趙傳洋, 劉紅兵,2, 蔣哲,2, 宿賀賀, 曲先強(qiáng),2, 李輝

(1.哈爾濱工程大學(xué) 煙臺研究院,山東 煙臺 265505; 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.廣東海裝海上風(fēng)電研究中心有限公司,廣東 湛江 524000)

我國擁有漫長的海岸帶,風(fēng)能資源儲備豐富,合理開發(fā)利用海上風(fēng)能可有效改善我國能源供給結(jié)構(gòu)。漂浮式風(fēng)機(jī)由于不受水深限制且便于運(yùn)輸安裝等優(yōu)點(diǎn),被逐步應(yīng)用于深水海域風(fēng)能資源開發(fā)[1]。漂浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中,主要通過系泊系統(tǒng)抵抗復(fù)雜的海洋環(huán)境作用,進(jìn)而保證風(fēng)機(jī)整體穩(wěn)定性。但由于惡劣的服役環(huán)境、設(shè)備故障、偶然事故和人為操作失誤等因素的影響,浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)不可避免地會發(fā)生各種模式的失效,進(jìn)而對浮式風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行造成極大威脅[2-3]。針對浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,開展系泊失效風(fēng)險分析,識別浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)主要失效模式和失效風(fēng)險,提出風(fēng)險防控措施,對于保證浮式風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行極具實(shí)際工程意義。

故障樹分析方法是一種簡單有效的風(fēng)險評估方法,可以直觀地表示出事件之間的邏輯和因果關(guān)系,在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。通過故障樹可以識別出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的危險故障,構(gòu)建系統(tǒng)的故障邏輯層次結(jié)構(gòu),并對系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷和制定維修策略,是一種分析系統(tǒng)可靠性的傳統(tǒng)手段,該方法易于理解操作、建模方法成熟、可以客觀直面地表達(dá)出問題的所在[4-7]。文獻(xiàn)[8-10]建立了浮式風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)故障樹模型,識別出浮式風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要失效模式和失效概率,并進(jìn)行了系統(tǒng)分級,探討了浮式風(fēng)電機(jī)組順序相關(guān)故障與冗余故障影響。同時建立了一種模糊故障樹分析方法,系統(tǒng)考慮了浮式風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備失效信息不確定性的因素。目前對于浮式風(fēng)機(jī)可靠性方面分析主要集中于風(fēng)電機(jī)組、葉片或整機(jī)風(fēng)險評估,而針對浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)風(fēng)險和可靠性評估涉及較少。而對于國內(nèi)浮式風(fēng)機(jī)而言,目前主要水深集中于50 m左右,整個系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大,系泊系統(tǒng)可靠性要求高,一旦系泊系統(tǒng)發(fā)生失效,極易造成較大的財(cái)產(chǎn)損失。

為了準(zhǔn)確評估浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效風(fēng)險,本文建立了一種基于故障樹的浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效風(fēng)險分析模型,有效識別浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效模式、失效原因和失效后果,通過定性和定量風(fēng)險分析,獲得浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)可靠度指標(biāo)和平均無故障時間,并提出了不同失效模式防控措施。

1 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)

1.1 浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式

經(jīng)過多年發(fā)展,浮式風(fēng)電平臺已形成多種不同類型的基礎(chǔ)形式,以適應(yīng)不同的海況發(fā)電需求,其中最為經(jīng)典的形式包括Semi-Sub式[11-12]、TLP式[13-14]和Spar式[15-16]。

1)Semi-Sub式:基礎(chǔ)形式是目前浮式風(fēng)電平臺應(yīng)用較多的一種形式,通常由多個大型浮箱呈三角形或四邊形布置,具有安裝簡單和水深適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但由于承受環(huán)境載荷較大,極易引起較大的運(yùn)動響應(yīng),進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

2)TLP式:平臺主體為圓柱結(jié)構(gòu),自身具有較大的浮力,可為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提供較大的預(yù)張力,可適應(yīng)各種海洋惡劣環(huán)境,平臺整體運(yùn)動響應(yīng)較小,具有良好的穩(wěn)定性,但TLP式平臺會隨著水深的增加,建造成本會急劇上升,因此在較深海域風(fēng)能開發(fā)應(yīng)用具有一定的局限性。

3)Spar式:平臺主體同樣由一個大型圓柱構(gòu)成,用于固定錨鏈和提供浮力,可提供較大的復(fù)原力臂及慣性阻力,有效降低平臺的搖晃,進(jìn)而保證漂浮式風(fēng)機(jī)具有良好的穩(wěn)定性,但由于Spar平臺整體結(jié)構(gòu)很大,安裝和運(yùn)輸均較為困難。

