制解決的故障原因。

美國(guó)能源部關(guān)于故障根本原因的定義為：故障發(fā)生后可以被糾正,并防止此類事故和類似事故再次發(fā)生,根本原因并非僅僅針對(duì)本次故障,而是對(duì)其他可能發(fā)生的事故有著廣泛影響。根本原因最基本的特征是可以被識(shí)別和糾正。

總之,根本原因分析技術(shù)就是一種通過回溯、邏輯推理、替換等系統(tǒng)方法識(shí)別事故發(fā)生的根本原因,并通過技術(shù)手段進(jìn)行糾正以恢復(fù)設(shè)備功能,預(yù)防同樣或類似事故再次發(fā)生的技術(shù)。

1.2 故障機(jī)理探究

1990年曼徹斯特大學(xué)J.Reason博士[4]在《人因失誤》一書中首次提出了“Reason模型”概念,其目的是用于探究人為失誤的心理根源,不同于海恩里希的多米諾理論,該模型認(rèn)為復(fù)雜系統(tǒng)的事故發(fā)生是源于多種因素誘發(fā)和防御機(jī)制失效的積累。

如Reason模型所描述的,可以認(rèn)為設(shè)備缺陷如同一個(gè)不間斷發(fā)光的光源,如果過光線剛好能夠通過激活狀態(tài)下的主動(dòng)失效和其他誘發(fā)的潛在失效漏洞時(shí),且防御機(jī)制同時(shí)失效狀況下,故障就會(huì)發(fā)生。在故障發(fā)生時(shí),包含各種失效因素的各個(gè)層面疊加在一起,其形狀如同瑞士奶酪(一種多孔的奶酪,奶酪片本身也可以看作防止故障發(fā)生的屏障),如圖1所示,故該模型也稱為“瑞士奶酪模型”(Swiss Cheese Model)。

當(dāng)然Reason模型理論也有一定的局限性,比如模型中關(guān)于設(shè)備缺陷(孔洞)的形成機(jī)制、性質(zhì)、位置都沒有詳細(xì)描述,對(duì)于故障預(yù)測(cè)不夠明確,需要結(jié)合設(shè)備失效形式及影響進(jìn)一步分析和總結(jié)。

圖1 Reason模型

1.3 根本原因分析技術(shù)在制漿造紙企業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

在競(jìng)爭(zhēng)日益白熱化的市場(chǎng)環(huán)境下,根本原因分析技術(shù)以查找根本原因?yàn)槟康?非常適合以創(chuàng)新為內(nèi)在動(dòng)力、技術(shù)密集、注重設(shè)備綜合效率的制漿造紙企業(yè),可以有效控制故障停機(jī)時(shí)間,降低維修費(fèi)用、提高設(shè)備綜合效率。世界上的較先進(jìn)的制漿造紙企業(yè)要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行精益維護(hù),并保持95%以上的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,其中,5%的停機(jī)時(shí)間(按每月720 h運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，5%對(duì)應(yīng)36 h)包括計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間(8～10 h)、生產(chǎn)損失時(shí)間(20 h)和故障停機(jī)時(shí)間,即每月平均故障停機(jī)時(shí)間要控制在3～6 h以內(nèi)。據(jù)中國(guó)造紙協(xié)會(huì)調(diào)查資料,2015年我國(guó)紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)約2900家,紙及紙板生產(chǎn)量10710萬(wàn)t[6]。因此,通過應(yīng)用根本原因分析技術(shù)對(duì)這0.5%～0.8%的故障停機(jī)事故進(jìn)行原因溯源,消除設(shè)備維護(hù)存在的漏洞,增強(qiáng)縱深防御機(jī)制,避免故障再次發(fā)生,對(duì)提高我國(guó)制漿造紙企業(yè)運(yùn)營(yíng)綜合效率有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

在目前的制漿造紙企業(yè)中，主要制造商形成了國(guó)有、民營(yíng)、合資、獨(dú)資各占一部分市場(chǎng)份額的局面,由于多數(shù)核心生產(chǎn)設(shè)備主要來自歐洲,各制漿造紙企業(yè)的設(shè)備同質(zhì)化趨勢(shì)明顯,但各企業(yè)由于歷史原因形成的維護(hù)體系卻不盡相同,因此代表軟實(shí)力的維護(hù)績(jī)效也參差不齊。目前各制漿造紙企業(yè)在設(shè)備維護(hù)績(jī)效考核方面一般都以設(shè)備故障時(shí)間為主要考核目標(biāo),但在故障系統(tǒng)性構(gòu)架、維修歷史分析、失效模式分析方面有待加強(qiáng)。

