溢洪道閘門安全問題探討

[英 ] J.利文

1 提高安全度的重要判據

1.1 得到充分認可的設備

在打算執行一項重要安全功能的系統中,通常不宜采用新開發的設備或技術。新開發部件的故障經驗有限,人們可能并不完全了解這種設備的故障模式。如果沒有該設備用于類似的工程或環境的先例,貿然使用可能會發生問題,部件可能以不曾預見的模式發生故障。由于部件之間不可預見的相互作用,可能導致更多的故障。同樣,基于新技術的部件由于技術還不夠成熟,很難進行改進,制造和運行經驗也不足,不能從中獲益。

1.2 單項故障判據

在設計故障判據系統時應考慮到,任何單個部件若發生故障,應不影響系統執行其所要求的功能。該原則是基于單個部件發生故障的概率相當高,而兩個或多個部件同時發生故障的概率要低得多。

當探明一個部件確實頻發故障時,必須特別關注該部件的設計、質量保證和性能監測。采用得到充分認可的設備的原則變得更加重要。同樣,監測部件以保證其性能令人滿意至關重要。此外,應考慮部件可能存在的意外故障模式,以及如何通過良好的設計或運行實踐來減輕這些故障模式的影響。

___閘門構成了沒有冗余的結構系統,而閘墩和其他土建工程結構都有冗余度。如果溢洪道閘門能設計為在閘門出現關閉故障不會引起洪水淹沒,則該判據部分是令人滿意的。在大多數擋水堰處,這對于輔助閘門是可能的,但對通航閘門是不可能的。

1.3 故障自動保險設計

如有可能,系統中任何部件的故障應將系統移向“安全”狀態。對于許多系統,存在一個可接受的“安全”狀態,部件故障應使系統向該條件轉移。

1.4 冗余與差異

任一系統防止個別部件出現故障主要是采用冗余和/或差異。常常采取設置兩條或多條相同平行線路的形式,每條線路可獨立地執行所要求的功能。

冗余可提高可靠性的這一基本能力源于這種系統的故障邏輯。如果兩個重復通道任一個發生故障的概率為 p,則兩個通道同時發生故障的概率為 p2。對于一個通道,每個要求的概率 p為 10-2,則每個要求的系統故障概率為:

在冗余回路中,運行模式可能遵循各種模式,取決于系統類型和運行。

1.5 共因故障(CCF)

之所以采用冗余來提高可靠性是因為各冗余通道是獨立的。這意味著,如果一個通道發生故障,則另一個通道的故障概率仍然為 p,亦即為第 1個通道發生故障之前的概率。這個假設并非不合理,而且令人滿意地代表了許多故障事件。但是,當相同(共同)原因導致多個平行通道發生故障時,這個假設便不再成立。

假設一個通道的故障概率 p為 10-2,p分成兩個分量:pI是獨立故障模式所占的比例,pC為共因故障模式所占的比例。對于一個兩通道冗余系統,

故障概率并不是 p2,而是如果 pC僅為 5%的量級,則該平行系統的故障概率并不是 10-4(獨立故障的概率應為 10-2),而是:

即故障概率約為 6倍。即使 pC僅為 1%,與完全獨立的情況相比,系統的故障概率仍約為它的 2倍。

過去對許多 CCF事件的分析說明,對于一個設計良好的系統,pC的合理資用估值約為 10%,如果必須將這個比值大大降低,則需要采取專門的 CCF保護措施。

CCF事件的發生源于兩個經常出現的問題:①設計錯誤,曾導致通道之間非故意的相互作用,或者產生共同的弱點;②運行錯誤(尤其是在維修中的錯誤),這類錯誤曾造成多重故障。其他原因(也許得到更廣泛的公認)包括共同的不利環境條件和外部風險,如火災、雷擊或爆炸。

1.6 暴露的故障

對于任何部件故障,設計意圖應為在故障發生后,運行人員應盡快發現部件故障,目的是在沒有采取措施的情況下使系統處于故障狀態的時間最短。對于正常運行的系統,這個要求可能很簡單,但是對于以備用方式運行的保護系統,需要作更多的考慮。最常見的技術是采用監測和報警系統,以便用適當的傳感器檢測反常情況,并向運行人員報警。

對于溢洪道閘門,許多設備在兩次試驗之間是不工作的,因此,監測不發揮作用。但是,可對供電系統進行監測與報警,尤其是在閘門電源與大壩辦公室電源分開,工作人員可能不能發現電源跳閘的場合。

1.7 試 驗

后備保護系統,如擋水閘門,可能在很長的時期內閑置。在沒有故障監測系統的情況下,部件質量下降或故障只有在實際要求時才會顯示出來。假設部件故障隨時發生,系統處于故障狀態的概率大致隨上一次要求以來經過的時間呈線性增加。