在實(shí)際工程應(yīng)用過程中,需綜合考慮水深、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等因素影響,選擇合適的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式,進(jìn)而保障海上風(fēng)能安全穩(wěn)定開發(fā)。

1.2 浮式風(fēng)機(jī)系泊方式

海上浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)一般由系泊鏈/纜、導(dǎo)纜孔、起鏈機(jī)和海底基礎(chǔ)4部分構(gòu)成。系泊鏈/纜主要用于連接風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與海床,其上端通過導(dǎo)纜孔與平臺基礎(chǔ)連接,下端通過錨與海底基礎(chǔ)連接;起鏈機(jī)則用于控制整個系泊系統(tǒng)的預(yù)張力。

關(guān)于浮式風(fēng)機(jī)系泊方式,需要綜合考慮水深、系泊張力、鏈/纜長度和質(zhì)量、海底地形等因素進(jìn)行選擇。目前主流的系泊方式包括懸鏈線系泊和張緊式系泊2種。

1)懸鏈線式系泊:懸鏈線系泊系統(tǒng)一般采用質(zhì)量較大的錨鏈,一部分與海床接觸,另一部分懸浮于海洋之中,通過錨鏈本身的質(zhì)量和錨鏈與海床之間的摩擦力提供恢復(fù)力,保證風(fēng)機(jī)平臺保持穩(wěn)定狀態(tài);

2)張緊式系泊:張緊式系泊系統(tǒng)主要采用質(zhì)量較輕的聚酯纜實(shí)現(xiàn)平臺與海床之間的連接,通常聚酯纜會與平臺基礎(chǔ)呈現(xiàn)一定的傾角或垂直布置。當(dāng)風(fēng)機(jī)平臺由于風(fēng)浪等作用偏離其平衡位置時,通過聚酯纜彈性伸長變化提供恢復(fù)力,保證平臺恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

不同的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺類型,通常采用不同的系泊方式,如Semi-Sub式基礎(chǔ)主要采用懸鏈線式或張緊式系泊方式,TLP式基礎(chǔ)主要采用張緊式系泊方式,Spar式基礎(chǔ)主要采用懸鏈線式系泊方式,如圖1所示,從左至右分別是TLP式基礎(chǔ)(張緊式)、Semi-Sub式基礎(chǔ)(懸鏈線式)、Spar式基礎(chǔ)(懸鏈線式)。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)系泊形式Fig.1 Mooring form of floating offshore wind turbine

2 故障樹分析方法

故障樹分析方法(fault tree analysis,FTA)是以系統(tǒng)發(fā)生故障為分析目標(biāo),并以其作為故障樹的頂事件,依次向下尋找引發(fā)頂事件發(fā)生的直接原因,并將這些原因表示為最基礎(chǔ)的底事件。該方法可較好地表示事件之間的邏輯和因果關(guān)系。故障樹中常用事件包括頂事件、中間事件和基本事件,邏輯門主要包含了邏輯“與門”與邏輯“或門”。

2.1 結(jié)構(gòu)函數(shù)

假設(shè)故障樹由n個基本事件x1,x2,…,xn組成。故障樹的頂事件為系統(tǒng)發(fā)生的故障記為T,底事件為部件發(fā)生的故障記為X,假設(shè)部件和系統(tǒng)只能取2種狀態(tài):工作正常和發(fā)生故障,用變量Xi(i=1,2,…,n)表示出基本事件,取值為0或1。當(dāng)Xi=1時,底事件發(fā)生;當(dāng)Xi=0時,底事件不發(fā)生。

假設(shè)頂事件的發(fā)生狀態(tài)可由底事件發(fā)生狀態(tài)來決定,可用φ(x)=φ(x1,x2,…,xn)描述頂事件的發(fā)生狀態(tài),當(dāng)φ(x)=1時,頂事件發(fā)生,當(dāng)φ(x)=0時,頂事件不發(fā)生。φ(x)為系統(tǒng)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù),是表示系統(tǒng)狀態(tài)的一種布爾運(yùn)算函數(shù)。

故障樹的邏輯門事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)分別為:

1)與門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作當(dāng)且僅當(dāng)每一個部件都工作。其數(shù)學(xué)模型為:

(1)

2)或門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作當(dāng)且僅當(dāng)至少有一個部件工作。其數(shù)學(xué)模型為:

(2)

其中:

(3)

3)n中取k個工作系統(tǒng)。

系統(tǒng)共有n個部件全部工作且至少有k個部件工作。其數(shù)學(xué)模型為:

(4)

4)n中取k個失效系統(tǒng)。

系統(tǒng)共有n個部件全部失效且至少有k個部件失效。其數(shù)學(xué)模型為:

(5)

2.2 最小割集

割集是故障樹模型中底事件的集合,當(dāng)該集合中所有的底事件都發(fā)生時,頂事件才會發(fā)生。最小割集是指將割集中的任意一個底事件去掉,則該集合就不會成為一個割集,確定最小割集對于頂事件失效控制管理和制定風(fēng)險評估具有很大的作用。

確定故障樹的最小割集一般有下行法和上行法2種方式。下行法是從故障樹頂事件開始,自上而下一直到最底層逐層確定每個割集的方法;上行法是從故障樹最底層底事件開始,一直到最頂層的頂事件結(jié)束,利用“與門”和“或門”的邏輯運(yùn)算法則,自下而上依次用底事件表示中間事件,得到所有割集,進(jìn)一步對所有割集進(jìn)行簡化處理,最終得到故障樹的最小割集。

通過對最小割集進(jìn)行定性分析,即可獲得引起頂事件發(fā)生的各類底事件重要程度,如:1)階數(shù)越小的最小割集越重要;2)在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要;3)在最小割集階數(shù)相同的條件下,在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要。

2.3 頂事件概率

在進(jìn)行故障樹頂事件概率計(jì)算時,通常假設(shè)故障樹底事件只有2種狀態(tài),即為故障模式和正常模式,且底事件之間是相互獨(dú)立存在的。根據(jù)容斥定理,設(shè)故障樹共有n個底事件,k個最小割集Ki(1≤i≤k),則故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

T=φ(x)=K1+K2+…+KK

(6)

式中每個最小割集Ki(1≤i≤k)表示相應(yīng)底事件Xj(1≤j≤n)的積事件。

由于最小割集具有相交性,利用相容事件的概率計(jì)算公式即可求得故障樹頂事件的發(fā)生概率P(T)為:

P(T)=P(K1∪K2∪…∪Kn)=

(-1)k-1P(K1,K2,…Kk)

(7)

2.4 關(guān)鍵重要度

事件重要度是指基本底事件發(fā)生后對頂事件產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度,是一種衡量系統(tǒng)中各事件重要度的可靠性評判參數(shù)。事件重要度越大,則對頂事件的影響程度就越高,在系統(tǒng)中的地位就越重要。關(guān)鍵重要度為底事件發(fā)生失效的概率變化率與頂事件發(fā)生失效的概率變化率的比值,系統(tǒng)第i個底事件的關(guān)鍵重要度為:

(8)

式中:qi為第i個底事件的發(fā)生概率;Q為頂事件的故障概率。

3 系泊系統(tǒng)失效算例分析

3.1 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)故障樹模型

以浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效為總體分析目標(biāo),以浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效為頂事件,以結(jié)構(gòu)、設(shè)備不同失效模式和失效原因?yàn)橹虚g和基本事件,通過梳理頂事件、中間事件和底事件之間的邏輯關(guān)系,建立圖2所示浮式風(fēng)機(jī)懸鏈線式系泊系統(tǒng)故障樹模型。該故障樹模型共包含1個頂事件T,23個中間事件M1～M23,63個基本事件X1～X63,各事件基本含義與描述見表1。

表1 故障樹模型事件描述Table 1 Description of fault tree events

圖2 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)故障樹模型Fig.2 Fault tree model of floating offshore wind turbine mooring system

3.2 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效定性風(fēng)險

定性風(fēng)險分析主要找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有底事件組合,進(jìn)而有效識別浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效模式和失效原因,為系泊系統(tǒng)風(fēng)險防控提供一定指導(dǎo)。根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹模型,采用上行或下行法求解浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效最小割集。浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹的最小割集共有61個,其中二階割集有2個,一階割集有59個,表明絕大部分的底事件失效均可能會導(dǎo)致浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)發(fā)生失效。

3.3 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效定量風(fēng)險

基于故障樹的浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)定量風(fēng)險分析是根據(jù)故障樹底事件發(fā)生概率求解頂事件發(fā)生概率以及底事件關(guān)鍵重要度等可靠性指標(biāo),從而對系泊系統(tǒng)的可靠性、安全性進(jìn)行風(fēng)險評估。浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效定量風(fēng)險分析主要包括:1)根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)故障樹每個組成單元的失效概率,求解系泊系統(tǒng)失效頂事件的失效概率;2)求解系泊系統(tǒng)每個單元的關(guān)鍵重要度,并進(jìn)行排序,識別出系泊系統(tǒng)失效風(fēng)險防控關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效案例較少,故障樹基本事件的發(fā)生概率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不充分,因而本文采用專家評估法對浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹每個底事件進(jìn)行概率估算。依據(jù)風(fēng)險接受準(zhǔn)則的要求,每一類事故需以f=1×10-4次/a作為能夠接受的極限頻率。