設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行來自于可靠的設(shè)備維護(hù)技術(shù)。企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)來自于技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),根本原因分析技術(shù)作為以可靠性為中心的設(shè)備維護(hù)技術(shù),是運(yùn)營(yíng)能力的重要組成部分,可以通過不斷的實(shí)踐和總結(jié)得以維持和發(fā)展。

根本原因分析技術(shù)既可以用于追溯以往的設(shè)備故障,也可以作為一種持續(xù)改善的前瞻性系統(tǒng)管理方法,按照一定的流程反復(fù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證,直到找出根本原因,預(yù)防設(shè)備故障再次發(fā)生,還可以查找潛在的系統(tǒng)失效因素,達(dá)到優(yōu)化組織管理、減少人員傷害、降低環(huán)境影響、避免產(chǎn)量損失以及質(zhì)量問題的效果。

本文提出的制漿造紙企業(yè)設(shè)備故障根本原因分析技術(shù),在故障處理體系化研究方面有以下幾點(diǎn)貢獻(xiàn)。

(1)結(jié)構(gòu)化故障失效形式和故障原因，形成企業(yè)自有的技術(shù)庫(kù)

結(jié)構(gòu)化信息便于使用計(jì)算機(jī)維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，并進(jìn)行同類設(shè)備的前向和后向故障數(shù)據(jù)分析。

某大型制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)線為例，將設(shè)備類型、故障部位以及失效形式進(jìn)行抽象化和概念化，利用降維技術(shù)處理各種復(fù)雜的設(shè)備失效形式數(shù)據(jù)，以便找到各種故障的內(nèi)在聯(lián)系，從而將外顯的和潛在的失效條件進(jìn)行概念歸集。同時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的設(shè)備失效形式，將故障原因進(jìn)行細(xì)分和編碼，實(shí)現(xiàn)從失效形式到故障原因的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化。

(2)提出了一種適合制漿造紙行業(yè)的故障根本原因分析流程

綜合各種故障查找和分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,嘗試提出了一種最佳實(shí)踐路徑。該流程可以推廣應(yīng)用于其他制漿造紙企業(yè),為設(shè)備維護(hù)提供應(yīng)用參考。

(3)為其他領(lǐng)域應(yīng)用提供參考

該技術(shù)流程也可以為其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域和企業(yè)(如安全、化工、電力、礦山等)提供設(shè)備故障解決、根本原因分析的思路和參考,為探索和提升現(xiàn)代化大型流程工業(yè)的設(shè)備維護(hù)水平,在具體行業(yè)的故障分析技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行有益研究。

2 根本原因分析方法應(yīng)用過程

為使研究具有代表性,選擇收集大型制漿造紙企業(yè)設(shè)備故障案例為數(shù)據(jù)源,研究的目的在于數(shù)據(jù)歸集和流程建構(gòu)。案例研究方法能夠?qū)δ骋惶囟ìF(xiàn)象進(jìn)行深入剖析,有助于理解其內(nèi)部機(jī)理,對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行檢驗(yàn)、修正和發(fā)展[7]。

本文以制漿造紙?jiān)O(shè)備為例,并利用系統(tǒng)綜合分析方法,使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 22.0對(duì)收集的設(shè)備故障案例進(jìn)行主成分分析,提取公共因子,將設(shè)備失效類型進(jìn)行聚類分析,并進(jìn)行編碼,總結(jié)出了符合漿紙行業(yè)設(shè)備特征的設(shè)備故障矩陣和分析流程。

2.1 根本原因技術(shù)流程設(shè)計(jì)

(1)失效類型分類及編碼

紙機(jī)設(shè)備種類繁雜,故障現(xiàn)象也是動(dòng)態(tài)變化的,為便于跟蹤、分析和研究需要對(duì)各種現(xiàn)象進(jìn)行抽象化和概念化處理。

①設(shè)備分類：根據(jù)設(shè)備用途可以劃分為10種類別。 ②部件分類：將設(shè)備易出現(xiàn)故障的部位進(jìn)行梳理,以紙機(jī)為例,設(shè)備的主要部件可以分為72種類別。③失效形式分類：根據(jù)2015—2016年間收集的47份典型設(shè)備故障根本原因分析報(bào)告,按出現(xiàn)的典型失效形式進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩選分類,在常見的20種失效形式中整理出8種主要失效類型,分別進(jìn)行了頻次統(tǒng)計(jì)后轉(zhuǎn)換為矩陣形式。

利用Kaiser正規(guī)化最大變異法進(jìn)行求解并和方差統(tǒng)計(jì),選取4個(gè)特征值大于1的主成分,其累計(jì)方差比例為93.011%,高于80%,可以認(rèn)為是合理的。