1.8 人類工程學設計

雖然擋水設備的設計能使其有效與可靠地運行,但也必須易于運行。對于沒有自動控制的手動操作閘門,設備尤其是控制系統應反映良好的人類工程學實踐。

1.9 培 訓

應對所有可能在應急情況下操作閘門的員工進行培訓,并讓他們定期練習閘門操作。經初步培訓后,頒發相關的資格證書(有效期為 3～5 a)。只有經證明有例行閘門操作的良好實踐經驗和參與多次應急練習的工作人員才可重新取得資格證書。

2 溢洪道閘門的故障自動保險設計

在應急情況下,溢洪道閘門應是故障自動保險的。許多保護系統都有一個可接受的“安全”狀態,部件故障應引起系統朝著該條件轉移。

故障自動保險運行通常采取打開溢洪道閘門的形式,下泄由洪水引起庫水位上升的那部分水量,防止水流越過門頂和庫水位接近壩頂。洪水下泄應不危及河流用戶或引起河流泛濫,如果不可避免,應給出報警。在某些場合,故障自動保險運行可能涉及關閉而非開啟閘門。

在應急開閘后,隨后的流量控制也會引起破壞事件。當溢洪道有多扇閘門時,同時打開多扇閘門可能引起泄水涌浪問題,對生命財產造成嚴重危險。

對于不同的閘門已經實施了不同的解決辦法,以達到故障自動保險的設計。

2.1 滾筒式閘門和扇形閘門

圖1 滾筒式閘門和扇形閘門

圖 1所示的這類閘門是首例用水位操作的自動閘門,如位于蘇格蘭皮特洛赫里的閘門。滾筒式閘門是利用差壓閥和運行閥控制水流而運行的。運行涉及鋼絲繩、許多滑輪和數段鋼絲繩引起的彈性負荷。該設備易受地震風險。在某些設備中,在彎曲面上下泄洪水,當形成自由溢流水舌時,導致閘門振動。另外還必須采取水舌通氣措施。也可通過按小功率電動機的起動按鈕,運作控制差動閥的鋼絲繩來手動操作閘門。為了保證在電源故障時仍能進行操作,控制電動機通常備有蓄電池。

2.2 自潰閘門

在過去 20 a里,某些溢洪道閘門已經安裝了用水位操作的自潰閘門(圖 2)。若發生較小洪水,它們的作用如同一個迷宮堰。若發生較大洪水,水流流進井中,進入設置在底檻上的斗底。當水庫蓄水位達到設計洪水位時,作用于斗底上的揚壓力和自潰閘門重心的改變引起閘門傾覆。然后,當水庫蓄水位達到混凝土底檻水位時,自潰閘門恢復,并重新定位。有時,自潰閘門不能重新使用。

圖 2 自潰閘門的操作和通過井的斷面

現有大壩選擇自潰閘門的主要判據為:①施加于大壩上的附加負荷;②控制庫水位要求的限制條件;③洪水過后恢復自潰閘門段所需要的時間和開展的工作;④更換/修理損壞的閘門段或可重新使用單元的可能性;⑤引起自潰閘門傾覆的洪水事件的概率。

2.3 其他水位操作的閘門

水位操作的閘門大多數為滾筒式、扇形或自潰閘門,但也不盡然。在葡萄牙,許多溢洪道安裝了弧形閘門,它們依賴于浮力和配重系統工作。在南非,研制了某些依靠浮箱工作的閘門,浮箱與面板相結合(圖 3)。當水流溢過閘門時,水舌必須通氣。

圖 3 堰頂自動閘門

以上兩例閘門的運行信息很少,因為尚未廣泛推廣使用。自動水位操作存在的主要缺點是控制閘門運行的堰的入口可能被漂流物堵塞,以及難以正確設計控制閘門泄水的堰。

2.4 電力操作的閘門

電力操作溢洪道閘門的可靠性要求必須包括整套裝置,因此,任何閘門操作設備、控制器或儀表的單個隨機故障不妨礙閘門的操作。這是基于單個故障的概率相當高,而兩個或多個部件同時出現故障的概率要低得多。

在閘門設計中,包括了冗余,以達到深層次的保護。但是,這不適用于閘門和土建工程。因此,還介紹了某些閘門裝置的設計特性,以提供故障自動保險的條件。

電力操作的主要作用是提升閘門。可通過受控的重力或小功率電力輸入來關閉閘門,以克服低的傳輸效率。許多陳舊的閘門裝置,將閘門卷揚機鋼絲繩或鏈條延伸,以懸掛在一條管道或一個深坑中運行的配重。在這些情況下,配重的唯一功能是降低提升力。

若鋼絲繩上的配重超過提升力,則閘門需要電力關閉。這種閘門在重力下的開門速度一直受起調速器作用的離心旋轉配重的控制。

對于斯里蘭卡的維多利亞壩,人們認為,溢洪道閘門故障自動保險的開啟非常重要。吉布堰頂自動閘門為弧形閘門,將其閘門支臂延伸用來安裝配重,以便能永久性地具有打開閘門的功能。油壓缸在支臂中間位置,持住閘門,使其保持關閉。浮子系統測量庫水位的上升,以打開油壓控制的閥門。這允許閘門完全打開,或者當水流停止時,將活塞打開到預定位置,當庫水位進一步增加時,打開一系列階梯形布置的閘門孔口中的下一個閥門。關閉閘門需要電動油泵,并以相反的次序由庫水位控制。