參照挪威海洋裝備可靠性數(shù)據(jù)庫OREDA中關(guān)于浮式平臺系泊系統(tǒng)設(shè)備失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征,設(shè)計(jì)合適的調(diào)查問卷,采用專家打分的方法,獲得表2所示浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹各底事件的發(fā)生概率。

表2 底事件發(fā)生概率Table 2 Probability of bottom events

結(jié)合建立的浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)故障樹模型特征,擬采用獨(dú)立事件和的概率方法求解各中間事件的發(fā)生概率P(Mi)和頂事件的發(fā)生概率PT,表達(dá)式為:

(9)

式中P(Xi)代表每一個割集發(fā)生的概率。

結(jié)合表2各底事件的發(fā)生概率,采用式(9)即可獲得浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹頂事件和中間事件發(fā)生概率,結(jié)果見表3。

表3 頂事件和中間事件發(fā)生概率Table 3 Probability of top and intermediate events

由表3可知,浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹頂事件發(fā)生概率為0.001 249,即浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效概率為P=0.001 249,平均無故障工作時間MTBF=1/P=800.6 h,整個系泊系統(tǒng)可靠度為99.875 1%,滿足設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步根據(jù)式(8)計(jì)算各底事件關(guān)鍵重要度,結(jié)果見表4。

表4 底事件關(guān)鍵重要度Table 4 Critical importance of bottom events

由表4各底事件關(guān)鍵重要度分析結(jié)果可知,浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效主要因素包括由于惡劣環(huán)境等導(dǎo)致的張力意外分布、腐蝕、疲勞、磨損等導(dǎo)致的系泊鏈斷裂以及各種輔助設(shè)備故障等,因而可重點(diǎn)針對上述故障模式,開展對應(yīng)的風(fēng)險管控措施,進(jìn)而提高浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)安全性與可靠性。

3.4 浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)風(fēng)險防控措施

針對浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效故障樹分析結(jié)果,識別浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié),提出對應(yīng)的風(fēng)險防控措施:1)提高環(huán)境載荷預(yù)報準(zhǔn)確性,如布設(shè)環(huán)境載荷或系泊系統(tǒng)安全監(jiān)測設(shè)備,避免惡劣環(huán)境引起的極端載荷導(dǎo)致錨鏈斷裂事故的發(fā)生;2)優(yōu)化錨鏈配重塊連接方式,如采用焊接等方式固定配重塊,從而避免傳統(tǒng)螺栓連接方式引起的配重塊脫落事故的發(fā)生;3)完善安裝程序及增強(qiáng)責(zé)任意識。在系泊系統(tǒng)安裝之前做好安裝計(jì)劃,加強(qiáng)在安裝過程中的管理與監(jiān)督,要求每一步安裝都要做到準(zhǔn)確、到位,避免產(chǎn)生安裝失誤,加強(qiáng)安裝人員的責(zé)任意識,完善責(zé)任機(jī)制;4)減少錨鏈觸地點(diǎn)位置處疲勞損傷。由于海底地質(zhì)的影響,接近海底的錨鏈端部與海底反復(fù)發(fā)生碰撞,會使錨鏈過度磨損,從而加速錨鏈發(fā)生疲勞損傷乃至斷裂?？稍阱^鏈易損區(qū)域安裝限制錨鏈彎曲的連接器,減少與海底的接觸,從而減少錨鏈的疲勞損傷;5)定期對系泊系統(tǒng)各裝置進(jìn)行檢測和維修工作,保障系泊系統(tǒng)持久安全的作業(yè)。

4 結(jié)論

1)利用故障樹分析方法定性識別出浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)主要失效模式是錨鏈斷裂和輔助設(shè)備故障。主要影響因素包括惡劣環(huán)境、錨鏈腐蝕、錨鏈疲勞、錨鏈磨損和各類輔助設(shè)備故障等,開展的風(fēng)險管控措施,提高了浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)安全性與可靠性。

2)基于浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)失效進(jìn)行故障樹定量風(fēng)險分析,計(jì)算故障樹頂事件的發(fā)生概率即為浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)的失效概率,獲得系泊系統(tǒng)可靠度和平均無故障工作時間,計(jì)算結(jié)果滿足系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

本文故障樹方法適用于傳統(tǒng)的二態(tài)可靠性分析上,但實(shí)際上還需要考慮其他中間狀態(tài),例如修復(fù)、測試和安裝。未來的工作在于開展帶有維修狀態(tài)和預(yù)測方向的研究,可以為更加復(fù)雜的系統(tǒng)提高計(jì)算精度和效率。