選取這4個(gè)主要成分的因子作為公共因子。

如表1所示的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣,選取主要成分的橫向最大值,分別可以得到因子：①間斷性不穩(wěn)定、無(wú)輸出、振動(dòng)；②結(jié)構(gòu)破損、卡澀；③電開路、外漏；④堵塞。

表1 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣a

注 a在9疊代中收斂循環(huán)。

進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,可以將失效形式降維為四個(gè)聚集,如表2所示的各聚集組員。從表2可知，電開路、間斷性不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)破損、無(wú)輸出、振動(dòng)為聚集1,堵塞為聚集2,卡澀為聚集3,外漏為聚集4。

表2 各聚集組員

根據(jù)聚類分析,可以將失效形式編碼為如圖2中所示的四大類別。

圖2 失效形式分類

第一類為間斷性不穩(wěn)定、無(wú)輸出、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)破損、電開路有較大相關(guān)性,可以歸為一類,主要以設(shè)備內(nèi)部部件失效為主,可以抽象命名為組件失效；第二類為卡澀,按設(shè)備組成形式主要為缺乏潤(rùn)滑,可以命名為潤(rùn)滑失效；第三類為外漏,主要為設(shè)備泄漏故障,可以命名為密封失效；第四類為堵塞,可以抽象為人為因素或其他外部因素造成的設(shè)備失效形式。

針對(duì)常見的20種失效形式按聚類分析的類別重新進(jìn)行合并,筆者整理為如表3所示的失效形式編碼中的17種失效類別。

表3 失效形式編碼

(2)數(shù)據(jù)收集

針對(duì)設(shè)備故障組建相應(yīng)的問題解決團(tuán)隊(duì),根據(jù)故障影響程度選擇團(tuán)隊(duì)成員,一般來說,團(tuán)隊(duì)成員要包括設(shè)備操作人員、設(shè)備維護(hù)責(zé)任人、相關(guān)維護(hù)專業(yè)負(fù)責(zé)人。

故障發(fā)生后數(shù)據(jù)收集有多種方法,例如敘事法、時(shí)序法、人時(shí)間表格法、要因影響法、5W2H法等。

以5W2H法為例,需要識(shí)別問題的具體要素：發(fā)生了什么、為什么這樣做、誰(shuí)參與、什么時(shí)間、地點(diǎn)、如何處理及故障發(fā)生次數(shù)。

(3)故障要因辨識(shí)

設(shè)備失效的主要原因可以采用柏拉圖法、因果分析法、頭腦風(fēng)暴法、故障樹法、魚骨圖法、差異分析法、無(wú)記名分組法、屏障分析等方法進(jìn)行查找。如直接故障原因未能一次明確,則根據(jù)故障的緊急程度、難度和影響范圍進(jìn)行分級(jí)處理,必要時(shí)組織跨專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行要因辨識(shí)。

對(duì)于事故原因分類,1992年美國(guó)能源部對(duì)事故原因進(jìn)行了定義，如表4所示。

表4 DOE 5000.3A 事故原因分類列表[15]

事故原因主要從設(shè)備、人員、管理、環(huán)境等方面進(jìn)行了歸類,共分為7大類32小類,實(shí)踐中，為便于操作可以通過編碼作為事故原因分類選項(xiàng)。

(4)要因確認(rèn)

對(duì)識(shí)別出來的要因,根據(jù)事故緊急情況進(jìn)行確認(rèn)。

①如要因單一且比較容易判定,則馬上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。②如要因有多個(gè)且難以確認(rèn),需要按緊急和重要程度進(jìn)行分類,分別進(jìn)行要因確認(rèn),緊急情況下,更換、試驗(yàn)排除法較為常用。采取替代措施后,對(duì)于需要長(zhǎng)期跟蹤的要因多采用列表等數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行跟蹤。

(5)改善措施制定

以降低故障次數(shù)、減少故障時(shí)間、防止故障再次發(fā)生為目標(biāo),提出解決方案和預(yù)防措施。

①人為原因：以崗位培訓(xùn)為主,在規(guī)則引導(dǎo)下進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和技能的有機(jī)結(jié)合。提倡TPM全員設(shè)備管理,用經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)教育方式進(jìn)行團(tuán)隊(duì)技能和知識(shí)積累。 ②環(huán)境原因：重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備失效條件消除,徹底改善現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)用和操作環(huán)境。鼓勵(lì)創(chuàng)新思維,以創(chuàng)新方法解決問題。③管理原因：完善相應(yīng)的程序、流程、組織缺陷。

完善點(diǎn)檢、巡檢、維修規(guī)程中的缺失項(xiàng)目、檢查頻次、檢查方法和步驟,比如應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)械、電氣、自動(dòng)化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)提高預(yù)測(cè)能力,特殊設(shè)備編制特定的維護(hù)計(jì)劃和維修規(guī)程。