在維多利亞壩,閘門操作系統的發明人聲稱,與無控水流相比,在不增加大壩高度的情況下,水庫庫容增加 28%。

底部裝有鉸鏈的溢洪道閘門常常用于河口堤壩,以防潮水風暴涌浪。在這種情況下,故障自動保險系統用于閘門的關閉。還有一種液壓操作的溢洪道弧形閘門,其后備系統完全分開與獨立,由一對輔助臂和一個電動渦輪傳動的液壓油泵所組成。該后備系統可取代主操作系統運行,無論主系統是何種故障模式,均能提升閘門。該系統也適用于用液壓缸操作的溢洪道垂直閘門。

2.5 小 結

某些電力操作系統,除了幾個故障點外,可設計為部分重復的。但是,機械傳動系列幾乎均為串聯系統,任何單個部件的故障會導致整個系統故障。與溢洪道閘墩和其他土建建筑物一樣,閘門是一個沒有冗余的結構系統。

溢洪道閘門是安全關鍵系統。如有可能,故障自動保險設計應將系統移向“安全”狀態。在評估大壩溢洪道閘門的可靠性時,這極為重要。

3 共因故障

在設計安全關鍵系統時應考慮到,任何單個部件若出現故障,應不影響系統執行所要求的功能。

任何一個系統應對個別部件故障主要是采用冗余和/或差異。通常,采取設置兩條或多條相同平行線路的形式,每條線路能獨立地執行所要求的功能。

溢洪道閘門設計易受到由環境和外部風險、維修缺陷和設計引起的許多共因事件的影響。必須考慮這些因素,并加以消除,如果不能消除,則考慮減輕這些影響。必須考慮如下因素。

3.1 環境 CCF

(1)利用密封外殼防止天氣影響;

(2)電纜敷設在鋼管中;

(3)外殼密封;

(4)濕氣入侵使電纜品質降級;

(5)按現代標準接地;

(6)防雷保護;

(7)抗震穩定性;

(8)面板組件及其加勁部件的結構故障;

(9)閘門支臂的結構故障;

(10)市電電源;

(11)變壓器基礎或機架;

(12)備用發電機機架;

(13)起動器蓄電池結構支撐;

(14)控制盤倒塌;

(15)電纜架倒塌;

(16)懸掛照明設備倒塌。

3.2 外部風險 CCF

(1)市電電源故障;

(2)備用發電裝置起動和運行出現故障;

(3)要求分開的公用電纜敷設;

(4)保護管道不受外部事件的影響;

(5)運行閘門的不同措施,例如,可連接到閘門傳動系列的便攜式柴油發動機、可移動的柴油發電機和插入式設施、可移動的油壓動力裝置。

3.3 消防設計 CCF

(1)負荷均恒,在閘門的每一側提供閘門卷揚機鋼絲繩;

(2)提供閘門負荷平衡桿,它必須與自潤滑軸瓦相結合,以防腐蝕引起的卡死;

(3)提供自潤滑樞軸的軸承以及潤滑,以防軸承非負荷表面潮氣積累;

(4)用于機械傳動的替代電動機;

(5)主傳動蝸桿齒輪箱的額定值下降;

(6)所有齒輪箱安裝有帶干燥劑過濾器的呼吸器;

(7)采用得到充分認可的設備。

3.4 油壓設備

(1)雙重的電動機和油泵單元;

(2)停用時移去泵的負荷(不用高壓釋放閥);

(3)可手動操作和用手動操作閥隔離的雙重方向控制閥;

(4)閘門每側的卷揚機液壓缸之間的壓力補償管道,即使壓力管道敷設在兩液壓缸的中央;

(5)采用自動調整軸承操作安裝在萬向支架上的液壓缸和連接到閘門的活塞;

(6)提供手動泵;

(7)為液壓動力裝置提供插頭;

(8)如果液壓動力裝置采用常規油壓液,萬一將來情況發生變化,該系統仍應設計成采用環境適宜的壓力液操作。

3.5 操作 CCF

(1)應提供明確的且作了詳細說明的應急措施,并加以定期演習;

(2)應對工作人員進行定期培訓,并頒發資格證書;

(3)應進行定期操作試驗。

3.6 人體工程學設計

(1)控制應系統性設計,并加上明確的標志;

(2)應顯示系統狀態;

(3)應報警或顯示設備的故障狀態;

(4)臨時取代自動控制的手動控制裝置或旁路應由鍵聯鎖。

4 結 語

早在 2004年就有專家提出了溢洪道閘門的可靠性原理。上述弧形閘門的可靠性要求是設計和運行管理經驗的總結。在不能提供冗余的場合,設備可能發生 CCF故障,宜采用按高標準設計并得到充分認可的設備進行處理。