(6)措施執(zhí)行

目的在于消除設(shè)備主動(dòng)失效及潛在失效存在的條件,完善防御機(jī)制。

措施執(zhí)行時(shí)要以規(guī)程為指導(dǎo)、以計(jì)劃為依據(jù)、保持良好的專業(yè)溝通,避免設(shè)備二次損壞擴(kuò)大故障影響層面和范圍。

措施執(zhí)行后要有后續(xù)跟蹤措施,對(duì)于確認(rèn)為要因的設(shè)備故障導(dǎo)入缺陷動(dòng)態(tài)管理庫(kù),定期更新故障推移圖，進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤和缺陷狀態(tài)回顧,對(duì)于已完結(jié)的技術(shù)措施要及時(shí)進(jìn)行技術(shù)確認(rèn)和關(guān)閉。

(7) 根本原因確認(rèn)

各種措施要進(jìn)行交叉驗(yàn)證,將人的因素、環(huán)境因素、管理因素對(duì)應(yīng)的措施更新和固化到操作和維護(hù)規(guī)程中,跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)類似失效形式要進(jìn)行合并跟蹤,如故障再次發(fā)生則進(jìn)入解決措施循環(huán)繼續(xù)查證潛在失效的原因。

2.2 根本原因分析技術(shù)實(shí)施路徑圖

根本原因分析技術(shù)遵循可識(shí)別、可管理、可控制原則,按照系統(tǒng)邏輯分析方式,根據(jù)以上描述內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合美國(guó)能源部RCA方法、廣東核電RCA方法、R.Keith Mobley根本失效方法并通過制漿造紙企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用,以設(shè)備缺陷存在的主動(dòng)失效條件、潛在失效條件以及防御機(jī)制的漏洞為主線,按照計(jì)劃、措施、執(zhí)行、驗(yàn)證的PDCA循環(huán)模式,進(jìn)行設(shè)備故障根本原因分析,對(duì)各個(gè)層面因素的影響從區(qū)分、辨識(shí)、要因確認(rèn)、措施制定、執(zhí)行、根本原因確認(rèn)等方面進(jìn)行了流程構(gòu)架。筆者總結(jié)出一種具體的實(shí)施路徑流程圖如圖3所示。

圖3 根本原因分析技術(shù)實(shí)施路徑

找到根本原因并經(jīng)技術(shù)確認(rèn)后的要因分析、措施、根本原因作為維修記錄,形成完整的邏輯數(shù)據(jù)鏈,在數(shù)據(jù)歸類后歸檔到企業(yè)的技術(shù)庫(kù)中。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過檢索發(fā)現(xiàn),目前制漿造紙企業(yè)尚缺乏根本原因技術(shù)的分析研究和應(yīng)用文獻(xiàn),本文嘗試探索出一種適用于制漿造紙企業(yè)的實(shí)施路徑。試圖將設(shè)備失效形式和根本原因通過因子分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)化概念分類,其數(shù)據(jù)分析方法及結(jié)果可靠,可以用于設(shè)備故障預(yù)測(cè)性維修并指導(dǎo)設(shè)備維修技術(shù)策略的制定。長(zhǎng)期運(yùn)行該技術(shù)產(chǎn)生的各種故障維修記錄,可以構(gòu)成企業(yè)設(shè)備維護(hù)技術(shù)資源大數(shù)據(jù),如將該數(shù)據(jù)作為企業(yè)的無(wú)形資產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)管理,有利于持續(xù)提升團(tuán)隊(duì)解決問題和創(chuàng)新的能力,夯實(shí)企業(yè)的核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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(責(zé)任編輯：常 青)

Equipment Failure Root Cause Analysis Technique Based on Reason Model and Its Application in Pulp and Paper Industry

LIU Lei

(FacultyofManagementandEconomics,KunmingUniversityScienceandTechnology,Kunming,YunnanProvince, 650093)

This paper introduced a kind of equipment failure root cause analysis technique based on reason model which applied to pulp and paper enterprise maintenance.The trajectory of error must be aligned for any potential condition triggered, active failure happened and failure of defense-in-depth to occur.The common forms of equipment failure were analyzed through collecting paper enterprise cases, and tried to take advantage of factor analysis and clustering analysis methodology to build the abstract concept of various failure forms processing, using the root cause classification catalogue quoted from USA DOE rule as the basis for pulp and paper enterprises equipment failure root cause analysis information process, and RCA analysis for pulp and paper equipment failure was introduced.

root cause analysis； factor analysis； Swiss Cheese Model； analysis technique

劉 磊先生,工程師；主要從事設(shè)備維護(hù)、技術(shù)管理、技術(shù)創(chuàng)新等方面的工作與研究。

2017- 01- 25(修改稿)

C931.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.05.011